THM耦合过程中深埋岩石裂纹扩展机理与变形破坏规律研究

THM coupling mechanism and process control of deep-buried rock is a challenging research subject in international rock mechanics field. Based on continuum mechanics, fracture mechanics, damage mechanics and thermodynamic principle, the subject mainly studies the crack growth mechanism and the deformation law of rock mass in THM coupling process and does double field, THM coupling stress-strain test of natural and artificial pre-cracked transparent rock by advanced test systems such as the rock mechanics servo-control testing system, rock acoustic emission tester, scanning electron microscopy experiments instrument, digital photographic measurement instrument and so on, quantitatively describing the damage evolution law of the initiation, propagation, linking each other and failure of crack with the digital image processing technology, exploring the change of rock strength, deformation parameters and crack propagation mechanism because of the mesoscopic structure and spatial distribution, revealing permeability character evolution law of the fractured rock mass in the THM induced damage coupling process. Based on these, the constitutive model which can describe the failure characteristics of deep-buried fracture rock in the THM coupling process can be builded, deformation and failure characteristics can be researched by numerical simulation method and the stability and safety deep underground engineering in complex environment can be also predicted. The research results have the important theoretical significance for improving the prediction of instability and failure of deep underground engineering in the complicated environment.

深埋岩体THM耦合机理与过程控制是国际岩石力学领域极富挑战性的前沿研究课题。本项目以连续介质力学、断裂力学、损伤力学和热力学原理为基础，以THM耦合过程中岩石裂纹扩展机理与变形破坏规律为研究主线，采用岩石力学伺服实验机、岩石声发射测试仪、扫描电镜实验仪、数字照相量测仪等先进测试系统，对天然和人工预制裂纹透明的岩石试件进行双场、THM耦合全应力应变过程试验，用数字图像处理技术定量描述岩石微裂纹萌生、成核、扩展、贯通至破坏损伤演化规律，探索岩石细观结构、裂隙空间展布对岩石强度和变形参数以及裂纹扩展机理的影响，揭示THM耦合诱发损伤过程中裂隙岩体的渗透特性演化规律，构建能描述THM耦合作用下深埋裂隙岩石破坏特性的本构模型，并对THM耦合过程中岩石变形破坏特征进行数值模拟研究，预测复杂环境下深部地下工程的稳定和安全性。研究成果对于促进在复杂环境下深部地下工程失稳破坏的预测具有重要的理论指导意义。

针对深埋地下采矿工程、油气工程及高放核废料处置工程具有高地应力、高温、高渗透压的特点，渗流-应力-温度场耦合作用下岩石变形劣化全过程的细观损伤力学问题成为当今国际岩石力学与工程研究的热点。本项目首先利用大理岩原位单轴受压实验，结合SEM扫描电镜对大理岩的初始裂纹及各受力阶段的细观裂纹进行观察,提取到不同应力状态的大理岩细观结构图片,并运用数字图像处理技术对每一过程损伤演化的裂隙参数进行统计分析，然后基于细观力学理论、细观损伤力学理论、热力学理论，建立大理岩各向异性细观损伤本构方程，从理论上推导大理岩损伤演化的特征及规律。其次研究了循环水冻融作用下岩石类材料的裂纹扩展和变形破坏规律，基于热力学理论、内变量理论提出应力-温度-水分迁移多场耦合作用下非线性岩石增量型本构模型，可以描述岩石冻融过程中细观物理非线性耗散机制的变化。然后开展透明类岩石预制单裂隙、双裂隙以及不同裂隙材料和面积条件下的单轴双轴压缩实验，观察了裂隙在不同条件下的扩展规律，分析不同预制裂隙条件以及裂隙扩展对类岩石材料力学特性的影响以及变形劣化过程中微裂纹萌生、成核、扩展、融合、贯通至破坏的全过程。第四，在数字图像处理技术方面提出创新性方法，开发细观裂隙提取和模拟软件，提高了细观扫描图像处理的精度和效率。最后利用扩展有限元单元法，实现动态模拟裂纹扩展演化过程。此课题的研究是岩石力学领域的突破与创新，对复杂环境状态下地下岩石工程围岩稳定与安全有重要的理论指导意义。该项研究成果发表科技论文26篇，其中SCI论文5篇，EI论文5篇，培养博士1名，硕士10名。