青藏高原东缘高储能岩体工程开挖快速卸荷变形破坏成因及其工程环境效应研究

大型工程开挖是人类工程活动对岩体环境扰动的主要形式。在高地应力环境下的岩体特别是高强度岩体储存着很高的能量，岩体开挖释能引起的快速卸荷变形破坏常导致严重的工程问题和工程灾害。这一高强度的快速变形破坏过程的机理和对工程环境的影响，采用传统的工程地质和岩石力学理论已经无法解释,因此，高储能岩体快速卸荷变形破坏机理及其工程环境效应是一个急需解决的共性科学难题。本项目将紧密结合青藏高原东缘特殊地质条件和地应力特征，深入研究高地应力区大规模工程开挖引起高储能岩体卸荷变形破坏的形成机理与其非线性动力学特性，探讨开挖系统诸因素的时空演化与各因素之间的相互关系，揭示岩体卸荷破坏的确切机制，建立能够反映高储能岩体破裂机理的判断准则，刻画工程岩体卸荷的应变能转移特性，准确预测高储能岩体开挖工程的开挖扰动区（EDZ）分布，寻求工程治理的优化与岩体变形破坏控制方法，达到防治高储能岩体开挖工程中出现地质灾害的目的。

统计分析及数值模拟表明研究区域应力场表现出如下特征：①最大主应力轴方位由北到南呈规则转动趋势，川滇菱形地块的东北侧主应力方向为NWW－SEE方向，其内主应力方向以NNW－SSE方向为主，再到其南侧主应力方向转为NNE－SSW方向。②最大主应力集中的位置主要沿断裂带和断裂交汇处集中，最大主应力主要以压应力性质存在。在金沙江断裂、澜沧江断裂和怒江断裂交汇处，最大主应力集中明显。③研究区域内剪应力集中在断裂带附近，也集中于断裂交汇及断裂带尖端凸起的部位，在东昆仑断裂至虎牙断裂、丽江-小金河断裂至红河断裂相交区域内、川西北地块西北侧甘孜-玉树断裂与金沙江断裂之间狭窄区域内、雁行断裂交错部位如怒江断裂北部区域、则木河断裂带附近都是剪应力集中的部位。.高储能岩体在开挖卸荷条件下的破裂具有如下共同特点：①破裂方式为刀口状薄片剪出、薄板状剥离以及挤压拱裂。②从破坏运动方式上看，破裂碎片多存在张开位移和剪切位移。③这类破坏往往伴随着或多或少的突发性能量释放。解释了大理岩岩爆试验的渐进破坏过程，发现在大理岩岩爆试验中，岩石试件的宏观破坏是由表及里的；张性裂纹的出现要早于剪切裂纹，剪切裂纹搭接相邻的张性裂纹形成圈闭，圈闭内的岩石碎块出现剥离或以一定初速度弹射；剪切面上岩粉意味着剪切裂纹萌生扩展过程伴随着大量弹性应变能的释放。.分析了高储能岩体脆性破裂的微结构演化过程，发现高储能岩体的卸荷破坏造成定向的雁列式微破碎带，绝大多数卸荷微观裂隙面与σ1σ2面平行或者近似平行。分析了高储能岩体脆性破裂的能量过程，指出张性破裂所耗能量较小，而张剪性和压剪性破裂耗能较高。认为岩爆破裂消耗的能量主要转化为新生裂纹的表面能和破裂碎片的动能，并指出表面能所占比例较动能为小。由此解释了脆性岩体岩爆破坏以动力效应为主的特征。.分析了高储能岩体脆性破裂的应力场演化过程。深埋的高储能岩体在未开挖之前，其性质为近似各项同性。但是，随着开挖的进行，围压的减小，含贯通结构的高储能岩体被激活，岩体强烈的表现出各向异性特征。基于硬性结构面的摩擦准则及Hoek-Brown强度准则，推导了含坚硬结构面岩体强度各向同性转化为各向异性的临界围压。.发现高储能岩体在破坏过程中粘聚力逐渐丧失，摩擦角逐渐增加，变形模量逐渐减小的过程。基于试验结果，建立了基于塑性应变变化的M-C准则。提出了主动加固理念的高储能岩体开挖扰动区范围的加固与处理