考虑动水压作用和裂隙表面形貌影响的岩体裂隙开裂扩展研究

考虑动水压和裂隙表面形貌的双重影响，运用断裂力学、水动力学、分形几何学、统计学等多学科知识，从理论和实验的角度开展遍布节理裂隙岩体的变形及破坏机理研究。运用先进的伺服单轴压缩试验仪对不同裂纹条件下岩体破坏模式进行研究，并运用三维非接触式激光形貌仪对裂隙岩体的断裂破坏面进行形貌测试。以理论推导、实验研究和数值模拟三种研究方法相互结合和多学科知识相互渗透的方式对裂隙岩体的断裂性质开展了动水压形成机制、动水压作用下单裂隙和多裂隙岩体的破坏机制、节理表面形貌与地下水渗透速率与路径之间的关系等内容的研究，并将研究成果应用于矿山等地下工程的施工中。本项目首先开展了动水压作用下裂隙岩体破坏性质、裂隙岩体断口形貌及裂隙表面形貌与渗透速率等关系的研究，拟建立建立裂隙岩体中水运动的水力学模型、裂隙岩体断口模型和分析动水压作用条件裂纹尖端扩展和相邻裂纹贯通机理。

动水压作用于裂隙岩体，是金属和非金属矿开采尤其是深部开采面临的现实问题。动水压作用是矿山突发透水、岩层失稳和工程稳定性快速丧失等矿山灾难性事故的重大诱因。随着矿山开采深度的快速增加，工程灾害问题日益严峻，尤其是地下水对深部矿山工程带来的不利影响，不可忽视。本项目结合已有研究成果，在进行大量试验研究的基础上，主要对动水压形成机制、动水压作用下单裂隙和多裂隙岩体的破坏机制、节理表面形貌与地下水渗透速率与路径之间的关系等内容进行了研究。通过对混凝土单裂隙试件进行单轴压缩试验和流变试验，获得了不同几何排列裂隙岩石的裂纹起裂时间、起裂荷载、岩桥贯通方式等一系列试验参数，再对岩石试样进行节理面循环剪切试验，发现节理面抗剪强度的变化与节理面形貌变化有紧密联系，节理面在经历剪切作用后，各参数与垂直应力都呈近似二次函数关系。利用自行研制的渗透水压加载装置，对含裂纹类岩石材料的混凝土试样进行了有渗透水压作用下的单轴循环加卸载压缩破坏实验和单轴压缩声发射实验，分析了动水压作用下深部岩体应力状态的平衡机制与破坏条件，结合断裂力学理论，进行了动水压作用下的单裂纹扩展机制以及相邻裂纹的贯通机制的研究。根据所进行的岩石类材料断裂破坏相关实验，利用弹性力学在椭圆孔洞问题上的解析解，推导出单向应力下扁椭圆孔边界上的力学响应规律，解释了张开裂隙试件在单轴压缩实验条件下的变形破坏机理。运用FLAC3D中的界面单元结合实体单元，提出了一种新的节理模型，并将其运用到井巷工程中，提出了不同的掘砌方式，得到了很好的工程应用效果。本项目对进一步深化动水压作用下岩石裂隙的开裂和破坏研究，丰富矿山水害预测预报理论具有较大的科学意义和实际意义。