高残余应力下卸荷破裂硬岩的流变特性及时效扩展机理研究

较多测试和地质迹象表明高地应力下硬岩弱卸荷破裂带及高边坡控制性卸荷裂隙仍处于高残余应力状态，时效变形显著，严重影响大型地下工程及岩石高边坡安全，揭示其流变特性及时效扩展机理是稳定性评价及安全控制的关键基础问题。基于卸荷破裂硬岩的岩体结构精细描述和残余应力状态研究，建立微-细-宏观多层次岩体结构模型。开展高残余应力下卸荷破裂硬岩及裂隙的现场和室内三轴、三维物理模型蠕变及卸荷流变试验:揭示裂隙面粗糙、张开及连通率与时效剪胀、剪切变形及强度间量化关系；揭示裂隙劈裂扩展及抗拉强度、断裂韧度的时效特性；揭示裂隙倾角、典型组合模式对裂隙时效扩展、结构性流变及扩容过程、变形及强度各向异性等的影响规律；对比分析应力状态及路径对流变特性的影响。结合能量原理、损伤断裂力学和数值模拟等，揭示硬岩卸荷裂隙时效扩展的能量转化及损伤断裂力学机理，建立合理的非线性流变模型并确定相应参数，建立细-宏观多尺度演化机制模型。

高地应力环境下硬质岩体的弱卸荷破裂带仍处于高残余应力状态，时效变形显著，严重影响工程岩体的长期稳定，揭示卸荷岩体的流变特性及裂隙时效扩展机理是稳定性评价及安全控制的关键基础问题。本项目在查清卸荷岩体所处应力状态、岩体结构及破裂特征的基础上，以室内试验、理论及数值模拟等方法，较系统地开展了含卸荷裂隙岩体单轴、三轴压缩蠕变，单轴循环加卸载蠕变试验研究。揭示卸荷破裂岩体的加载及卸荷流变力学特性，建立了其蠕变损伤及裂隙时效扩展理论模型，实现了考虑岩体损伤及裂隙时效扩展数值模拟。重要研究成果包括：.1）锦屏一级地下厂房弱卸荷松弛带围岩残余垂直应力约为20-25Mpa，水平应力约为7-10Mpa。卸荷破裂硬岩呈现明显的张性或张剪性间断续性破裂特征。卸荷速率越快，张裂性质愈强，破裂面越起伏粗糙。.2）对于卸荷蠕变，分级卸荷量越大，岩石破坏时偏应力越小，破裂角越大，每级荷载蠕变变形趋于稳定所需时间越长。无论三轴加载或卸荷蠕变条件下，卸荷岩体瞬时应变与蠕应变从大到小的顺序均为缓缓、陡缓、陡陡卸荷裂隙组合岩体和完整岩石。.3）卸荷裂隙间岩桥的破坏受裂隙组合方式及应力状态共同控制。缓缓卸荷裂隙间岩桥以剪切破坏为主，而陡缓及陡陡裂隙间岩桥大多以拉剪复合破坏为主。围压越高剪切破坏性质越强，卸荷蠕变较加载蠕变张拉性质更强。.4）相同上限蠕变应力作用下，循环加卸载蠕变较恒载蠕变的蠕变损伤小。随周期数增加，其滞回曲线的密集度增加而面积则减小。短周期循环加卸载蠕变岩样在加卸载阶段的弹性模量大于长周期岩样，而长周期岩样的应变速率均大于短周期岩样。.5）卸荷破裂岩体在蠕变速率衰减阶段的蠕变速率与时间成负指数幂函数关系。无论加载还是卸荷流变，含卸荷裂隙岩体在加速蠕变前均符合Burgers流变模型。但裂隙的组合模式及应力水平对瞬时弹性模型及粘滞系数等影响明显。.6）建立了岩体损伤蠕变模型，实现了由完整岩石的蠕变理论推导裂隙岩体蠕变模型的理论方法。基于裂隙岩体的变形与裂隙尖端应力强度因子K、亚临界断裂韧度K0和断裂韧度KC的相关性，建立了考虑K<K0阶段蠕变损伤的脆性裂隙岩体时效扩展模型，并建立了相应的数值模拟方法。.研究成果在岩体工程长期稳定性评价具有重要的工程意义，对深入认识卸荷岩体的流变特性及裂隙时效扩展机理具有重要的理论意义，丰富了岩体流变力学及工程地质理论。