加卸荷应力路径岩石渗透破坏的宏细观演化机制与模型研究

Rock seepage failure mechanism caused by engineering excavation is one of the rock mechanics theory problems.Rock hydromechanical coupling mechanism has difference between loading and unloading stress paths.Triaxial loading and unloading tests will be conducted on rocks to study the macro features and inherent relationships between the permeability evolution and stress pahts.Combined with rock samples section observation,the revised C-V model will be used to realize the multiphase split of rock components by using PDE's digital image processing technique.Then rock real mesoscopic geometrical model will be obtained.The mesoscopic geometrical model will be embedded in ABAQUS program through the Python language programming.The spatial distribution and time varying law of rock permeability paths will be revealed.The crack development mechanism from the lag stage to the burst stage during rock seepage failure process will be discussed.According to the generalized plastic mechanics theory,rock yield function forms under loading and unloading stress paths will be established.Rock hydromechanical coupling constitutive model under loading and unloading stress paths will be built.Based on the minimum potential energy theory,rock seepage failure mechanical criterion will be put forward.Rock seepage failure signs from the lag stage to the burst stage will be discussed.The results have a great theoretical and practical value for deepening research of rock seepage failure mechanism under unloading stress path, predicting and preventing rock disasters.

工程开挖引起的岩体渗流应力耦合作用机制是岩石力学亟待解决的理论难题，以加荷试验结果解释岩体渗透破坏与实际岩体卸荷路径不相一致。项目拟开展岩石三轴加卸荷渗透试验，诠释加卸荷路径岩石渗透性演化的宏观特征和内在关联。通过岩样切片观察，基于数字图像处理技术，改进C-V模型实现岩石组份的多相分割，建立岩石真实细观结构几何模型，通过编程将其嵌入有限元程序，揭示相同细观结构岩石加卸荷破坏过程渗透路径的空间分布与时变规律，探索渗透破坏开始阶段裂纹发展的迟滞性与最终破坏的突发性机制。根据广义塑性力学理论，给出加卸荷路径岩石渗透破坏过程的屈服函数，构建岩石渗流应力耦合作用本构模型。根据最小势能原理，提出加卸荷路径岩石渗透破坏的力学判据，探索岩石渗透破坏从迟滞阶段到突发阶段的征兆及转化条件。研究成果对于深化卸荷路径岩体渗透破坏机理认识、预测与防治岩体灾害具有重要的理论意义和工程价值。

工程开挖引起的岩体渗流-应力耦合破坏机制是岩石力学亟待解决的理论难题。项目通过岩石渗流-应力耦合破坏试验、数值分析和理论研究，诠释岩石渗透性演化的宏观特征和内在机制。试验表明：岩石渗透率变化曲线呈现V型和S型变化趋势。渗透压增加，岩样峰值强度降低。围压对渗透率的影响比渗透压对渗透率的影响更为显著，围压增加，初始渗透率减小，不同渗透压之间岩石峰值强度差距越来越小。环向应变比轴向应变和体积应变更能有效反映渗透率变化规律。基于PDE偏微分方程方法，改进变分水平集的C-V模型实现岩石图片的多相分割，建立岩石真实细观结构几何模型。利用AUTOLISP语言对AUTOCAD进行二次开发，实现数字图像离散边界点自动连线。将岩石真实细观结构模型嵌入ABAQUS程序中，建立渗流-应力耦合破坏数值计算模型。结果表明：渗透压增加，岩样塑性区域增加，渗流速度增大。渗透压作用下，水流开始时速度很低，随机流动没有规律，一旦试样产生裂隙，流体首先在裂纹中形成渗流路径，并进一步发展为贯通的导水通道，导致裂隙处渗透系数及渗流速度出现“阶跃”现象。基于流体渗流一维连续性方程与有效应力原理，建立岩石渗流-应力耦合力学模型。岩样特征应力随有效围压增加逐渐增大，岩样破坏符合Mogi-Coulomb 强度准则。相同条件下，随渗透压增加，基于Darcy定律的渗透率变化规律不是很明显；非Darcy渗流条件下，渗透率随渗透压增加逐渐增加。随着渗透压增加，岩石基于Darcy定律非Darcy定律条件下岩石渗透率差异逐渐缩小。不同渗透压下岩石渗流因子全部为负值，渗透因子为负值为岩石渗流-应力耦合破坏的必要条件。研究成果对于深化岩体渗流-应力耦合破坏机理认识、预测与防治岩体灾害具有重要的理论意义和工程价值。