柱状节理岩体卸荷破坏时效力学机理试验与数值模拟研究

Aimed at the unloading failure problem of columnar jointed rock mass, columnar jointed rock-like specimens are prepared based on parameterization description, computer graphic reconstruction and 3D printing method, and unloading rheological experiment is carried out. The time-dependent unloading failure mechanism of columnar jointed rock mass is illustrated using micro-CT scan, scanning electron microscopy and acoustic emission techniques. Unloading creep model of structural plane describing the opening, sliding and expanding behaviour is established and continuous-discontinuous numerical technique is developed to simulate the unloading failure process. A parameter identification method is proposed based on the deep learning and displacement back analysis techniques to analyze unloading time-dependent behaviour. This research will provide important theoretical support and scientific basis for the prediction, control and treatment measures of unloading rheological failure of columnar jointed rock mass.

本项目以柱状节理岩体的卸荷破坏问题为研究对象，基于岩体结构参数化描述、计算机图形重构和3D打印技术制作柱状节理类岩石材料试样，开展卸荷应力条件下的流变力学试验。采用显微CT扫描、电镜扫描和声发射等技术，研究柱状节理类岩石材料的卸荷破坏模式和破坏过程，揭示柱状节理岩体卸荷流变破坏的时效力学机理。建立描述岩体结构面张开、滑移和扩展等行为的卸荷流变力学模型，开发柱状节理岩体卸荷流变破坏的连续-非连续数值方法。基于深度学习和位移反分析理论，提出岩体结构面流变力学参数辨识方法，分析柱状节理岩体的卸荷时效力学行为。研究成果可为柱状节理岩体卸荷流变破坏的预测、控制和处理提供重要的理论支撑和科学依据。

白鹤滩工程开创了柱状节理玄武岩高拱坝坝基世界先例，也是当代大国重器之一。本项目以柱状节理岩体的卸荷破坏问题为研究对象，开展了三年的研究工作，取得了如下成果：.（1）建立了柱状节理岩体结构参数化描述、计算机图形重构和3D打印技术制作柱状节理类岩石材料试样，并开发了相应的软件程序；开展了卸荷应力条件下的流变力学试验，采用显微CT扫描、电镜扫描和声发射等技术，研究柱状节理类岩石材料的卸荷破坏模式和破坏过程，揭示柱状节理岩体卸荷流变破坏的时效力学机理。.（2）提出了描述岩体结构面张开、滑移和扩展等行为的卸荷流变力学模型，建立了柱状节理岩体卸荷流变破坏的连续-非连续数值方法。在此基础上，将宏观和细观尺度模型结合起来，建立了柱状节理岩体工程的多尺度分析方法。.（3）基于深度学习和位移反分析理论，提出岩体结构面流变力学参数辨识方法，分析柱状节理岩体的卸荷时效力学行为。研究成果应用于白鹤滩水电工程的开挖卸荷分析，为柱状节理岩体卸荷流变破坏的预测、控制和处理提供重要的理论支撑和科学依据。.基于上述研究工作，本项目共发表期刊论文19篇，其中SCI论文16篇，获得申请发明专利4项。协助培养博士研究生2名，硕士研究生3名。项目负责人和核心参研人员在独立开展科研工作的能力方面得到较大提升，获得了较好的学术成长。总体上，本项目在国家自然科学基金的资助下，基本完成各项工作任务，取得了高质量的研究成果。