水汽环境中的围岩松动圈形成机理与分析方法研究

围岩松动圈的确定，不仅对分析地下空间开挖后围岩的稳定性至关重要，还能以此为依据确定支护参数。由于许多煤岩巷道或地下工程经常处于一种高水汽环境中，特别是对于一些遇水容易膨胀的岩石介质，水汽环境对围岩松动圈的形成有重要的影响作用。本项目基于水汽环境对岩体物理力学性能弱化的基本认识，从围岩体在加载条件下对水汽环境的力学响应入手，探索水汽环境下围岩松动圈形成的主要源动力。本项目拟结合水汽等环境因素迁移相关的渗流和扩散理论及其环境损伤力学原理，建立基于环境因素迁移、损伤演化和裂纹扩展的时效力学模型，发展基于细观力学的围岩松动圈预测模型和大规模数值计算方法。通过深入探讨水汽环境下围岩松动圈形成过程的裂纹萌生、扩展和贯通机制及其时空演化规律，揭示形成围岩松动圈现象的内在机理和探索围岩松动圈的控制原理。本研究对于发展我国松动圈理论、推动松动圈理论在工程中的应用具有重要的理论与工程意义。

在煤炭开采、深基坑施工、边坡开挖、交通、水工隧洞和地下洞室开挖等岩体工程中，开挖施工扰动将引起一定深度的围岩松动现象，由此产生了围岩松动圈概念及其相关的松动圈理论。高湿度环境对煤巷中松动圈的形成具有重要的影响作用。. 本项目主要完成了如下研究工作：. （1）研究了岩石中的裂纹扩展规律，提出了相应的数值计算方法，并将研究成果在数值计算模型中加以体现。. （2）结合水汽环境迁移的扩散理论、运用损伤力学力学方法，从岩石的细观结构出发建立岩石在环境因素迁移、应力腐蚀和损伤演化相互作用下的围岩松动圈理论模型，特别是确定了理论模型中的相关参数与环境因素变量、应力状态、以及损伤等之间的关系，为后续围岩松动圈分析的数值模型提供理论基础；考虑到湿度的扩散不仅引起围岩中的湿度随时间和空间而变化，还会导致材料性质的变化，因而在模型中不仅考虑了湿度在岩体中的扩散过程，还表征了材料物性与湿度的联系。此外，还考虑了损伤对湿度扩散的影响作用，形成了湿度-应力-损伤耦合作用的数值模型。. （3）运用所建立的理论模型初步实现了相应的数值计算模型，并将其运用到实际工程湿度引起的隧洞底臌变形与破坏的分析研究中基于理论模型，初步建立了湿度扩散诱发的岩石时效变形研究的数值模型。并从应力场随湿度扩散和裂纹萌生、扩展和贯通而变化的整个过程研究了岩石的时效变形特性。. （4）研究了不同含水状态下软岩变参数蠕变损伤本构关系，并根据不同含水状态下T2b2泥质粉砂岩的单轴蠕变试验结果，对模型蠕变参数进行反演，得到了不同含水状态下模型各力学参数，并分析了含水率对软岩的蠕变特性的显著影响作用。. （5）考虑到围岩松动圈的形成往往是小变形阶段的破坏与大位移阶段的块体运动有关，因而在岩石破裂过程分析RFPA方法的基础上，借助DDA方法进行非连续大位移分析的特点，尝试将RFPA方法与DDA方法耦合，形成了模拟岩层移动从破裂孕育到块体运动全过程的全新分析方法。该方法可以模拟松动圈内岩层移动的孕育、发展和动态演化过程。. 上述研究成果在国际期刊上发表论文6篇，国内核心刊物上发表论文7篇，一般期刊上发表论文5篇，其中SCI收录6篇，EI收录15篇，ISTP收录2篇。