深部岩体开挖损伤区孕育的时效机制

本课题以国家重大工程锦屏二级水电站的建设为依托，通过室内试验、大型现场试验及综合数值分析，对深埋隧洞不同开挖方式下岩体应力的非线性卸载过程、深部脆性岩体的微破裂机制及其强度的时间效应等岩石力学的前沿问题展开深入细致的研究，建立岩样受荷过程中声波速度显著降低的应力判据，总结不同损伤程度岩样中微裂隙（声发射）随时间的演化特征与规律、岩石破坏模式随时间的演化规律，进而提炼深部岩体开挖损伤区孕育时效性机理，建立相应的时效特性模型，并提出基于粒子流（PFC）的损伤区形成过程模拟方法，为深埋隧洞的支护设计和工程处理措施的制定提供依据。本研究对丰富岩体EDZ理论和分析方法具有重要的理论意义，而且对水电岩石工程优化设计与施工，核废料安全储存设计、安全评价等具有应用价值。

本项目的研究基本按照年度研究计划进行，圆满完成既定探究任务，较好地实现了申请书中拟定的研究目标。. 首先，以国家重大工程锦屏二级水电站的建设为依托，通过室内试验、大型现场试验及综合数值分析等手段，对深埋隧洞不同开挖方式下岩体应力的线性及非线性卸载过程、深部脆性岩体的微破裂机制及其强度的时间效应等岩石力学的前沿问题展开深入细致的研究，提出了深部岩样无损取样方法并进行了现场取芯和室内试验验证。研究表明，高应力条件下常规钻孔取芯，可对岩样外圈约50%的部分受到取样卸载损伤，可使岩样的强度降低5~15%。采用本项目提出的无损取样方法，可使降低取样区域的地应力30%以上，有效缓解初始取样损伤。. 其次，通过循环加卸载人工预损岩样的三轴加载过程中声发射及声波测试，建立了岩样受荷过程中声波速度显著降低的应力判据，总结出不同损伤程度岩样中微裂隙（声发射）随时间的演化特征与规律、岩石破坏模式随时间的演化规律。研究表明，声波速度的显著降低意味着加载方向岩样微裂隙的完全贯通，对应着岩样强度峰值。初始损伤程度越高，岩样破坏的延性特征越明显，后续损伤演化的时间效应更明显。. 再次，通过锦屏二级水电站开挖损伤区现场测试试验，分析了不同成分的开挖荷载对损伤区孕育的影响，研究了地应力瞬态卸载效应对内损伤区形成的关键性作用，进而提炼了深部岩体开挖损伤区孕育时效性机理，并提出基于粒子流（PFC）的损伤区形成过程模拟方法及损伤界定方法。研究表明，钻爆开挖的隧洞，内损伤区深度可以占到总损伤区深度的50％以上，该区域损伤较为严重，岩体基本失去承载力；而TBM开挖洞段，内损伤区深度约占总损伤区深度的20％左右，该区域的形成可能更多地受到锦屏大理岩强度时间效应的影响，是表面应力松弛破坏逐渐发展的结果。现场检测及理论计算均表明，深埋隧洞钻爆开挖所形成的内损伤区主要由爆炸荷载和伴随爆破过程发生的地应力瞬态调整效应造成。随着地应力量级的提高，地应力瞬态卸载效应所导致的损伤深度有可能超过爆炸荷载所导致的损伤而成为内损伤区的主要原因。. 本研究对丰富岩体EDZ理论和分析方法具有重要的理论意义，而且对水电岩石工程优化设计与施工，深部采矿和核废料深层地质处置等具有应用价值。