海下饱水腐蚀岩石动力学特性及累积损伤机理研究

本项目为了解并掌握海底饱水条件下不同腐蚀程度的花岗岩的力学响应特性以及在动荷载扰动下的损伤特性。通过现场取样，并制备干燥、半饱和、饱和三种不同含水状态的岩石芯样并进行常规物理特性测试，首先对不同含水状态岩芯进行CT微观分析，建立微观损伤关系，并从常规力学实验试验中得出岩石强度与饱和系数之间的关系，得出不同含水量岩石的物理力学参数。随后，采用SHPB装置对三种不同含水状态岩石芯样进行单轴压缩实验，得到岩石芯样在4种较低冲击能量和4种较高冲击能量的单次作用下以及在单一较低能量不同冲击次数下的动力学响应特性，对比不同饱和系数岩石芯样的实验数据，得到相关规律。实验完成后，采用CT机对受到冲击并发生损伤的岩石芯样进行测试，得到不同含水岩石的损伤特性以及相关规律。最后，从理论分析以及数值模拟的角度对饱水岩石的破坏进行研究，得出不同含水岩石发生破坏的规律。主要结论如下：芯样在不同含水量情况下的岩石密度、波速随着饱和系数的增加而增加，岩石强度则随着饱和系数的增加而减小。采用SHPB装置研究不同饱和系数岩石芯样的动力学特性可知，含水量越大，岩石的动态响应越强烈，但动态强度越低。而由循环冲击试验可知冲击次数的增加导致岩石平均应变率的增加，而强度则有着不同程度的减小，随着冲击能量越大，冲击次数越高，岩石孔隙度增加值越大。但在大的冲击能量及较多冲击次数作用下，除了破坏处，岩石内部出现了明显的斑纹，说明出现了裂隙或孔隙度集中增加的现象。通过模拟得出，在相同冲击能量作用下，岩石层裂厚度及破坏程度随岩石含水量的增加而增加。通过上述研究，揭示饱水腐蚀岩石的动态损伤破坏机理，从而为海下岩石工程的灾害控制和安全开挖提供理论依据。 2100433B

随着海下矿产及空间资源的开发利用，海底下的岩石工程越来越多，在海下采矿或海底隧道开挖中的频繁爆破等动力扰动，相当于一种针对岩石饱水腐蚀作用后的动力冲击加载过程。依据这一特点，首先通过宏观物理参数与细观特征参量之间的关系，确定饱水腐蚀后岩石的损伤变量定义和定量表征方法，研究不同腐蚀程度对岩石初始损伤程度的内在影响机制；在此基础上，系统进行饱水腐蚀岩石的冲击动力学试验，研究海下饱水腐蚀岩石的动态破裂行为、强度规律和动力学特性；然后进一步开展循环冲击试验，结合损伤力学理论和岩石细观损伤结构分析，获得饱水腐蚀岩石的动态损伤演化规律；最后建立适用于饱水腐蚀岩石在动力扰动下的本构关系和破坏准则，进一步开展数值模拟研究，揭示饱水腐蚀岩石的动态损伤破坏机理，从而为海下岩石工程的灾害控制和安全开挖提供理论依据。

本项目以水分迁移条件下岩石的时效变形及损伤弱化为研究背景，以水分迁移、应力腐蚀和损伤演化三场耦合作用为切入点，在试验结果的基础上提出水分迁移—应力腐蚀—损伤演化耦合作用的理论模型，并结合岩石细观非均匀性特征和流变特性，发展耦合作用下岩石变形时效性和破坏过程机理研究的三维数值模型，实现水分迁移导致的岩石裂纹萌生、扩展和贯通过程的模拟研究。本项目的实施主要取得如下的研究成果：（1）为了研究岩体中广泛存在的结构面在细观尺度上的非均匀性及其损伤演化规律，提出了一种可以考虑接触面损伤演化过程的数值模型。模拟结果也揭示了非均匀性的存在是非线性变形的根本，而高的剪应力是产生剪切损伤的根源。损伤—应力调整的循环规律贯穿整个变形过程，直至模型中的接触面被完全剪断；（2）通过湿度在裂纹岩体中的传播研究表明，裂缝的深度和宽度是影响湿度扩散过程的一个重要因素，对湿度扩散路径的影响尤为显著；（3）采用湿度-应力-损伤耦合数值模型对水敏感岩体隧洞开挖后的变形量、围岩内的湿度扩散，以及应力演化进行了数值分析。通过对单组和两组节理岩体的变形、应力、湿度扩散的分析，揭示了节理弱面对湿度扩散和岩体变形的强化作用。开挖隧洞顶底板变形量的分析结果表明高湿度环境是水敏感岩体隧洞产生底鼓的重要原因之一。湿度扩散引起隧洞顶部和底部围岩产生大量破坏，致使相应部位的位移量陡增。此外，单组节理对岩体的湿度扩散起到明显的方向性，而多组相互斜交的节理则在一定程度上消弱了湿度扩散的各向异性；（4）采用湿度-应力-损伤耦合模型研究了隧洞底臌破坏过程，揭示了湿度在岩体中的扩散诱发的软岩大变形特性及其流变规律；（5）在本项目的执行过程中进一步提出基于环境因素（温度、水等）影响的岩体流变特性研究，其中开展了大量基于温度开裂的岩石破坏特性，所得结果为下一步的研究提供了坚实的理论基础和前期可行性资料搜集，保证了项目的延续性和更深入的科学研究。 项目的研究成果最终形成的研究论文被SCI收录8篇，EI收录17篇，ISTP收录1篇；获得中国岩石力学与工程学会科学技术奖（科技进步奖）特等奖1次，大连市自然科学学术论文一等奖1次；参加国际、国内学术会议6人次，培养博士生4人，硕士生2人。超额完成项目的预期目标。 2100433B

本项目以水分迁移条件下岩石的时效变形及损伤弱化为研究背景，以水分迁移、应力腐蚀和损伤演化三场耦合作用为切入点，在试验结果的基础上提出水分迁移-应力腐蚀-损伤演化耦合作用的理论模型，并结合岩石细观非均匀性特征和流变特性，发展耦合作用下岩石变形时效性和破坏过程机理研究的三维数值模型，实现水分迁移导致的岩石裂纹萌生、扩展和贯通过程的模拟研究。通过在数值模型中采用基于并行计算的程序设计技术，实现岩石变形时效性和破坏过程的大规模科学计算研究。以此数值分析方法为主要手段，结合物理试验和与具体工程实例，研究水分迁移条件下岩石的时效变形及损伤弱化的内在机理，分析探讨高应力条件下有水影响和无水影响时地下洞室开挖和采矿活动期间的围岩变形时效性、破坏特点以及失稳的前兆规律，并着重研究开挖所造成的岩体扰动区受水影响的变形特征。相应的研究成果为地下空间开挖和深部矿产资源开采等工程施工提供科学的方法和依据。

《频繁冲击扰动下深部岩石动力学特性及应用》基于深部岩石工程施工时面临“高静应力、频繁爆破扰动”的力学环境，以深部矽卡岩、蛇纹岩为研究对象，开展频繁冲击扰动下岩石的动力学特性试验研究。首先系统分析了一维或三维高静载、一维高轴压卸载、三维高静载围压卸载时深部岩石受频繁扰动冲击时的动力学特性；然后分析了一维、三维条件下深部岩石的损伤破坏机理，并建立相应条件下深部岩石的损伤本构模型；后结合研究成果。采用数值模拟的方法研究了冬瓜山铜矿深部出矿巷道围岩的变形特征，并提出优化方案。

《频繁冲击扰动下深部岩石动力学特性及应用》研究成果可为从事深部采矿破岩、巷道围岩支护、采场稳定性分析、岩爆事件预测等相关工作的科研人员提供理论参考，也可供相关工程技术人员参考使用。