动应力场与渗流场耦合下卸荷裂隙岩体动态损伤演化机制研究

Engineering disturbance induced damage and fracture behavior of rock mass and the change of seepage field in rock mass may lead to large-scale rock engineering instability and engineering geological hazards. Therefore, it has theoretical significance to study the damage mechanism of unloaded fractured rock mass under the action of coupling of dynamic stress field and seepage field and is more close to the practical application value of engineering practice. The project research on damage evolution process of unloading fractured rock mass under dynamic load from the angle of damage mechanics reveal the permeability characteristics of fractured rock mass under high stress unloading confining pressure. The process of energy dissipation of fractured rock mass under different conditions is obtained. The relationship of energy dissipation and damage is established. The damage evolution law of the unloaded fractured rock mass under the dynamic load condition is analyzed and the damage evolution equation is established. A new index of damage variable is set up. This research will provide a guide and theoretical basis for the effective prediction of dynamic disturbance to the damage and seepage of geotechnical engineering.

工程扰动诱发的岩体损伤破裂行为及其造成的岩体中渗流场的改变有可能导致大规模岩体工程失稳和工程地质灾害。因此，研究动力扰动和渗流场耦合作用下卸荷裂隙岩体损伤机制具有普遍的理论意义和更接近于工程实际的应用价值。项目研究从损伤力学角度探讨动荷载作用下卸荷裂隙岩体损伤演化过程，揭示裂隙岩体在高应力卸围压条件下渗透特性，分析渗流场和动态应力场共同作用下裂隙岩体的动态响应，探明不同条件下裂隙岩体损伤演化过程中的能量耗散，建立能量耗散与损伤关系，并分析卸荷裂隙岩体在动载条件下损伤演化规律并建立损伤演化方程。建立新的损伤变量指标，为有效预测动力扰动对岩土工程损伤及渗流问题提供指导和理论依据。

由于深部地层应力、地质条件的复杂性，不确定性因素、未知因素更多、更复杂化，建井工程条件显著变化，建井过程中必然面临一系列工程问题，给建井工程带来的风险也显著提高。其中最主要问题是深部地层处在高应力强压缩状态，岩石硬度大、含能水平高，施工扰动作用下容易产生强烈的岩石动力灾害，对掘进、支护等带来挑战。深竖井建设面临的诸多地压灾害及技术难题，归根到底是深竖井开挖扰动作用下高应力环境及其变异与能量场演化造成的。因此，掌握深竖井开挖变形破坏机理与能量演化规律，研究深井高应力转移与阻断方法，营造合理的卸荷低应力作业环境对深竖井安全经济高效建设显得尤为必要。本项目针对以上问题做了以下研究：.（1）从深井围岩受力模式和采动应力路径演化入手，针对高应力花岗岩开展动静组合加载卸荷冲击试验，根据深部围岩应力演化路径，研究不同动静组合应力路径下能量吸收与耗散特性。根据能量原理计算入射能、反射能、透射能及各自的比率，分析不同应力路径下能耗密度与冲击能量、动静载荷、应变率及其加卸载速率的相关关系，掌握能量吸收、转移、释放和耗散的转化关系。.（2）对含不同孔洞形式的式样进行冲击试验，分析井筒围岩损伤演化特性和破坏特征，揭示深竖井开挖非常规破坏作用机制。.（3）研究了不同轴向预应力对深竖井围岩的影响，试验结果表明：预应力高于裂纹萌生应力时，较未加轴向预应力动态强度和刚度分别减小和增大，这表明，地应力提高了巷道围岩的“韧性”，在相同动荷载扰动作用时，抵抗巷道围岩失稳破坏能力增强。轴向预应力高于裂纹损伤应力时，较未加轴向预应力的强度和刚度都在减小。可以认为，在高预应力条件下，动载扰动对巷道围岩稳定性是极其不利，更容易引发巷道围岩失稳。