静水压下损伤岩石动态压缩破坏实验及机理研究

In deep rock engineering projects in mining, hydropower and nuclear waste disposal, excavation induced temperature change and unloading lead to initial rock damage. It is thus critical to understand the mechanical properties of damaged deep rocks for the purpose of ensuring structural safety and maximizing profit in engineering projects. Because rocks in deep engineering project is prone to natural or engineering induced dynamic loads, the applicant proposes a combined experimental and numerical method to investigate the dynamic failure of damaged deep rocks. Focused on the dynamic compressive strength of damaged rock subjected to hydrostatic confinement, the initial damage is introduced to the rock sample by heat treatment, which is then quantified by the X-ray micro CT scanning method. The thermally damaged samples are then dynamically tested in compression while subjected to hydrostatic pressure using a recently established multi-functional dynamic testing system. These recovered samples after the dynamic tests are sieved to obtain the particle size distribution and deduce the energy dissipation characteristics. Based on the experimental results, a compressive strength model of rocks considering the initial damage, the hydrostatic confinement and the loading rate will be established to reveal the dynamic failure mechanism and characteristics of damaged deep rock under high in situ stress. The research will provide theoretical basis for stability analysis of deep rock masses.

在矿产开采、水利工程和核废料处理等深部岩体工程中，围岩因开挖引起的温度变化和卸荷作用会产生不同程度的初始损伤，因此研究初始损伤对深部岩石力学性质的影响对提升工程结构安全和提高工程效益具有重要意义。针对深部岩石经常受到自然或者工程相关的动力扰动问题，本课题拟采用实验与理论相结合的方法，研究深部损伤岩石的动力破坏。具体围绕静水压下含初始损伤岩石的动态压缩破坏特性这一主题，通过温度加载引入初始损伤、CT扫描得出岩石损伤参量的量化描述。然后使用多功能动力加载设备对损伤岩石进行系统测试，研究损伤岩石在静水压（深部）和冲击荷载联合作用下的动态响应特性，并回收破碎岩石，研究其粒度分布和能量耗散规律。在上述研究基础上，进一步构建考虑初始损伤和静水压作用的岩石动态压缩强度模型，从围压和动荷载联合作用的角度，初步揭示高应力作用下深部损伤岩石的动力破坏力学机制，为深部岩石稳定性评估提供理论依据。

在矿产开采等深部岩体工程中，围岩因自身及外部扰动损伤（卸荷、温度、爆破及地震等）作用下存在不同程度的初始损伤。这些存在不同程度初始损伤围岩，在高地应力和动态扰动下其力学强度会加速衰减，从而对威胁深部工程结构的稳定性。因此，研究存在初始损伤的岩石在高地应力、动态扰动的环境下的力学性质及破坏规律对于提高深部结构稳定性具有重要意义。本项目以大理岩、花岗岩、砂岩等试样为研究对象，通过高温处理引入不同程度的可控损伤，采用SHPB对其进行不同围压条件下的系列动态加载试验。.主要研究成果如下：.1. 进行了一系列热损伤后岩石物理力学性质变化规律试验，获得不同温度处理后房山大理岩的微观结构、矿物成分以及动态拉压强度的变化规律，花岗岩的破碎化情况，探究了高温下岩石的微观损伤及其演化规律。.2. 进行了一系列静水压条件下损伤岩石的动态力学试验，获得了不同围压条件岩石各种动态力学强度的率相关性以及围压与动态强度二者间的关系。.3. 在传统分离式霍普金森压杆系统的基础上对装置进行发明，并设计了一种改进的动态冲剪强度测试方法，为本课题静水压下动态强度测试试验的开展提供了支持。.4. 围绕静水压条件下的动态试验进行数值理论研究，建立了适用于静水压条件的NMM-SPH耦合模型，采用离散元软件模拟了拉伸试验，并得到岩石均质性的相关结论。.5. 进行了动态冲击压缩试验，建立热损伤、输入能与回收样品破坏程度及能量转化效率的定量关系，揭示损伤后岩石动态压缩过程中的能量耗散规律。.6. 建立了考虑静水压的损伤岩石动态强度模型，量化岩石在热损伤后静水约束条件下的损伤破坏特征。