高应力条件下岩石流变断裂准则研究

采用理论分析与室内实验相结合的办法，通过CT实时扫描岩石蠕变细观试验，对高应力条件下岩石蠕变变形过程中细观裂纹萌生、伸长、增宽、分叉到贯通破坏的累积演化时效特征和蠕变断裂动态过程进行深入研究，揭示不同围压作用下岩石流变断裂的内在力学机理，研究高应力条件下岩石蠕变裂纹起裂准则、扩展规律和破坏模式，分析宏观可测物理量与岩石蠕变裂纹细观演化力学效应的定量关系，建立高应力条件下宏观可测物理量与岩石内部细观状态量化方法和流变断裂判识准则，构建可考虑裂纹相互作用的以时间、应力、流变断裂类应力强度因子及其裂纹等效长度等为内变量的岩石流变断裂模型，为正确判断和评价高应力条件下岩石当前状态奠定扎实的研究基础。研究成果有望使岩石流变断裂研究领域得到实质性的发展，将在采矿工程、地下建筑工程、国防工程等岩体工程领域有着广阔的应用前景，对各种岩体工程设计、失稳预测及稳定性分析具有重大的理论和实际意义。

高应力岩石流变断裂因其具有与低应力条件截然不同的破坏本质，存在岩石内部宏细观状态难以观测和量化、缺乏宏观可测物理量的对应定量关系和判识准则等诸多问题，工程应用难以推广。采用室内试验、数值试验、理论分析等方法，对高应力条件下岩石流变断裂准则开展深入研究，分析不同围压高应力作用下岩石细观裂纹起裂特征、扩展规律和破坏模式，建立宏观可测物理量与岩石内部细观状态量化方法和流变断裂判识准则。.（1）基于蠕变断裂特性试验，建立了岩石蠕变断裂模型并对其参数进行了辨识。岩石蠕变试验表明在高应力条件下岩样具有瞬弹性、瞬塑性、粘弹性和粘塑性共存特性，蠕变特性与Burgers模型曲线较接近；通过改进典型Burgers模型使其能有效描述材料加速蠕变特性，建立了可考虑裂纹相互作用的以时间、应力、流变断裂类应力强度因子及其裂纹等效长度等为内变量的岩石流变断裂模型，采用准牛顿法对模型参数进行了辨识。.（2）通过CT断层扫描及数值细观试验，探讨了岩石蠕变断裂细观演化特征与过程。采用位移、应力、面积破损率、单元安全系数等特征参量，对高应力条件下岩石蠕变变形过程中细观裂纹萌生、伸长、增宽、分叉到贯通破坏的累积演化时效特征和蠕变断裂动态过程进行了深入分析，揭示了岩样蠕变加载作用下内部裂纹形态演化特征和岩样蠕变断裂内部细观演化过程，即首先轴向由上下向中央扩展，径向则由表面向内部扩展，然后裂纹经过贯通形成碎裂破坏，最终达到运动加速剪切破坏过程。.（3）基于断层图像，提出了岩石内部破损空间分布形态重构方法。基于岩体内部破损量化辨识方法，应用图像处理技术，通过对二维断层图像特征参量的辨识，提取了各断层图像的特征参量，计算了数据集在显示平面累计投影，量化和建立了岩石宏细观裂纹演化的三维空间形态分布模型，获得了岩石空间裂纹分布的直观图，动态描绘了岩石内部破损特征与状态。.（4）探讨了岩石蠕变细观损伤表征方法，提出了高应力岩石流变断裂判识准则。应用断裂力学理论与能量准则，建立了远场应力作用下单一裂纹的概化力学模型，探讨了中硬岩细观裂纹起裂特征、扩展规律和破坏模式，推导了以应力强度因子、分支裂纹长度和时间为内变量的相应势函数，分析了宏观可测物理量与岩石蠕变裂纹细观演化力学效应的定量关系，提出了多种破坏机制时的统一流变断裂准则和岩石内部破损量化辨识与岩石蠕变断裂判识方法，包括蠕变曲线法、安全系数法和破裂面积率法等。