高应力下硬岩岩芯饼化机制、信息解译与工程应用

针对高应力条件下岩芯饼化力学机制不清、饼化准则缺乏坚实的理论基础以致造成大量的现场岩饼信息无法有效利用等瓶颈问题，采用由正分析→反分析、由试验→数值模拟、由理论分析和方法建立→工程应用的总体研究思路，开展一系列室内真三轴应力状态下钻孔取芯饼化试验和细观力学数值模拟研究，揭示复杂应力条件下岩芯饼化的力学机制，通过应力条件、岩石力学参数、孔径等因素与岩饼特征参数的定量关系研究，建立起相应的岩芯饼化准则，进而研究其反问题，建立基于岩芯饼化信息的深部地下工程围岩的应力场估计方法和安全性分析与评价方法。该问题的研究对于突破深部地下工程围岩中初始地应力实测困难、二次应力分布规律认识不清、围岩破裂损伤程度评价困难等突出问题具有重要的理论意义，对于深部地下工程设计和施工中围岩的安全性调控具有重要的现实意义。

针对高应力条件下岩芯饼化力学机制不清、饼化准则缺乏坚实的理论基础以致造成大量的现场岩饼信息无法有效利用等瓶颈问题，严格按照计划书拟定的由正分析→反分析、由试验→数值模拟、由理论分析和方法建立→工程应用的总体研究思路，针对深埋复杂应力条件和岩石力学性质条件下岩芯饼化的力学机制、准则、信息解译方法及工程应用等关键问题，在试验研究、机理分析、准则建立、应力估计方法和围岩安全性评价方法方面进行了深入系统地研究，总体上达到了预期目标。研究取得了四个代表性成果:（1）基于扫描电镜的观察结果，采用微观形貌学方法通过分析饼化岩芯凹凸面、不同厚度和直径岩饼、岩饼不同位置处的微观形貌，结合钻孔取芯的机械过程和力学演化规律,揭示了岩芯饼化的细观机制，解决了国际上岩芯饼化机制缺乏细微观证据支持的问题；（2）针对当前国际上岩芯饼化数值模拟仍采用弹性方法，无法考虑饼化行为本身为非线性破裂问题的事实，而弹塑性方法存在网格尺寸效应问题，本项目采用数值模拟方法揭示了岩芯饼化的力学机制和饼化过程中各力学参量的演化规律，获得了不同力学参数对岩芯饼化行为的影响规律，提出了消除网格尺寸效应的岩芯饼化弹塑性数值模拟方法，并验证了其有效性；（3）岩饼的破坏特征不仅直接提供了其发育机制的信息，而且通过统计分析还为应力估计提供了重要依据，为此，本项目从岩饼侧面形貌、断面形貌、厚度等方面进行了统计分析，获得了饼化岩性的破坏特征，结合数字钻孔摄像等观测手段从埋深、地质结构、钻孔方位等方面分析了岩芯饼化的影响因素，提出了岩芯饼化系数的新指标，建立了岩芯饼化程度的定量评价方法；（4）本项目基于所提出的消除网格尺寸效应的岩芯饼化弹塑性数值模拟方法建立了新的饼化准则，给出了饼化的上限和下限应力条件，解决了国际上采用室内试验建立的饼化准则覆盖应力范围小、应力条件不全、弹性数值方法未能考虑非线性破裂行为导致饼化准则不准确的难题。