高地应力下深部岩芯饼化裂缝发展规律及机制研究

以青海共和盆地干热岩调查井的钻孔岩芯为研究对象,首先分析现场岩芯饼化侧面破坏特征、端面断口宏观和微观特征,然后基于三维离散–连续混合方法,分析不同类型应力状态下钻孔取芯过程中的裂缝扩展行为,从细观角度探究岩芯饼化形成机制。研究结果表明：(1)饼化岩芯侧面特征可分为破碎状、薄饼状、饼化状和厚饼状;端面断口形态可分为马鞍形、平面、杯状凹面和椭圆形,大多粗糙不平,具有凹凸性;(2)岩芯饼化侧重于拉伸破坏机制;(3)高水平主应力是岩芯饼化发生的主要因素,诱发带状分布裂缝并产生杯状凹面断口;垂向应力抑制裂缝带状分布,水平应力较小时,足够大的垂向应力可使岩芯产生平面断口;(4)在应力重分布作用下,岩芯根部产生大量裂缝,岩芯上部的已有裂缝也会继续发展,加剧岩芯饼化程度;(5)水平主应力差异性既影响裂缝的分布状态,也影响裂缝走向,裂缝走向倾向于沿最大水平主应力方向,且聚集分布在岩芯边缘附近区域;(6)裂缝走向分布受应力水平的影响,沿最大水平主应力走向裂缝比例随最小水平主应力的减小或垂向应力的增大而增加,较大的最大水平主应力会削弱裂缝走向对应力方向的指示作用。     

深部岩体分区破裂化现象数值模拟

 利用数值手段模拟深部岩体分区破裂现象的产生及演化过程。从岩石的细观结构层次出发,基于最大拉应力准则和应变能密度理论建立单元破坏准则,并应用弹性损伤力学方法来模拟岩石的破坏行为,数值模拟过程中,必须考虑地下洞室开挖释放的能量足够引起围岩产生动力现象,即将开挖过程视为一个动力过程。基于上述思想,通过FLAC3D中的FISH语言开发分区破裂化现象的计算程序,并应用该程序求解某深埋巷道围岩破裂形态,得到破裂区和非破裂区的宽度和数量,数值模拟结果与现场观测成果有很好的一致性。     

卸荷取芯岩柱间隔断裂机制分析与岩芯饼化机制

岩柱的间隔断裂(或岩芯饼化)是由拉应力导致的岩石破坏现象。通过将该类现象统一归结为岩石的自持续断裂,从理论上分析该类现象的发生机制;建立量纲一的饼化厚度d/D与量纲一的初始应力s0/st之间的关系式,且对表达式中各参数的物理意义进行了理论上的解释;并结合已有研究中的实测数据对所求表达式的适用性进行了初步检验。结果表明,当圆柱形花岗岩试样的初始应力为花岗岩抗拉强度的6.85倍及以上时,以一定的速率对岩柱轴向进行卸荷,将导致岩柱内产生与卸荷方向相反的断裂波和与卸荷方向垂直的断裂面;断裂波的波长与饼化厚度直接相关,初始应力越高、卸荷速率越快,断裂波的波长越短、饼化厚度也越小;断裂波随传播而衰减,由于沿岩柱轴向短距离内断裂波的波长变化并不明显,从而造成了饼化厚度在一定范围内依然看似相等的现象。从理论上讲,只要知道了岩柱的初始应力和残余应力,便可直接算出产生饼化现象的量纲一的应力阈值,而如何测量残余应力则有待进一步的研究。     

深埋洞室岩体开挖卸荷诱导的围岩开裂机制

 针对深埋圆形隧洞爆破开挖,采用双向受压条件下的压剪裂纹扩展模型和应力强度因子计算公式,分析开挖面上岩体应力瞬态释放和邻近的围岩应力瞬态调整对围岩开裂过程的影响。结果表明,与准静态卸载条件相比,开挖面上岩体应力瞬态释放在围岩中产生附加动应力,导致围岩径向卸载和环向加载效应放大,加剧了深埋洞室围岩开裂效应,导致开裂范围增大;开挖卸载速率越快,围岩中产生的附加动应力幅值越大,围岩的开裂效应越显著。     

岩芯成饼单元安全度三维数值试验及地应力反馈分析

岩芯饼化是深部及高应力地质环境特有的现象,通过岩芯饼化来推测地应力有重要的理论和工程意义。首先模拟不同应力对岩芯饼化厚度的影响,并综合三维弹性数值模拟和带拉伸的莫尔-库仑强度准则,提出岩芯饼化"潜在破坏面"单元安全度的计算方法,研究不同地应力对岩芯潜在破坏面的影响。模拟结果表明,在水平应力一定的条件下,随着竖向地应力的变化,竖直岩芯潜在破坏面单元安全度、剪切破坏和拉伸破坏模式都发生变化。单元安全度方法能够直观显示岩芯潜在破坏面安全度的分布,并量化地反映地应力与岩芯破坏模式之间的对应关系。采用单元安全度方法,对美国Williston盆地Bakken页岩储层的前期勘测地应力和观测岩芯分析,取得相一致的计算结果,说明利用该方法分析与识别地应力是可行的。     

对“岩芯饼化的应力分析”一文的讨论

<正> 本刊1984年第5期上发表的“饼化岩芯的应力分析”一文,是有意义的,作者作了许多工作。但笔者认为该文有一定的条件性,不揣冒昧,提出如下几点看法,供参考和讨论。 第一,该文立足于剪切破坏机理,诚如该文作者所指出的,是国内外许多人所作工作的依据。但就该文所讨论的二滩岩石来说,则是不充分的。 这是因为,只考虑剪切破坏,在二滩水电站的地质岩体条件下,并不完全符合实际。作者在文章中也承认,二滩岩体中饼化岩芯形成过程中,除有擦痕存在（剪切破坏）外,还有拉裂坎存在（即拉断破坏）。为什么在计算中完全忽视后者,却认为能与应力解除的结果相近呢?对于这一点,原文完全没有作出任何理论解释。     

深部岩体工程灾害控制学术研讨会

国家自然科学基金重大项目“深部岩体力学基础理论研究与应用”办公室；中国岩石力学与工程学会软岩工程专业委员会；中国岩石力学与工程学会测试专业委员会；中国岩石力学与工程学会岩体物理数学模拟专业委员会；中国岩石力学与工程学会教育工作委员会。     

岩芯卸荷扰动的声学反应与卸荷敏感岩体

声波测试是工程岩体质量评价的最主要手段之一。将岩体与岩块的纵波波速比的平方定义为岩体的完整性系数。不仅为国内外学者广泛认同。而且是现行规范的定义。这是源于如下认识：原位岩体的纵波波速小于其中岩块的波速；岩体越破碎。小得越多。然而。通过润扬大桥声波测试发现。用通常手段得到的大部分岩体的测井波速反而大于岩样波速。对该桥基岩40余个钻孔数百个岩样进行了多种手段的对比研究和综合分析。探讨了测试结果的可靠性及产生原因。进而提出了岩芯卸荷扰动和卸荷敏感岩体的概念和相应的工程对策。     

深部岩体的构造和变形与破坏问题

随着经济建设与国防建设的有断发展，地下空间开发不断走向深部，如逾千米乃至数千米的矿山（如金川镍矿和南非金矿等）、水电工程埋深逾千米的引水隧道、核废料的深层地质处置、深地下防护工程（如700m防护岩层下的北美防空司令部）等。伴随着深部岩体工程响应发生了一系列新的特征科学现象，这些特征科学现象与浅部岩体工程响应相比具有迥异的特点，而且用传统的连续介质力学理论无法圆满地进行解释，从而引起了国际上岩石力学工程领域专家学者的极大关注，成为近几年该领域研究的热点。根据深部岩体的构造特点、高地应力及含能和非协调变形的特点，围绕深部岩体工程响应发生的静、动力特征科学现象，提出了深部岩体的构造和变形与破坏需要研究的科学问题。     

锦屏地下实验室深埋隧洞岩芯饼化特征与地应力关系分析

岩芯饼化是深部高地应力条件下硬岩表现出的一种特殊力学行为,基于深部岩体岩芯饼化的现场数据,明确岩芯饼化特征、规律及其与应力的关系,对丰富深部岩石力学行为认识和发展深部岩体力学理论具有重要意义。根据世界埋深最大(2 400 m)的中国锦屏地下实验室多个不同孔径钻孔的岩芯饼化数据,对岩芯饼化现象进行统计分析,研究了岩芯饼化的发生条件、岩饼厚度的统计特征以及岩芯饼化现象随着钻孔深度的演化规律。研究结果表明岩芯饼化现象易发生于高集中应力区域的较完整岩体中,岩芯饼化的数量一般随着钻孔直径的增大而减小,饼化岩芯的厚度随着岩芯直径增大而增大,不同直径钻孔中的岩饼厚度与岩饼直径的比值分布在0.2～0.25之间,饼化岩芯的厚度与最大主应力值大体满足负指数函数关系。     

深部巷道围岩的分区破裂机制及“深部”界定探讨

通过分析巷道围岩的应力状态和变形破坏多阶段、多水平的性状，揭示巷道围岩最大支撑压力区的体积变形状态及其后果，得出深部围岩区域破裂现象的发生条件、岩体的初始压力和围岩全过程变形状态，尤其是围岩峰值后状态下材料的残留强度芙系。根据分区破裂现象的出现条件，提出界定浅部及深部工程活动的标准：浅部工程——坑道最大支撑压力区不破坏的深度：深部工程——坑道最大支撑压力区发生破坏的深度。     

深部岩体强度准则

提出一种新的适用于深部岩体的强度准则,该准则考虑深部岩体的拉伸破坏,同时考虑深部岩体的剪胀和剪缩破坏,其破坏面可以是闭合的也可以是张开的,而且与RMR岩体地质力学分类指标建立联系.深部岩体准则中的参数均有明确的物理意义,可以很容易通过实验确定或通过RMR岩体地质力学分类确定.该准则不仅可考虑所有应力分量对材料破坏的影响,而且可反映深部岩体的受力特点.最后,将新准则与实验结果进行比较,从而验证了新准则的有效性.     

深部岩体块系介质变形与运动特性研究

通过对残留应力的研究表明:其大小不仅仅由变形的增降确定,也由所考察的构造集合体单独区段的变形模量的差值所确定。在具有构造等级的深部岩体介质的变形过程中,储能及返还性状与介质变形的摩擦系数有主要的关系。利用块体动力模型研究表明:块体界面的动力变形与稳定性的影响效应规律与块体及界面的体变能力及块体大小密切相关。     

深部岩体变形破坏动态本构模型

 根据深部岩体在卸荷条件下能量释放、消耗和转移的过程中,其体积变形经历弹性回弹和扩容以及剪切变形可能经历峰值前(弹性和内摩擦强化阶段)和峰值后(软化及残余破坏阶段)阶段的性状,提出深部岩体变形破坏全过程动态本构模型。该模型的特点可归纳为：(1) 引入Juamann导数,能够计算有限变形;(2) 描述卸荷过程中与时间相关的体变回弹、扩容至破裂的全过程关系;(3) 描述了卸荷过程中,深部岩体强度(长期强度、破坏强度和残余强度)被调动的演化过程,并用同轴的屈服面、破坏面与残余破坏面3个圆锥面加以描述;(4) 运用物理细观力学理论,引入宏观裂纹扩展滞后时间表征岩体不同构造水平在强化中的贡献,给出内摩擦强化阶段流变方程;(5) 运用裂纹运动散布理论,引入破裂时间表征宏观裂纹扩展贯通过程,给出破裂过程中的强度随时间的演化方程,用塑性流动理论给出软化阶段形变本构方程。最后,在LS-DYNA平台下对本构模型进行二次开发,通过深埋地下隧洞开挖变形破坏的算例,初步展示该模型在深部岩体力学理论与工程中的应用前景。     

深部岩体热力学效应及温控对策

随着开采深度的加大地温越来越高,高地温引起的深部岩体热力学效应引发许多深部矿山开采的次生灾害,有必要研究高温矿井相关的岩石力学问题。首先提出我国深部矿井地温场的3种模式即线性模式、非线性模式和异常模式;然后通过室内试验,研究温度对深部岩石强度和吸附气体逸出的影响,试验结果表明,随着温度的升高,煤岩强度和弹性模量显著降低,同时吸附瓦斯变为游离瓦斯而逸出,这是引起煤矿塌方和瓦斯灾害的重要内在原因;同时,在概述国内外温控技术基础上,提出以矿井涌水为冷源的HEMS降温原理及技术,形成3种典型温控模式及其设备系统。现场降温试验系统运行后效果良好,工作面温度控制在29 ℃以内,工作面温度降低5 ℃～12 ℃,相对湿度降低5%～15%;针对目前国内外矿井降温系统尚无有效性评价问题,提出矿井降温系统有效性评价的参数体系及方法。     

深埋硬岩隧洞围岩的破坏模式分类与调控策略

 根据锦屏II级水电站地下隧洞的地质条件、现场试验、数值分析和支护设计与施工全过程,建立深埋硬岩隧洞围岩的破坏模式分类方法。该分类方法依据支护要求和控制因素将深埋硬岩隧洞的破坏现象分为3个大类、9种典型破坏模式,分析各种破坏模式的发生机制、表现形态以及调控策略,重点讨论岩爆的机制以及相应的调控策略。应用该分类方法对锦屏II级水电站地下隧洞围岩的破坏模式进行识别、机制分析,相应的调控措施也得到采纳。工程实践表明,该分类方法全面、实用,为现场设计、地质和施工工程师等在深埋硬岩条件下进行隧洞开挖和支护设计优化提供具体指导方针。