高地应力强渗透作用下断续节理岩体破坏机理及锚固效应

西部大开发中正在规划或在建的有许多国内外罕见的大型深埋水电洞群或长大隧道。其高地应力、强渗透特点日益突出，导致其突水灾害发生频次明显增多，且更具突发性。在断续节理岩体中，高地应力强渗透作用下裂隙扩展贯通机理就成为此问题的关键。为此，拟通过模型试验、理论分析、数值计算等手段，研究高地应力强渗透作用下断续节理岩体三维裂隙的扩展规律和锚杆与断续节理岩体协调变形与应力传递机理，及锚杆不同作用部位对裂隙扩展的止裂作用和锚固效果，揭示三维裂纹的扩展机制及锚杆增韧止裂作用。拟建立高地应力强渗透下断续节理岩体三维裂隙失稳扩展突变模型，以揭示裂纹失稳扩展和岩桥贯通导致的岩体破坏机理并控制其破坏。拟建立有效反映高地应力强渗透作用下加锚岩体渐进破坏过程的断裂损伤模型和演化方程。开发适合深部断续节理岩体高地应力和强渗透特点的有限元程序，其研究成果可直接为深部断续节理岩体稳定性评价和布锚优化提供理论基础和分析手段。

本研究按照研究计划，开展了所有内容的研究，达到了预期的研究目标。大型地下电站厂房洞室群开挖后边墙附近会出现拉应力区，高地应力情况下更加明显，拉应力区就控制了大型地下洞室的稳定性，并成为重点加固部位。调研了裂隙制作技术以及单轴拉伸实验技术，改进了单轴直接拉伸实验技术并制作了相应的拉伸装置。开展了表面裂隙扩展试验，分析了类岩石材料试件中三维表面裂隙的扩展模式以及表面裂隙倾角和裂纹深度对试件力学特性和裂隙扩展规律的影响。利用断裂理论分析了表面裂纹前缘三种应力强度因子的变化规律。根据最小应变能密度准则、最大应力准则以及改进的最大应力准则分别预测半圆形表面裂纹的起裂角，并与前述试验结果进行了对比，结果表明，考虑III型应力强度因子影响的改进的最大应力准则预测的起裂角与试验结果更接近。工程实践中裂隙往往含有充填，因此又开展了裂隙充填情况对三维裂隙扩展规律的研究。开展了内置裂隙扩展试验，分析了三维内置裂隙倾角、间距、数量等对试件力学特性及裂隙扩展过程的影响；在拉伸荷载作用下，内置裂隙长轴附近先后产生包裹状翼裂纹和次生裂纹，在短轴附近产生扭结区，裂隙的张拉扩展导致试件最终断裂。利用FRANC3D软件模拟了三维内置裂隙扩展过程并研究了裂隙倾角的影响。开展了锚固体试件的拉伸和压缩试验，分析了锚固角度与锚固位置对锚固效果的影响，总结了不同锚固角度锚固体试件的裂隙扩展模式。在单轴压缩试验中，加锚试件内部出现了弧形破坏面和剪切薄弱面，共出现了张拉裂纹、剪切裂纹和拉剪复合裂纹三种。与无锚试件单轴拉伸试验对比发现，锚杆不但可以改变裂隙扩展方式，而且在拉伸过程中存在一裂隙稳定扩展阶段。试验过程中发现了锚杆发挥抗剪切作用致使材料受拉引起的次生裂纹。采用声发射模拟技术开展了锚固体试验加载过程中的三维裂隙扩展过程。分析了加锚试件声发射特征，应力能量时间曲线上出现了“跳跃”现象。破裂位置的声发射定位结果进一步证明了锚杆的加固止裂作用。开展了含水裂隙岩体失稳突水机理研究。建立了坚硬岩体隔水关键层失稳的尖点突变模型，给出了高地应力及强渗透作用下裂隙扩展及突水判据，揭示了非地质缺陷式突水灾变演化过程。基于以上试验，建立了强渗透作用下加锚断续节理岩体断裂损伤模型并进行了工程应用。