开挖卸荷下裂隙岩体的结构劣化特性及工程防治研究

The jointed rock mass generally has the specially geometrical characters with discontinuous joints network and irregular dual structure. Thus, the property of the structural deterioration actions, including stretch and shear of original joints, break of rock bridge between discontinuous faces, reproduction of new fractures, are obvious. In fact, the deterioration of jointed rock mass has threaten directly the construction of large geotechnical engineering. For understanding the mechanical process of structure deterioration of jointed rock mass, the project is going to carry out the experimental studies, including core camera shooting and acoustic wave measurement during in-situ unloading excavation of jointed rock mass; unloading direct shear test for original joint specimen; true triaxial test for structural block. Following, by the way of integrating the second order tensor of joints network, failure criterion of rock bridge and damping function of joints' mechanical parameters, a general index is put forward to describe the dynamic structure deterioration of jointed rock mass. Then, a numerical program is developed to simulate and anal size the structural deterioration of rock mass under unloading excavation based on the discrete element platform. At last, the gained theory and method will be adjusted by the way of application analysis at the underground caverns of a large hydropower engineering in Chinese. Research results of the project can provide academic supporting and technical foundation for reasonable design and safe construction of geotechnical engineering in China.

由于裂隙岩体复杂的断续结构面网络、不规则的二元结构等几何特征，工程开挖卸荷下表现出明显的原有结构面张开与滑移、断续面间岩桥断裂和新生裂隙繁衍等岩体结构劣化行为，其导致的岩体失稳灾害给工程安全建设构成了直接威胁。针对裂隙岩体这一结构劣化特性，项目拟首先开展现场原位观测（钻孔摄像和声波测试）→原状结构面室内法向卸荷直剪试验→结构体的室内真三轴卸荷试验，揭示卸荷下岩体结构劣化的力学机制；然后整合结构面网络的二阶张量表达、结构体的岩桥破裂判据、结构面力学参数的衰变函数表达，建立卸荷下岩体结构劣化的整体化描述方法；进而在离散元框架内分别建立结构面和结构体的劣化本构关系，研发相应的数值分析方法。最后，通过对依托工程中裂隙岩体卸荷变形与破坏行为的验证分析与工程防治实践，最终形成一套裂隙岩体结构劣化特性评价的科学方法与实用防治技术。成果可为我国大型岩石工程优化设计和安全建设提供理论指导和技术储备。

由于经历了漫长成岩与多期构造历史过程的工程岩体都含有一定的裂隙结构，而工程开挖卸荷不可避免地导致了裂隙岩体原有结构的损伤和新生裂隙面的繁衍，进而导致裂隙围岩体劣化失稳。为此，针对裂隙岩体这一结构劣化特性，项目开展了4方面的研究工作：（1）采用现场到室内的试验研究思路，开展了开挖卸荷下裂隙岩体结构劣化的原位钻孔摄像和声波测试、自然结构面室内直剪试验、含结构面试样压缩破裂试验，并配合声发射实时监测，多角度和多尺度地研究裂隙岩体卸荷下的结构劣化机制；（2）发展了表征岩体结构面空间特征的二阶变形张量,建立了考虑岩桥破裂的结构体力学性状蜕变的理论表达方法，实现对卸荷下岩体结构劣化的整体化描述；（3）以依托工程的柱状节理岩体为背景，构建了裂隙岩体代表单元体的等效柔度计算方法，以及岩体结构劣化的各向异性本构模型，提出了裂隙岩体结构劣化的分析指标；（4）经两个地下工程的实践摸索提出抑制裂隙岩体结构劣化、调动裂隙岩体自身结构承载能力的围岩止裂控制原则，提出了以减小岩体结构劣化为目标的开挖与支护防治技术原则。. 通过上述研究，获得重要结果和认识有：（1）通过相似材料批量制作含岩石自然结构面的剪切试样，揭示了岩石结构面卸荷剪切下的正斜面滑动、陡坎非均匀磨损，宏观抗剪强度的法向应力非线性依赖规律；（2）多角度揭示含裂隙玄武岩卸荷破坏新机制：应力状态变迁和能量集中驱动下，内部细观原生隐裂隙张开与破裂裂纹的萌生/发展致使表面岩体开裂与剥落，导致宏观变形累积和变形时效增长，有别于岩体流变的“晶格滑移学说”；（3）考虑工程岩体“完整岩块+结构/裂隙面”结构特点，建立岩体统一变形张量，实现对岩体复杂空间裂隙网络的精确参数化描述、岩体等效变形和强度各向异性的张量表达，突破了岩体裂隙几何张量仅描述结构特征的范畴。成果可为我国大型地下岩石工程优化设计和安全建设提供理论指导和技术储备。