岩体中慢速变形波的产生和传播演化规律研究

Experiments and in-situ observations showed that deformation wave is very common in rock mass in wide range of scales from lab sample scale up to continental scale. This kind of slow deformation wave may trigger earthquakes of different energy scales at continental scale level, and rock-bursts in geotechnical engineering scale level. But up to now, the physico-mechanical conditions of initiation, micro-meso-mechanism of the propagation and evolution, and the physical-mechanical modeling of this kind of slow deformation wave are still open. This project is concerned with the aforementioned problems of deformation wave at lab sample scale and geotechnical scale. We will consider the structural hierarchy of rock mass, use fundamental theories of solid mechanics and solid physics, together with experimental and numerical methods, to study the above mentioned problems, in order to reveal the occurrence conditions, mechanism of propagation and evolution of slow deformation wave, and its effect on formation of critical state of deformation and fracture of rock mass, and to develop physic-mechanical model of slow deformation wave. Therefore, this project has profound fundamental meaning. Also it has practical meaning for prediction of earthquakes, rock-bursts, and for rational supporting of deep-level underground engineering. Therefore, this project has fundamentality, practicability and frontier nature.

观测和实验表明，从实验室岩石试件尺度，直到地球板块尺度上都存在慢速变形波。这种慢速变形波在地球板块尺度上能够触发各种能量级别的地震, 在岩石工程尺度上可以诱发岩爆等动力现象。但是目前对于这种慢速变形波产生的物理力学条件、在岩体中传播的微细观力学机制和演化规律、这种慢速变形波的物理力学模型的建立还没有得到解决。因精力所限，本项目将集中研究实验室岩石试件尺度上和岩石工程尺度上慢速变形波的上述问题。拟考虑岩体的结构层次，利用固体力学、固体物理学等学科的基础理论，结合实验研究和数值模拟等方法进行研究，揭示慢速变形波的产生物理力学条件、传播的物理机理、演化规律和对于形成岩体变形破坏临界状态的影响，建立基于固体力学、固体物理的慢速变形波的物理力学模型，因此本研究具有重要的基础意义。同时对于地震、岩石工程岩爆等动力事件的预测和深地下工程合理支护具有重要的实践意义。因此，本项目具有前沿性、基础性、实用性。

在过去的50年里，观测和实验表明，从实验室岩石试件尺度，直到地球板块尺度上都存在慢速变形波。研究表明，地质体为复杂构造层次的非线性动力系统。在地质体不同的构造层次上块体通过不同层次的薄弱层连接。在外部因素作用下，地质体中会产生不同能级和不同长程作用的慢速变形波系列。这种波发生在不同的尺度上，从小尺寸的岩石试件，到岩石工程岩体尺度，直到地球板块尺度，且波速的变化范围较广。这种慢速变形波在地球板块尺度上触发各种能量级别的地震；在岩石工程尺度上诱发岩爆、冲击地压等动力现象。但是目前对于这种慢速变形波产生的应力应变状态条件、这种波在完整岩体中和块系岩体中的传播演化规律还没有彻底澄清，能够描述这种慢速变形波的物理力学模型还没有建立起来。.项目组针对上述问题利用实验室试验、固体力学固体物理的基本理论、数值分析等方法进行了深入研究，获得如下主要成果：.（1）通过对于岩石试件进行实验研究，确定在岩石试件中在越过岩石的弹性限的变形硬化阶段会产生慢速变形波，且慢速变形波传播速度正比于加载速度；当荷载继续增加应力-应变曲线进入到下降段时，将会产生卸载，然后整个试件变形向某些地方集中，变形进入到局域化阶段，变形波阶段结束；.（2）确定了具有夹层的块体系岩体中能够传播慢波，传播速度取决于块体的特征尺寸为Δ与块体之间的间隙为δ的比值, 以及块体的运动速度和波在块体中的传播速度，并确定了夹层非均匀分布、双模量特性、节理剪切、块体尺度对于慢波传播特性的影响规律；.（3）利用考虑含缺陷介质的规范场方法、连续相变理论，结合连续介质力学的基本理论，建立考虑岩体内部构造层次、能量耗散和平动与旋转变形模式的慢波传播的力学模型。. 上述成果，对于理解慢速变形波的产生机理、传播规律、物理力学模拟具有重要的基础理论意义，对于地震、岩石工程岩爆等动力事件的预测和地下工程的合理支护具有重要的工程意义。