软岩软化的表面效应与计算方法

软岩软化研究是工程地质学科领域的前沿课题之一，其软化效应研究是其中的重点和难点，是许多重大工程灾害产生的根源，已经成为学术界与工程界共同关注的焦点问题。研究拟以红层软岩为对象，以饱水软化试验为基础，采用电化学和非线性动力学等方法，重点开展软岩软化的表面效应与计算方法研究，包括：（1）研究其表面的物理化学作用效应，探讨表面颗粒、孔隙与电荷变化的定量表征及其测定试验；（2）分析表面效应中的胶体特征及规律，阐明表面-水体系的动态平衡全过程及颗粒间长短程相互作用，揭示其电化学-动力学机制；（3）建立表面效应演化的动力学计算模型、临界状态表征方法及其非线性动力学判据，探讨其与强度变化的定量关系表征方法。通过研究，从根本上揭示软岩软化的表面效应规律，为丰富、完善和发展工程地质学理论和方法奠定基础，为软岩工程灾害的控防提供重要的理论支持。

软岩软化是国际工程地质学科领域的前沿课题之一。其软化效应研究是其中的重点和难点，是许多重大工程灾害产生的根源，已经成为学术界与工程界共同关注的焦点。目前，通过实验在其软化机制、变形破坏的力学效应及其本构模型方面已经开展了较多工作，初步形成了软岩软化研究的基本理论框架。但是，在软岩软化致灾全过程中有一个非常值得关注的现象：软岩软化的表面效应。但是，这一表面效应前人尚未关注到，研究基本空白。而这可能正是加剧工程软岩失稳破坏的关键原因之一。因此，本研究拟以华南地区代表性的红色粉砂质泥岩为研究对象，以饱水软化试验为基础，采用电化学和非线性动力学等方法，研究了软岩软化的表面效应与计算方法。重点通过开展软岩饱水软化试验，探讨了其表面的物理化学作用效应；研究了软岩软化的表面颗粒、孔隙与表面电荷变化的定量表征及其表面电荷测定试验；在此基础上，研究了软岩软化表面效应中的胶体特征及其规律，探讨了表面-水体系的动态平衡全过程与颗粒间的长短程相互作用，分析了表面效应形成的电化学-动力学机制；初步给出了软岩软化表面效应的综合定量表征的关键变量，建立其表面效应演化的动力学计算模型、临界状态表征方法及其非线性动力学判据，搭建了表面效应-强度的定量关系及其表征方法。最后，将上述结果应用于软岩隧道工程，根据软岩表面效应的测定与分析，给出了软岩软化演化的水环境条件，并应用于某软岩隧道工程，通过围岩稳定性判别，验证了上述结果的合理性与可靠性。通过研究，从根本上揭示软岩软化的表面效应规律，给出了软岩软化的全新机制解释，构建了一套软岩软化表面效应的新计算方法，并探索软岩研究的新分支方向，是软岩软化研究的基本理论框架中不可或缺的补充工作，是对软岩软化研究的重要补充与发展；同时，基于本项目的表面效应机制与计算方法研究，可给出软岩工程灾变临界判据，提出工程稳定性控制原理与方法，可应用于城建、交通、能源、环保等行业的软岩隧道、边坡、路基等工程的安全控制，从而为软岩工程灾害的控防提供重要的理论支持。因此，本研究不仅可丰富、完善和发展工程地质学理论和方法，而且具有重要的理论意义和实际应用价值，前景广阔。研究共发表论文9篇，其中SCI、EI已收录5篇；申请国家发明专利4项；培养博士生3名、硕士生5名。