深部岩体卸荷破坏动态本构及其关键参数研究

Although the research on nonlinear mechanical behavior for deep rock mass has received the attention of scholars all over the world, still, there has been no satisfying calculation model. The difficulty is how to describe the rock mass properties in large dynamic deformation and failure. Based on the research for deformation and failure mechanism of deep rock mass under excavation unloading conditions, appropriate measurements and dynamic evolution equations will be introduced to describe the influence that developing micro-meso-macro defects act on macro dilatation and strength evaluation, then a new dynamic constitutive model for the whole deformation process can be established. The evaluation method of time parameters(fracture lag time and damage time) and key equations(strength evolution equation and volume dilatation equation) will be determined by sample compression experiments, impact experiments and simulation experiments of deep underground tunnel excavation. Secondary development of the model will be operated by using ABAQUS platform, through calculation we hope to simulate the characteristic scientific phenomena (such as zonal disintegration phenomenon, large deformation and rockburst) of deep rock mass, and quantitatively reveal the induced factors and its influence law of engineering disasters. The expected results will provide guidance for the analysis and evaluation of the stability for deep underground engineering , and will promote the development of deep rock mechanics.

深部岩体非线性力学行为尽管已受到了国内外学者的广泛关注，但目前尚没有得到令人满意的计算模型，模型建立的困难在于在很大的动力变形与破坏情况下如何阐述岩体的性质。本项目拟在深部岩体开挖卸荷变形破坏机理研究的基础上，引入合适的度量和动力演化方程来表征微细宏观缺陷发展对宏观破坏（强度演化、扩容）的影响，建立深部岩体变形破坏全过程动态本构模型，通过压缩试验、动力冲击试验和深地下隧洞开挖模拟实验确定模型中时间参数（宏观裂纹开始传播所需要的滞后时间、破坏时间）和关键方程(强度演化方程、体积扩容方程)的评估方法，在现有商业软件如ABAQUS基础上进行二次开发，编制计算程序，以期能够模拟深部岩体开挖卸荷特征科学现象（分区破裂、大变形、岩爆等），定量揭示工程灾变的诱发因素和影响规律。项目预期成果将推进深部岩体力学理论的发展，为深部地下工程稳定性分析及评估计算提供指导。

与时间相关的岩体变形是岩石工程中一种不可忽视的力学现象，例如岩爆的发生具有滞后性，大型边坡和地下洞室的变形会随着时间逐渐增大甚至引发坍塌等。本项目对深部岩体变形破坏动态现象进行研究，主要工作如下：.（1）根据深部岩体在卸荷条件下，体积变形经历弹性回弹和扩容，剪切变形经历峰值前弹性、内摩擦强化阶段和峰值后软化及残余破坏阶段的性状，提出深部岩体变形破坏动态本构模型，该模型具有如下特点：①采用jumman导数可计算大变形；②引入同轴的三个屈服面（长期强度、峰值强度和残余破坏强度）描述岩体强度被调动的演化全过程；③内摩擦强化阶段引入宏观裂纹扩展滞后时间将微细观缺陷动态扩展性状校正到宏观变形参数中，建立强化阶段流变方程；④软化阶段引入破坏特征时间表征宏观裂纹扩展贯通过程，给出破裂过程中的强度随时间的演化方程，利用塑性流动理论建立软化阶段形变本构方程。.（2）从断裂力学的裂纹研究出发，探讨了不均匀加卸载过程中，岩体内部微裂纹在应力集中源附近的局部拉应力作用下，裂隙萌生和扩展的动态过程，利用散布损伤力学手段描述裂纹体系的动力行为，建立岩石的宏观扩容方程。.（3）通过岩石的单、三轴压缩试验、蠕变扩容试验，获取不同围压条件下岩石的损伤演化规律，给出模型中强度演化方程、体积扩容方程的具体形式和关键参数（强度特征参数、时间参数，体积扩容参数）的评估方法。.（4）利用ABAQUS平台实现了本构模型的二次开发，模拟计算了深部岩体开挖卸荷的动态破坏问题（与时间相关的围岩大变形、岩爆等）。.（5）利用项目组自主研发的“深部岩体加卸荷试验装置”进行基于相似材料的深部岩体开挖卸荷模拟试验，结合工程现场监测资料，验证了理论模型和数值模拟计算的准确性。.研究结果表明，利用本项目的研究成果，可有效的分析深部地下工程围岩在开挖卸荷过程中随时间破裂的过程及结果，项目成果对于深部地下工程的稳定性分析及合理开挖、支护方案的选择具有重要工程应用价值。