深部隧道围岩分区破裂的时间演化和工程应用研究

当前采矿、水利水电、交通等很多工程领域涉及到了深部岩体工程。与浅部不同，深部工程围岩处于高地应力状态，具有大变形，变形、破坏具有显著的非线性和强烈的动力特性，并伴有岩爆、大体积塌方等重大工程灾害，对于生命和工程安全构成了巨大威胁。所以深部围岩变形破坏的演化问题和支护问题是需要深入研究和迫切解决的问题。本项目研究深部围岩非线性现象:分区破裂的时间演化和支护问题。研究内容和目标为（i）研究和澄清分区破裂产生及其演化对于围岩的结构、力学特性的依赖关系；(ii) 在结构、力学特性不同的岩体中分区破裂演化的模拟问题，拟从力学、物理和数值三个方面建立分区破裂演化的自洽力学模型、物理相变理论模型和数值模型；(iii) 研究并建议分区破裂条件下隧道施工、支护的合理方案问题，提高工程安全和施工效率。本项目的研究对于工程安全和效率具有重大的实际工程意义,对于深部岩体力学的自身发展具有重要的理论意义。

针对先前对于分区破裂研究工作没有在固体力学的框架内推导出支配方程，没有确定岩石的物理力学参数对于分区破裂形成的影响，没有模拟深部隧道围岩的变形波的传播，项目组利用连续相变模型和固体力学的梯度理论对于分区破裂进行了研究，获得以下主要成果：.1、把等效累计塑性变形作为内变量，利用虚功原理和内变量梯度理论，获得了内变量的支配方程并得到了解析解，模拟了深部隧道围岩的分区破裂现象。.2、在内变量梯度模型的基础上又进一步建立了应变梯度模型，梯度项进入到平衡方程中去，成功地模拟了深部隧道围岩中应力沿着径向的波动分布的分区现象。在模型的框架内研究了外载、岩石的物理力学参数对于分区破裂的影响，确定了对于分区破裂现象发生具有支配作用的参数。.3、发展了描述分区破裂的非线性相变模型，研究了非线性方程的系数对于分区破裂的影响。.4、进一步利用连续相变模型和Euler-Lagrange方程，获得了深部隧道围岩变形的时间演化方程，并数值求解了演化方程，获得了围岩变形的空间平稳解、行波解、孤波解和扩散波解，促进了对于深部隧道围岩的变形的时间演化的理解和模拟。.5、针对分区破裂现象的特点，建议了分区破裂情况下隧道支护的方案。 . 上述成果是项目组潜心研究得到的，在国内外研究分区破裂现象方面独树一帜，具有原创性。这些成果的学术意义在于揭示了分区破裂现象的非局部性，即在围岩非线性变形阶段岩石粒子的长程相互作用特性；揭示了分区破裂现象的自我组织特性；揭示了分区破裂现象的时间演化特性。同时，针对深部围岩出现分区破裂时变形和受力的特点，提出了合理支护的措施，对于深部隧道围岩支护的安全稳定具有指导意义。研究成果多次在国内外学术会议上进行了交流，受到了行内专家的好评。发表相关的挂基金号码的文章50余篇，其中SCI 收录5篇，EI收录6篇，核心期刊16篇，专利1项。项目研究期间主持人作为主要参加人于2012年获得了国家科技进步二等奖：《地下工程开挖诱发灾害防控关键技术开发和应用》。