高渗压梯度条件下多裂隙岩体断裂损伤机理及其应用研究

对高渗压梯度条件下多裂隙岩体的本构关系演化及断裂破坏判据进行研究,实验测试高渗压梯度条件下多裂隙岩体断裂损伤规律，从损伤断裂力学的角度探讨高渗透水压下多裂隙岩体的渗流-应力耦合机理，建立高渗压梯度条件下多裂隙岩体细观损伤本构模型和渗流-损伤耦合模型，研究高渗压对裂纹起裂、分支裂纹扩展、裂纹间贯通的影响，提出高渗压梯度条件下多裂隙岩体相互作用的岩体断裂破坏判据，将研究成果应用于深部地下隧道工程，充实和完善理论。研究内容包括多裂纹相互作用试验研究、多裂纹岩石的高渗透压梯度下试验研究、高渗压梯度条件下水岩力学作用研究、多裂隙岩体高渗压-应力-损伤耦合方程及机制研究、多裂隙岩体高渗压-应力-损伤耦合方程及机制研究、高渗透水压作用下多裂隙岩体损伤断裂的数值研究和应用研究。

岩体是处于一定环境状态下的复杂地质材料，内部富含微裂纹、孔隙及节理裂隙等缺陷，其中存在地下水等多种液体。这些液体不仅与岩体发生物理化学作用，而且其所产生的渗流场在力学状态和力学过程等方面也与岩体应力场相互影响。渗透水压下的多裂隙岩体，其力学行为会发生改变。对于渗透水压下岩体力学行为的研究主要集中在岩体在应力作用下的变形，岩体损伤对渗流的影响，水压力作用下岩体的力学反应，岩石类脆性材料中单一裂纹或者规律性分布裂纹断裂力学行为，裂隙岩体渗流--应力耦合机理的研究上。本项目结合已有研究成果，在实验研究基础上，集中在多裂纹的相互作用，高渗透压下多裂纹岩体断裂损伤规律及水岩力学作用，将多裂隙岩体渗流--应力--损伤耦合机制应用于高渗透水压下的岩体稳定性等研究上。采用预制裂隙体试件进行多裂纹岩体断裂破坏研究，得到了不同裂隙分布形态（裂隙倾角、岩桥倾角、裂隙数目、分布密度）对裂隙体临界失稳荷载、岩桥贯通方式、弹性模量等力学参数的影响。基于多裂纹相互作用试验，并根据滑动裂纹模型和断裂力学理论，提出描述非单一裂隙不同贯通破坏的简化模型，并推导出两种简化模型的屈服状态方程。运用叠加原理，推导远场应力和裂隙水压共同作用下的多裂纹尖端应力强度因子，探讨了高渗压条件下近置多裂纹间的相互影响。根据多裂纹体的各项力学特性，研究了裂隙岩体中裂纹面的应力状态和破坏模式，建立了临界水压和初始强度判据。建立了高渗透压下压剪岩石裂纹体岩桥剪切贯通的断裂破坏力学模型，对高渗压作用下的裂隙岩体进行了损伤断裂机理分析，提出了相应的断裂破坏判据，并将自主研究WFRD2D计算软件中的计算功能导入FLAC3D，实现了裂隙岩体的渗流--应力损伤断裂机理分析。并将其运用与实际工程中，进行围岩和支护的稳定性分析。该项目的研究，不仅理论意义重大，同时可为岩体工程防灾减灾提供理论支持。