水-岩化学作用的岩石宏观力学效应的试验研究

为了研究水－岩化学作用对岩石的宏观力学效应，在常温常压，不同循环流速条件下，对不同化学性质的水化学溶液作用下的花岗岩，红砂岩和灰岩进行了单轴抗压强度试验，取得了时效性的定量结果。结果表明：水化学作用后；3种岩石的强度均出现了不同程度的下降。分析发现：（1）水溶液对岩石的力学效应与水－岩化学作用密切相关；（2）岩石的化学损伤与水－岩化学反应强度成正比；（3）水－岩化学作用对岩石的力学效应具有很强的时间效应；（4）影响岩石化学损伤的主要因素有；岩石的物理性质和矿物成分，水溶液的化学性质，岩石的结构或物质成分空间分布的非均匀性，水溶液通过岩石的流动速率和岩石的成因及演化历史等5个因素。     

水-岩土反应的力学与环境效应研究

 博士学位论文摘要　水2岩土反应对岩土的力学效应方面的研究。涉及力学、物理和化学三方面, 也即为地球化学与岩土力学两个研究领域的交叉。总的来说, 水2岩土反应的力学效应, 是相当复杂的, 是一个值得开拓的新研究领域。鉴于此, 本文结合国家自然科学基金项目“受力岩体渗透、水化学作用导致破坏的机理”和“珠江三角洲软粘土的结构性研究及其工程应用”, 主要开展了下列研究工作, 获得了一些成果和认识, 也提出了许多问题, 其主要目的乃至意义是开拓工程地质学及环境地质灾害学的理论、方法研究的新思路。(1) 为了研究自然界中水2岩反应对岩石的宏观力学效应, 在常温常压、不同循环流速条件下, 对不同化学性质的水化学溶液作用下的花岗岩、砂岩和灰岩进行了单轴抗压强度试验;(2) 较系统地开展了水2岩反应之岩石断裂力学效应的试验, 在常温常压、不同循环条件下, 对不同水化学溶液化学作用下不同岩石(两种花岗岩和两种砂岩) 的K Ic值和COD 断裂力学指标及抗压缩指标的历时效应进行了研究;(3) 基于上述的试验及分析, 对水2岩反应的力学效应的机理及定量方法进行了较系统的探讨;(4) 研究了非饱和土中的广义吸力2湿吸力和结构吸力, 探讨了非饱和土有效应力原理和强度理论;(5) 对水2土反应的物理力学效应做了一次尝试性试验, 探讨了水2土反应之土力学效应的机理;(6) 探讨了水2岩土反应环境力学效应的研究思路、研究方法及其应用。通过上述的研究, 得到了如下主要成果和认识:11 分析了水2岩土反应力学效应的研究意义、研究特点及研究方法, 全面地提出要重视此领域的研究, 并展望: 水2岩土的化学作用对岩土力学性质的影响, 是岩土力学中亟待开拓的研究领域, 此方面的研究及其应用将直接导致地质灾害研究领域中新认识的出现, 并在地质灾害机理、防法研究和环境地质研究等方面具有广泛的应用前景。21 通过分析水化学作用的岩石宏观力学效应的特点及机理, 发现:①岩石的化学损伤与水2岩化学反应强度成正比;②水2岩化学作用对岩石的力学效应具有很强的时间依赖性;③影响岩石化学损伤的主要因素有: 岩石的物理性质和矿物成分、水溶液的化学性质、岩石的结构成物质成分空间分布的不均匀性、水溶液通过岩石的流动速率和岩石的成因及演化历史五个因素。31 水2岩反应之断裂力学效应试验的结果及分析表明:①水2岩反应的断裂力学效应是显著的, 具有历时效应, 而且不同的水化学溶液、不同的岩性、不同的浸泡方式及不同的水溶液流动速率, 对岩石断裂力学指标及尖全比的影响存在着很大差异;②水2岩反应的断裂力学效应和抗压缩性效应存在一致性;③水2岩反应强度高的力学效应比反应强度低的要大, 红色砂岩的> 灰色砂岩的> 花岗岩的;④岩石中的含铁离子或钙离子的矿物及胶结物成分是水2岩化学作用力学效应的一些关键离子或物质成分, 尤其是含铁离子的矿物的作用对水2岩反应具有正反两方向的力学效应。41 认为渗透、水化学综合作用对岩体裂隙扩展、变形和破坏的力学效应及其机理方向的问题的研究和解决, 是真正关系到岩体断裂力学应用于岩石力学的关键问题之一。在试验中, 提出了化学损伤和断裂力学效应的尖全比概念, 试验证实了尖全比的存在性, 对其进行了分析, 并认为对尖全比的理论研究具有重要的理论与实际意义。51 由水2岩反应力学效应的试验结果, 可得出如下一般性结论:①水化学作用造成岩石的损伤是存在的具是相当严重的, 仅从力学原理或有效应力原理来考虑水对岩石的力学效应是远远不够的, 而应考虑水2岩化学作用对岩石的化学损伤这样复杂的过程;　②水2岩化学作用之力学效应的历时效应的特点意味着, 水2岩反应是一个动力系统, 研究岩石的化学损伤时不仅要分析水2岩反应的力学效应的现状及未来的变化, 而且要清楚其发展历史。61 认为水2岩反应力学效应是不同尺度之间的多重耦合和相互作围, 是一种非线性动态过程, 其机理很复杂。本文对其进行了较系统地分析及探讨, 首次提出并运用考虑化学损伤的断裂力学理论方法分析了水2岩反应的力学效应, 初步提出了化学破坏模型及定量方法研究途径。71 在非饱和土力学研究中, 提出并阐述了湿吸力的概念, 分析了非饱和土的孔隙水压力或基质吸力与由于表面张力而产生的土颗粒之间的湿吸力的定量关系及其根本区别, 探讨了湿吸力的变化规律及其主要的影响因素。认为结构吸力象湿吸力一样也是随含水状态及水溶液化学性质的改变而变化, 并由此提出了可变结构吸力和本征结构吸力的概念, 探讨了可变结构吸力的性状。基于щукнн的土结构强度理论, 分析了可变结构吸力的计算方法, 讨论了可变结构吸力的测试方法。研究表明: 对可变结构吸力除受土含水状态或饱和状态的影响外, 还受土颗粒几何结构的影响; 结构吸力结构参数N 与湿吸力结构参数D 存在内在联系。81 指出在研究非饱和土的有效应力时, 要研究的是随饱和状态而变化的湿吸力和可变结构吸力, 而且必须对湿吸力和可变结构吸力分别进行研究, 然后将其综合成广义吸力及广义有效应力, 形成非饱和土广义有效应力原理。91 指出并分析了现有有效应力公式、原理及强度理论中所存在的概念问题。分别基于湿吸力和可变结构吸力概念, 分析并给出了狭义有效应力公式, 建议了非饱和土的状态分类及相应的狭义有效应力原理。给出了B ishop 有效应力公式中经验参数X的表达式并明确解释了X 的物理意义、适用范围及影响因素。基于广义吸力, 提出了全新的非饱和土广义有效应力公式和广义有效应力原理。探讨了非饱和土的抗剪强度理论, 分析了A 1w 1B ishop 和D1G1F redlund 的非饱和土抗剪强度理论的主要问题。在广义吸力及广义有效应力基础上, 给出了非饱和土的广义抗剪强度公式, 其附加强度项中的状态变量及参数物理意义明确。101 研究表明土的结构及广义吸力不仅随着其受力的过程而变化, 而且随着水2土化学反应过程及其物理化学成分的变化而变化, 因此, 提出: 非饱和土变形理论的研究, 首先应采用细观土力学方法, 然后上升到宏观及应用。111 概述了土的组织和土体的组构以及水2土化学作用力学效应的重要性。通过土与水溶液反应后的力学效应的不同特征的分析, 探讨了水2土反应的正的力学效应和负的力学效应的机理。试验结果表明, 士在不同水溶液或不同浸泡状态下, 其水2土化学反应后的液限和塑限有不同的值, 存在着正负两个方向的力学效应。对水2土反应的力学效应的机理进行了分析, 认为具有力学效应的水化学作用主要有: 溶蚀作用、沉淀或结晶作用和阳离子交替吸附作用三种, 并分别对其进行了探讨。此试验结果及分析的意义在于, 使我们认识到可以通过水与土的化学反应达到调控土的物理力学性质, 以改良土质, 防治环境地质灾害的目的。121 认为化学对岩土力学的渗透, 将丰富岩土力学的研究内容, 使岩土力学的研究与应用更加贴近实际。将水2岩土化学作用与地质灾害等岩土体稳定性联系起来, 强调此方面是环境地质研究中一个值得开拓的新研究领域, 认为水2岩土反应的力学效应及环境力学效应存在正负西方面的效应, 在重视研究其负效应的同时, 还要强调正效应对环境力学及地质灾害的重要性。遵循此思路, 对于环境力学及地质灾害与防治研究, 提出并探讨了这样一个研究思路:①地质环境监测中要加强水2岩土化学反应方面的信息监测及追踪研究;②通过调整地下水流动系统来改变水2岩土反应;⑤利用水2岩土化学作用来改良土质及岩体力学性质;④可以而且应该更多地通过分析水2岩土化学作用的过程, 综合利用地质环境中水2土相互作用的规律来达到预防、控制和治理地质灾害。本文全面地提出, 要重视此领域的研究。     

岩石水化学损伤的理论基础及研究进展

对岩石的化学腐蚀及岩石损伤力学的国内外研究现状进行了阐述,并对岩石水化学损伤的化学成分分析理论及能量分析理论进行了分析,指出建立渗透与水化学综合作用对岩体力学效应的定量模型是岩石水化学损伤理论及其应用的关键所在。     

水-岩化学作用之岩石断裂力学效应的试验研究

在常温常压，不断循环上，对不同化学性质的水溶液上的两种花岗岩和两种砂岩进行了断裂力学指标KIC和δc的三点弯曲试验。结果表明：（1）水－岩化学作用对岩石裂纹的断裂指标有显著的影响，并且具有时间效应。不同岩性，不同浸泡方式及不同水溶液流动速率对岩石断裂力学指标的影响存在着较大差异。总体上，水化学作用对断裂力学指标的影响程度与水－岩化学反应的强度成正比。（2）岩石中的含铁离子或钙离子的矿物及胶结物成分是水－岩化学作用力学效应的关键物质成分，其中含铁离子物质对水－岩反应的断裂力学效应具有正反两方面的水学效应。     

水化学溶液及冻融耦合作用下灰岩力学特性试验研究

 以洛阳龙门石窟灰岩为研究对象,考虑石窟区灰岩渗水溶液的侵蚀和冬季冻融损伤的影响,进行不同水化学溶液及冻融耦合作用下的力学试验,研究龙门石窟灰岩在水化学溶液及冻融耦合作用下的力学损伤特征。试验表明,水化学溶液及冻融耦合侵蚀作用下,随着冻融循环次数的增多,灰岩的损伤逐渐增大;与水化学溶液单一的侵蚀作用相比,水化学溶液及冻融耦合侵蚀作用对岩石的损伤程度要大,如在相同的冻融循环次数(90次)的情况下,在蒸馏水、龙门水、NaCl溶液与冻融耦合作用下,试件的强度比自然状态分别下降了50.73%,54.92%,57.67%,而仅受上述溶液作用没有经历冻融的试件强度则分别下降了21.58%,22.88%和28.72%。在试验研究范围内,龙门石窟灰岩的冻融劣化模式均为颗粒损失模式。分析指出,水化学溶液及冻融耦合侵蚀作用下,溶液中凝结核的丰度和溶液的pH值是影响灰岩损伤程度的重要因素。在对试验结果分析的基础上,建立水化学溶液及冻融耦合作用下龙门石窟灰岩的侵蚀损伤方程。研究结果将为石质文物及岩石工程的长期保护提供重要的理论基础,具有广泛的实际工程应用价值和应用前景。     

寒区岩体低温、冻融损伤力学特性及多场耦合研究

博士学位论文摘要：我国是寒区面积分布最多的国家之一，随着寒区建设工程的日益增多，出现了大量的冻岩问题，而至今人们对冻岩问题的研究还非常不足。围绕冻岩问题，本文以实验研究为基础，采用理论分析和数值计算相结合的方法，系统地研究了岩石在低温、冻融循环条件下的力学特性，并根据实验结果建立岩石的宏观冻融损伤本构关系， 最终以寒区实际大型岩体工程——青藏铁路昆仑山隧道为背景，建立相应的温度-渗流、温度-渗流-应力多场耦合数学模型，采用有限元方法，进行寒区冻岩工程实例计算分析。本文的主要研究工作与成果如下： （1）首先，从工程现场取2种典型岩石，进行不同冻结温度和不同含水状态（完全饱和与干燥）下的单轴压缩和三轴压缩实验；然后，分析2种岩石在不同温度下的单轴压缩和三轴压缩实验的变形破坏规律，应力-应变关系以及不同含水条件下单轴抗压强度、弹性模量，三轴抗压强度随温度的变化关系，并给出了相应的拟合关系表达式；最后，进行2种岩石在不同低温以及饱和与干燥2种状态下的超声波波速测试和热参数测试，并给出了波速、导热系数与温度的关系。 （2）对红砂岩和页岩进行开放饱水状态下冻融循环实验，分析了2种岩石的冻融损伤劣化及冻融破坏行为，提出红砂岩和页岩分别代表的2种冻融损伤劣化模式：片落模式和裂纹模式；并对经历不同冻融次数后的岩样进行单轴压缩实验，记录岩石冻融循环后变形与强度的变化规律，分析这2种岩石的冻融耐久性，并对实验结果进行数据拟合，得出2种岩石在饱水状态下的单轴抗压强度、弹性模量与冻融次数的拟合关系表达式。 （3）以岩石冻融循环后的单轴压缩实验结果为依据，从宏观损伤力学理论出发，将岩石的损伤分为2个阶段：第1阶段为冻融引起的损伤，第2阶段为冻融和单轴压缩引起的总损伤，从而建立2个阶段的损伤演化方程，推导岩石受冻融循环次数影响的单轴损伤本构关系，根据建立的本构模型得出岩石冻融损伤后的单轴应力-应变关系曲线，并与实验曲线进行对比。计算结果表明，所建立的模型可靠，为三场耦合分析提供了很好的损伤本构模型。 （4）根据孔隙介质的对流换热理论，建立低温岩体对流传热温度与渗流耦合的数学模型，并运用多场耦合有限元计算程序，计算2个工程实例：其一是针对寒区输气管道围岩的冻结问题，验证所建立的数学模型的可靠性；其二是结合青藏铁路昆仑山隧道建设的工程实际，考虑气候变暖和有无保温层、防水层条件下，计算30a围岩温度场与渗流场的分布变化规律，指出气候变暖、保温层的铺设和渗流对寒区隧道围岩的长期稳定性均有较大影响。 （5）针对受低温及冻融循环影响的寒区岩体工程实际情况，引入所建立的岩石冻融损伤力学模型，将岩体的弹性常数视为随冻融次数及温度变化的函数，以混合物理论、连续介质力学、不可逆过程热力学理论为基础，建立冻融裂隙岩体温度-渗流-应力完全耦合的控制方程。运用有限元方法，以昆仑山隧道进口160m的DK976＋410断面围岩-衬砌系统为对象，进行开放系统条件下隧道温度、渗流、应力耦合问题的二维数值模拟计算，分析围岩-衬砌系统在施工完毕及运行30a后的温度、应力及位移的变化规律，并对现有的青藏铁路昆仑山隧道设计方法进行了安全评估。     

多轴应力对深埋硬岩破裂行为的影响研究

 针对深埋硬岩在多轴应力条件下的破坏特征,在笔者所在课题组工作的基础上,提出能够反映岩石在多轴应力作用下力学参数随塑性内变量的演化关系以及中间主应力和最小主应力对深埋硬岩脆延转换行为影响的岩体局部劣化模型(rock mass local deterioration model,RLDM),该模型考虑真实岩体应力状态对岩体力学行为的控制作用,并嵌入到自行开发的三维弹塑性细胞自动机软件系统中,而基于局部作用原理的细胞自动机方法能够方便地考虑岩石破坏过程中局部力学参数的动态更新。实验室尺度岩样的破坏过程模拟,较好地反映了随着围压的升高,岩石由脆性向延性转化的试验现象;工程尺度的锦屏二级水电站引水隧洞破坏行为模拟,获得的隧洞破裂模式较好地反映现场实际破坏现象,从而验证模型和模拟方法的正确性和合理性。在此基础上,以深埋硬岩为研究对象,分别考虑不同侧压力系数、不同中间主应力大小和方向,分析多轴应力对深埋硬岩破裂行为的影响,解释造成深埋硬岩隧洞复杂破裂模式的原因。结果表明,最小主应力升高使深埋隧洞的稳定性增强;深埋隧洞围岩的稳定性具有中间主应力效应及其区间性的特征。     

巴东组泥岩水作用的特征强度及其能量演化规律研究

为探讨饱水作用对巴东组泥岩的强度参数与变形特性及其能量演化的影响规律,进而建立力学特性、能量演化以及微裂纹发育三者间的内在联系,首先开展天然与饱和状态下泥岩的单轴压缩试验,采用应变曲线法确定特征强度,定量比较分析泥岩特征强度的劣化规律和能量参数的数值差异,深入挖掘泥岩水岩作用过程中的能量转化特征,据此给出泥岩饱水软化机制的能量解释。试验发现饱水作用对泥岩力学特性的影响表现为特征强度降低、脆性变形减弱、塑性变形增强、各变形段差异明显,对泥岩能量演化的影响表现为饱水后岩石吸能与释能性质减弱、耗能性质增强、各段的能量分配规律不同。随后,基于试验数据依托颗粒流软件虚拟实现同等条件下的数值试验,分析模拟试样微裂纹发育特征与能量演化的相互影响和相互作用,揭示泥岩能量演化的微细观机制。结果表明颗粒流理论在从细观力学角度解释岩石损伤破坏机制方面具有优越性,为岩石非均质特性的微细观研究提供了新的手段。     

压缩荷载下饱和硬岩软化特性与机制研究

环境中的水与岩石的相互作用易导致岩石物理力学性能劣化，即岩石水软化现象。目前，饱和硬岩的水软化特性研究尚不完善，明确各种水岩作用机制的存在条件和作用程度仍是一项挑战性的任务。以不同矿物成分和微结构的典型硬岩（宝兴大理岩、锦屏大理岩、灰岩）为研究对象，进行干燥、饱和状态下3种硬岩的单轴压缩试验和声发射试验，分析硬岩压缩强度、弹性模量、破裂形态等力学特性和声发射波形信号主频统计特征，并探讨了水岩作用机制之孔隙水压力的存在条件和作用程度。结果表明：硬岩饱和后，单轴抗压强度和弹性模量均减小，张拉裂纹和张拉破坏面增多。硬岩破坏的声发射信号表现为明显的、与岩石类型和含水状态无关的双主频特征。硬岩饱和后，声发射高主频带波形信号明显减少，低主频带波形信号显著增加。孔隙水压力是3种饱和硬岩性能劣化的主导因素，其作用强弱与声发射低主频信号多少存在对应关系，且取决于岩石的矿物成分和孔隙结构。     

节理岩体采动沉陷实验及损伤力学分析

利用相似材料模拟实验，研究了考虑节理倾角单因素的岩体采动沉陷规律，总结出覆岩破坏模式和地表移动特征，并将节理看作被始损伤，利用损伤力学定性地研究了岩体移动量与节理倾角的关系。     

水–岩作用下断续节理砂岩力学特性劣化机理

在库水位周期性升降作用下,库水消落带节理岩体的损伤劣化很可能导致库岸边坡向不稳定的方向发展。基于此,开展了断续节理砂岩的水–岩作用试验,结合力学试验和微细观结构检测综合分析其劣化规律及机理。结果显示:(1)在长期水–岩作用过程中,断续节理岩样的抗压强度、变形模量劣化趋势明显,而且存在明显非均匀性,其中前3个水-岩作用周期的阶段劣化度明显较大,5个水–岩作用周期之后的阶段劣化度明显减小并趋于稳定。(2)水–岩作用下,不同节理倾角岩样的力学参数劣化幅度不一样,阶段劣化度总体呈U型分布,节理倾角在0°和90°附近时,节理岩样从明显的张性破坏逐渐向剪性破坏转变,破坏模式变化特征比较明显,对应力学参数劣化幅度较大;节理倾角为60°左右时,节理岩样总体保持顺节理面的剪切破坏,破坏模式变化特征不明显,对应力学参数劣化幅度比较小,这些变化也使得节理岩样各向异性力学特征逐渐减弱。(3)在水库长期运行过程中,消落带节理岩体的产状直接影响水–岩作用的劣化趋势和变形破坏特征,因此,在库岸边坡长期变形稳定分析中,不仅要关注消落带岩体力学性质的劣化,也要关注节理岩体的产状差异及其在水–岩作用下变形破坏模式的转化。     

水岩相互作用对岩石劣化的影响研究

水岩相互作用作为岩土工程相关学科研究的前沿领域,具有典型的多学科交叉特点,是工程岩土体稳定研究的重要内容之一.水岩相互作用过程中,岩石改变了水的赋存状态,同时自身也受到水的反复侵蚀.本文分别从物理、化学和力学作用三方面入手,对水岩相互作用下的岩石劣化问题进行了综述,对国内外的研究现状进行了回顾与分析,进而总结了岩石劣化...     

地下水对泥板岩强度软化的损伤力学分析

针对18层泥板岩处于龙滩水电站坝址进水口高边坡中这一特殊情况,深入探讨水-岩相互作用使其劣化的损伤机理。采用RMT-150B型岩石刚性伺服试验机,进行18层泥板岩不同吸水率情形下的单轴压缩试验。结果表明,泥板岩抗压强度的软化不仅与吸水率密切相关,而且还是吸水时间的函数。运用损伤力学理论分析地下水对岩石强度与变形的影响,初步建立与应力状态密切相关的岩石遇水损伤演化方程。结果表明,该理论能较好地描述岩石遇水损伤演化特征,从而为岩质边坡细雨入渗滑坡现象提供理论依据。     

水–岩石相互作用力学参数的探讨

 水–岩石相互作用是一个非常复杂的过程,鉴于水对裂纹的强敏感特性,利用这种特性探讨岩石的一些基本物理力学性质。现行广泛采用的试验方法有真、假三轴试验,通过分析试验理论和加载测量技术,提出真、假三轴试验在无水压力和有水压力条件下,各自试验可以获得的力学参数个数;指出假三轴试验适合于研究各向同性材料,给出以六面体试件(5 cm×5 cm×10 cm)实施假三轴试验可以研究孔隙介质材料各向异性力学特性的观点。利用水压力卸载对孔隙介质材料力学特性影响较小的特点,提出以水压力卸载试验确定各向异性Biot系数理论和试验方法及相应力学参数的观点。试验结果表明,各向异性Biot系数在不同方向的变化趋势也不相同;利用水–岩石相互作用特征,提出一种新的确定岩体石屈服极限应力的方法,即以偏应力与水压力关系曲线水压力最大值所对应的偏应力为屈服极限应力。试验结果显示,Skempton系数分散性较大,在注水和非排水试验中,水压力的作用机制也不尽相同。这种研究对损伤力学和土木工程实践具有重要意义。     

循环荷载下岩体结构面本构关系与积分算法研究

地下结构中广泛存在的各种不连续面是影响岩体工程力学特性的重要因素,研究结构面在循环荷载作用下的力学行为具有重要的工程意义。基于非关联塑性理论,同时定义加载剪胀段和反向剪缩段,建立了岩体结构面剪胀与塑性耦合本构关系;从结构面的基本损伤机制出发,基于拉、剪分离的思路,建立了一类基于能量原理的岩体结构面拉、剪损伤本构模型,该模型基于有效应力空间塑性力学基本原理,定义了岩体结构面拉、剪塑性Helmholtz自由能分量及损伤能释放率,建立了岩体结构面拉、剪损伤破坏准则。针对结构面在循环荷载作用下的强非线性问题,引入算子分解的思想,将弹塑性演化与损伤演化过程分开进行求解,提出了结构面弹塑性损伤本构关系的混合积分算法。分别进行了岩体结构面直剪和循环剪切试验的数值仿真,计算结果与模型试验基本一致,表明该模型在模拟非连续岩体复杂变形方面是合理有效的。     

地下水渗流对岩体力学性质的影响

针对地下水通过物理、化学和力学作用于岩石并引起岩石破坏的特点,分析了岩石水损伤机理,从总体上深化了对水—岩作用机理的认识,并结合工程实例进行了说明,以促进地下水渗流对岩体力学性质影响的研究。     

A coupled thermo-hydrologic-mechanical damage model and associated application in a stability analysis on a rock pillar

A numerical model of coupled thermo-hydrologic-mechanical damage (THMD) in the failure process of rock is proposed using elastic damage mechanics, thermal-elastic theory and seepage mechanics. In the proposed model, the mechanical deformation of rock subjected to thermo-hydrologic-mechanical loading is considered. The model includes the accumulation of damage applied to individual elements, which modifies the modulus, strength, permeability and thermal properties with the severity of the damage. This concept is introduced as a practical method to simulate progressive failure in heterogeneous and brittle rocks, obviating the need to explicitly identify crack tips and their interactions. The model is validated through comparisons of the simulated results with known analytical solutions. The proposed THMD model is implemented in the Rock Failure Process Analysis code (RFPA), and RFPA-THM is developed. Using RFPA-THM, numerical simulation is performed to investigate the stability of a hard rock pillar in the Äspö Pillar Stability Experiment (APSE). The numerically obtained stress field, failure pattern of the rock pillar and the associated Acoustic Emission (AE) events are all in agreement with the in situ experiment conducted at the Äspö Hard Rock Laboratory (HRL) and the phenomenological observations reported in previous studies.     

深埋隧道围岩损伤破坏模式的数值试验研究

 深部岩体具有内禀特性。在开挖过程中，由于应力重分布导致围岩损伤破坏，传统岩体力学未能有效揭示其破坏机制。随着细观损伤岩体力学的发展，采用损伤观点解决深埋隧道围岩破坏问题逐渐显示出其优越性，但目前仅在均质性假设的基础上对应力状态和破坏判据进行研究，缺乏对其破坏全过程的相关研究。采用RFPA2D软件对通渝隧道二叠系栖霞组岩性为石灰岩且埋深超过1 000 m的K22+029断面在开挖过程中围岩的渐进破坏过程进行模拟，使用EMS–2型工程多波地震仪实测围岩破坏前、后波速的变化，定量模拟计算围岩损伤度的变化，揭示深埋隧道围岩破坏过程的损伤演化特性及损伤破裂过程中声发射、剪应力及岩体纵波波速等因素的变化特性，得出深埋硬岩隧道以拉剪型破坏为主，围岩破坏顺序依次为拱顶开裂→左、右拱肩裂纹扩展→左、右拱肩围岩深部裂纹；损伤过程中声发射事件数与围岩损伤程度近似成正比关系；损伤围岩表现出明显的非线性特性和损伤局部化特征。所得结论对于隧道施工支护具有指导意义，也为揭示深埋隧道围岩破坏机制进行有益的尝试。