卸荷条件下岩石渗透性与损伤的协同演化规律及主被动式声学表征

Research on the permeability an damage of rocks is one of the foundamental works in rock engineering. Essentially the excavation of rocks, failure of the supporting structures are unloading behaviours. Fully understanding of the evolution of permeability and damage of rock under unloading condition will help better evaluating the excavation damage and improving the construction control. Loading and unloading triaxial tests will be carried out on rocks to study the macro features and presentational relationships between the permeability and evolution of damage under various unloading conditions. The permeable A-P acoustic testing device will be used to monitor the multi-physical parameters，such as permeability, acoustics emission and ultrasonic wave. Based on the experimental work, Meso numerical simulation will be combined with the section observation to investigate the micro-structure change and acoustic response law of unloading damage. The physical mechanism and acoustic response mechanism of synergetic evolutionary of the permeability and damage will be revealed from both macro and microscopic perspective based on the physical and numerical tests.Then the susceptive A-P acoustic parameter will be estabilished. A new A-P acoustic expression will be built upon the damage, seepage and wave propagation theories, and a new dynamic evolution model for permeability and damage with acoustic testing interface will be presented. The new model will be validated by comparing with the in-situ testing results. With satisfying the unloading behaviours of engineering rocks better, the research blazes a trail on the expression of parameters on damage area, and will be of great importance for both science and engineering.

岩石的渗透性和损伤是岩体力学的基础研究课题。工程开挖、支护结构失效等过程的实质是岩体卸荷，对卸荷条件下两者演化规律和协同机制认识不清，是阻碍当前岩体开挖损伤评价和施工控制水平提高的瓶颈。项目采用自主研制的带渗透主被动声测装置，在卸荷三轴试验中同步实现渗透率、AE和声波的多物理量监测，研究不同卸荷应力路径下岩石渗透性与损伤演化的宏观特征和表象关联。依据试验平行地进行细观数值模拟，配合岩样切片观察，探索岩石细观损伤、渗流变化及声学响应规律。基于试验和模拟，从宏细观结合角度揭示卸荷条件下岩石渗透性与损伤协同演化的物理机制和声学响应机理，确定主动和被动声学敏感参数。整合主被动声测各自优势，构建新的主被动式声学表征方法，建立岩石渗透率和损伤的动态演化模型。通过对模型的初步应用，与现场实测对比分析其适用性。本研究更加贴合工程岩体的卸荷行为，在损伤区参数表征技术上另辟蹊径，具有重要的科学意义和应用前景。

岩石的损伤破裂和渗透性演化是岩体力学领域中的主要学术命题之一，也是能源开采、水利水电、公路铁路交通、民用建筑等国家经济命脉工程中的共性基础问题。当今的岩（石）体力学还属于加载岩体力学范畴，然而，工程开挖、支护结构失效等过程的实质是岩体卸荷，对卸荷条件下两者演化规律和协同机制认识不清，是阻碍当前岩体开挖损伤评价和施工控制水平提高的瓶颈。岩石的变形特性、力学性能、渗透规律、破坏特征等都受到开挖卸荷应力路径的影响，岩石的损伤程度、处于何种受荷状态、是否会发生破坏等均与所处的渗流场、应力场及其耦合作用密切相关。为了研究岩石在卸荷变形条件下的渗流-应力耦合特性，本项目在常规三轴加载、峰值前卸载围压和峰值后卸载围压三种路径下，设置不同的围压水平、渗透压水平对砂岩系统地开展了三轴试验研究，主要研究工作包括：. 对砂岩开展在三种不同的加载路径下同一渗透压与三种围压分别耦合作用的三轴试验，着重探讨了应力-应变特征、渗透率演化规律以及它们与声发射特征、体积应变之间的对应关系。在此基础之上，进一步开展了常规三轴加载路径下和峰前卸围压路径下的渗流-应力耦合三轴试验，试验中设置了三个围压水平和三个渗透压水平，深入分析了相关的试验数据和破坏模式。. 试验结果表明，岩石在三种不同的加载路径下，声发射特性、应力-（体积）应变曲线、渗透率演化趋势之间均表现出较好的对应关系。渗透率曲线在常规三轴加载过程中呈“S”型，在峰前卸围压路径下呈“√”型。常规三轴加载路径下声发射能量信号呈现平静、活跃、再平静的分布状态，峰值后卸载围压路径下的声发射活动表现出与常规三轴加载路径下相似的规律，峰值前卸载围压路径下在偏应力水平发展阶段的中后期出现一个明显的突跳信号。围压和渗透压会影响砂岩的脆延性、初始渗透率和三轴压缩强度以及破坏模式和破坏的难易程度。在峰值前卸载围压路径下，径向变形比轴向变形对围压的降低更敏感，岩样的变形模量随着围压的降低而不断降低，卸载围压的过程是一个岩石累积损伤材料劣化的过程。. 本研究更加契合地下开挖和边坡岩体所处的卸荷应力环境，在开挖损伤区参数标定技术上另辟蹊径，对动态且精准的评价岩体渗透性与损伤的劣化过程，实现声学测试与岩体开挖数值模拟的耦合具有深远意义，有望在岩体开挖的安全性分析、预测及控制理论上取得新的进展。