文档介绍：项目名称:
深部重大工程灾害的孕育演化机制与动态调控理论
首席科学家:
冯夏庭中国科学院武汉岩土力学研究所
起止年限:
2010年1月-2014年8月
依托部门:
中国科学院
一、研究内容
1、拟解决的关键科学问题
根据国家重大需求、国际科学前沿和国内外研究现状,本项目紧密围绕深部重大工程灾害的孕育演化机制与动态调控理论的基础研究,从多学科交叉的视角,凝练出拟解决的四个关键科学问题。
科学问题一:深部岩体结构与地应力特征及其对灾害的控制作用
深部岩体的物质性、结构性及赋存性是有别于其它材料的本质特征。深部岩体的“三性”及其相互关系是控制深部工程灾害的关键因素。就“物质性”而言,本项目的研究对象是深部硬岩;就“结构性”而言,深部工程岩体结构和地质缺陷具有高度的隐蔽性、不确定性和时空变异性。因此,如何识别深部岩体的地质特征成为需要研究的首要关键问题,比如,如何采用弹性波正反演理论、瞬变电磁波反演理论以及这两种方法的综合方法,解译并识别岩体结构及相关构造,等等。为合理表征岩体结构特征,需要综合深部岩体探测结果与基于围岩表面岩体结构精确测量结果,建立考虑体积密度、空间RQD和几何分布特征的三维岩体结构参数化模型。同时,需要研究高应力强卸荷作用下岩体结构时空演化规律、岩体力学行为的结构控制、结构与应力协调控制和结构控制转化为应力控制的机制、条件和模型。
针对深部岩体的“赋存性”,需要研究岩体复杂的应力环境特征及高精度的测试方法;重点需要揭示具有强烈构造活动特征的工程区地应力场形成机制,建立考虑强烈构造活动和复杂地形地貌形成过程以及非线性边界条件的深部长大工程区三维地应力场反演理论;需要研究高应力强卸荷作用下深部工程围岩应力场演化过程的分析方法,建立典型深埋长大工程区的三维地应力场形成与开挖扰动引起的演化模型
。
本科学问题的研究为深部重大工程灾害的孕育演化机制、时空预测与调控理论研究提供必要的地质模型、应力模型及其相关数据。
科学问题二:深部强卸荷作用下裂隙岩体与围岩力学行为的演化规律
考察岩体有三个基本视角:地质属性、力学行为和工程性质。深部工程的“岩体”在内涵上应包括高应力环境中裂隙岩体、强卸荷作用的围岩。对于深部岩体裂隙系统,需要研究其宏细观几何形态、分布、结构特征,基于分形张量理论提出多组裂隙岩体的跨尺度结构分形张量表征方法;从细观到宏观研究高应力强卸荷条件下深部裂隙岩体的宏细观变形破坏机理、能量聚集-传递-释放规律和强度特性,建立高应力强卸荷条件下多组裂隙系统的演化与宏观力学特性关系的多尺度理论模型。
针对高受压岩体在峰值应力后出现变形逆转的新现象,需要研究峰后岩体在高应力强卸荷作用下的变形破坏机制,建立相应的模型和强度准则。针对围岩分区破裂化机理,需要探讨分区破裂化的围岩强度、围岩初始结构特征、高应力加卸载水平、速率和复合波动效应、规律/时间效应及其分析模型,揭示高应力强卸荷作用下围岩的不同破坏机制(拉伸、剪胀、剪缩、大剪切滑移)与围岩分区破裂化形成的关系,建立相应分析模型以及考虑上述多因素和变形破坏机制的分区破裂化形成与演化过程数值分析方法。
本科学问题的研究为深部重大灾害的孕育演化机制、时空预测与调控理论研究提供必要的基本理论模型。
科学问题三:深部重大工程灾害时空孕育演化动力学过程与成灾机理
深部工程灾害是在高应力强卸荷和开挖扰动的耦合作用下逐步孕育发展形成的,具有复杂的演化动力学过程特征。其中,高强度岩爆是深部硬岩常见的灾害形式,需要研究动静组合加载下岩石的力学特性和行为,揭示爆破扰动与高应力强卸荷耦合作用下硬质围岩的变形破坏过程、内在的能量集聚传递释放及其时性滞机制,建立岩爆应力、能量判据和危险等级判别指标,以及岩爆灾害源向岩体碎裂动力源转移的途径。
深部工程硬岩大变形及其导致的大体积塌方是另一个常见的灾害形式,需要研究深部高应力开挖强卸荷条件下硬岩大变形的孕育演化和致灾的机制、高应力-岩体结构控制型大变形破坏的时效特征,建立高应力强卸荷作用下深部硬质围岩非连续大变形分析理论和数值分析方法。
本科学问题的研究为深部重大工程灾害的时空预测与良性动态控制提供必要的理论基础和科学依据。
科学问题四:深部重大工程灾害孕育演化过程的时空预测与动态调控
针对开挖动力扰动和高应力强卸荷诱发岩爆以及高应力强卸荷-结构控制型大变形孕育演化诱灾的机制,分别提出相应的时空预测方法;基于变形、应力、声发射和微震等多元信息,建立高应力开挖强卸荷下深部大型工程(深埋长大隧道、高边墙大跨度大型硐室群)围岩和支护结构的安全监测预警标准。
根据开挖过程实际揭示的围岩地质条件和力学行为演化规律等,建立动态信息更新的深部工程灾害快速动态预测与动态调控理论,提出通过人工诱导实现岩爆储能向采矿破岩动能转