復(fù)雜動力擾動下巖爆災(zāi)害發(fā)生機制與能量釋放規(guī)律研究

本項目針對深部地下工程巖體所處高地應(yīng)力賦存環(huán)境并遭受復(fù)雜動力擾動這兩項巖爆孕育和觸發(fā)的關(guān)鍵因素，圍繞巖體動力破壞機理和能量釋放機制這一科學(xué)問題，通過室內(nèi)試驗、理論分析、數(shù)值計算并工程現(xiàn)場微震監(jiān)測，從細觀尺度、實驗室尺度到工程尺度，對巖爆動力災(zāi)變機理開展了深入研究。對測試巖石斷裂韌度的國際建議方法進行了系統(tǒng)研究，有助于巖石斷裂屬性的合理測量，為巖爆規(guī)律研究提供準(zhǔn)確有效的斷裂參數(shù)；發(fā)展了一套基于分離式霍普金森壓桿實驗技術(shù)的動靜組合斜入射巖爆實驗新方法，揭示了動靜組合斜入射動力擾動下砂巖的動力響應(yīng)與變形破壞機理；推導(dǎo)并建立了動靜組合加載霍普金森桿實驗的能量分析方法，揭示動靜組合斜入射動力擾動下砂巖的能量傳遞與耗散規(guī)律；基于離散元方法構(gòu)建霍普金森桿測試系統(tǒng)二維和三維數(shù)值仿真平臺，有效再現(xiàn)復(fù)雜巖石動力學(xué)實驗的數(shù)值模擬，從微觀層面揭示動靜組合斜入射動力擾動下試樣的破壞模式和漸進破壞特征；從統(tǒng)計學(xué)角度分析動靜組合斜入射動力擾動下砂巖的破碎特性，建立復(fù)雜動力擾動下砂巖的強度、破碎度和能耗相關(guān)關(guān)系；結(jié)合依托工程微震監(jiān)測，研究了工程圍巖微破裂時空演化規(guī)律、能量傳遞釋放規(guī)律以及與開挖爆破擾動的時空關(guān)聯(lián)，驗證了實驗室發(fā)展的開挖強動力擾動下巖爆動力災(zāi)變機理。成功推廣應(yīng)用到大渡河猴子巖水電站地下洞室群、金沙江白鶴灘水電站地下洞室群等大型水利水電工程，創(chuàng)造了一定的社會效應(yīng)和經(jīng)濟效益，有力地促進了西南地區(qū)水電工程技術(shù)的創(chuàng)新和快速發(fā)展。 項目的研究成果最終形成的研究論文被SCI收錄25篇，EI收錄9篇；獲中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會自然科學(xué)特等獎；參加國際學(xué)術(shù)會議8次，培養(yǎng)碩士研究生6人、博士研究生3人。超額完成項目的預(yù)期目標(biāo)。 2100433B

本項目緊緊抓住高地應(yīng)力和復(fù)雜動力擾動這兩項巖爆孕育和觸發(fā)的關(guān)鍵因素，致力于研究并揭示綜合考慮這兩項關(guān)鍵因素的巖爆動力學(xué)機理和能量釋放機制。發(fā)展基于分離式霍普金森壓桿的圍壓-動靜組合加載新裝置，開展巖石在無圍壓以及不同圍壓下、正入射以及不同斜入射角度下的復(fù)雜動力擾動巖爆試驗，研究試樣破斷和能量傳遞耗散規(guī)律，以及復(fù)雜動力擾動下動靜組合巖爆動力學(xué)機理和災(zāi)變判據(jù)。結(jié)合高應(yīng)力地下洞室開挖爆破工程進行微震監(jiān)測，驗證實驗室發(fā)展的巖爆動力學(xué)機理和巖爆判據(jù)，揭示高應(yīng)力地下洞室?guī)r爆孕育和災(zāi)變過程的動力學(xué)機理與能量釋放機制。該研究對于巖爆動力災(zāi)害機理解釋及其防治，具有重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價值。

循環(huán)動荷載下軟弱夾層動力響應(yīng)特性及其誘發(fā)復(fù)合巖體動力失穩(wěn)災(zāi)變的內(nèi)在機制及其演化過程十分復(fù)雜，有待深入探索和進一步研究。 本項目以循環(huán)爆破擾動下含軟弱夾層復(fù)雜巖質(zhì)邊坡動力失穩(wěn)災(zāi)變?yōu)檠芯繉ο螅瑢⒃囼炑芯?、理論分析與數(shù)值模擬有機結(jié)合，以循環(huán)動荷載作用下軟弱夾層土的動力響應(yīng)為基礎(chǔ)和紐帶，建立循環(huán)爆破擾動下含軟弱夾層巖質(zhì)邊坡動力失穩(wěn)災(zāi)變機制研究體系。首先，通過動三軸試驗，探尋循環(huán)動荷載作用下軟弱夾層土的強度參數(shù)劣化和變形累積演化規(guī)律；其次，利用Newmark滑塊位移法建立循環(huán)爆破擾動下含軟弱夾層巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)分析方法；再次，根據(jù)軟弱夾層發(fā)育特征，建立含軟弱夾層復(fù)合巖體質(zhì)量分級評價方法；最后，利用FLAC3D數(shù)值模擬方法系統(tǒng)研究多因素和多工況條件下含軟弱夾層巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性。 研究結(jié)果表明：（1）軟弱夾層累積應(yīng)變規(guī)律具有破壞型特征，隨含水率和黏粒含量增大而增大，隨圍壓增大先減小后增大；動彈性模量隨圍壓增大單調(diào)遞增，隨循環(huán)周次和含水率增大單調(diào)遞減。（2）軟弱夾層的動強度受主要黏土礦物成分和黏粒含量共同影響；動粘聚力與主要黏土礦物成分的工程性質(zhì)優(yōu)劣呈正相關(guān)；而動內(nèi)摩擦角隨軟弱夾層黏粒含量的增大單調(diào)遞減。（3）基于最大應(yīng)變法表征損傷量，用低周疲勞損傷演化模型描述軟弱夾層在循環(huán)動荷載下的累積損傷機理與特征是合理的。（4）對于規(guī)模相對較小的軟弱夾層（厚度小于10cm），可將其作為折減因素，建立了含軟弱夾層的層狀復(fù)合巖體質(zhì)量分級修正BQ方法。（5）基于強度折減法，利用FLAC3D分析了不同傾角、厚度、含水率、粘粒含量等軟弱夾層發(fā)育條件下巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性，研究表明對巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性影響程度依次為：軟弱夾層的傾角、粘粒含量、含水率和厚度。（6）建立了爆破擾動下含軟弱夾層巖質(zhì)邊坡的物理模型和滑塊力學(xué)模型，通過能量守恒原理給出了多次爆破振動下滑坡的總位移量表達式。 研究成果可為預(yù)防循環(huán)動荷載擾動作用下含軟弱夾層復(fù)雜巖質(zhì)邊坡動力失穩(wěn)災(zāi)害提供科學(xué)指導(dǎo)和技術(shù)支撐。 2100433B

含軟弱夾層巖質(zhì)邊坡動力穩(wěn)定性問題是巖石力學(xué)與工程研究的難點與熱點之一。本項目以循環(huán)爆破擾動下含軟弱夾層復(fù)雜巖質(zhì)邊坡動力失穩(wěn)災(zāi)變?yōu)檠芯繉ο螅瑢⒃囼炑芯?、理論分析與數(shù)值模擬有機結(jié)合，以循環(huán)動荷載作用下軟弱夾層土的累積損傷效應(yīng)為基礎(chǔ)和紐帶，建立循環(huán)爆破擾動下含軟弱夾層巖質(zhì)邊坡動力失穩(wěn)災(zāi)變機制研究體系。首先，通過動三軸試驗，探尋循環(huán)動荷載作用下軟弱夾層土的強度參數(shù)劣化和變形累積演化規(guī)律；其次，基于試驗研究成果，利用突變理論和Newmark滑塊位移法建立循環(huán)爆破擾動下含軟弱夾層巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)的理論分析方法；最后，結(jié)合典型工程，基于已有研究成果，利用FLAC3D數(shù)值模擬方法系統(tǒng)研究多因素和多工況條件下循環(huán)爆破擾動誘發(fā)含軟弱夾層巖質(zhì)邊坡動力失穩(wěn)災(zāi)變過程。本項目研究可深層次揭示循環(huán)爆破擾動誘發(fā)含軟弱夾層巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)災(zāi)變的復(fù)雜機理，研究成果對于含軟弱夾層巖質(zhì)邊坡動力失穩(wěn)災(zāi)害防治具有重要的理論和實際意義。

隧道巖爆研究已經(jīng)從狀態(tài)研究到孕育全過程的機制、監(jiān)測預(yù)警與動態(tài)調(diào)控研究，隧道巖爆監(jiān)測預(yù)警從定性發(fā)展到定量、智能化。隧道巖爆孕育機制是指其孕育過程相關(guān)的巖體破裂對應(yīng)力學(xué)機制(張拉破裂，剪切破裂或混合破裂)的演化規(guī)律。

隧道巖爆機理經(jīng)歷了室內(nèi)試驗、現(xiàn)場觀察、數(shù)值模擬、地震監(jiān)測、電鏡掃描等一系列的研究過程，科研人員逐步掌握了巖爆發(fā)生的孕育過程和發(fā)生條件。