脆性岩石长期强度的多时间尺度效应及预测方法

Long-term time dependency on mechanical behavior of rocks is one of major challenges in the field of rock engineering and relevant subjects. However,it is greatly uncertain to predict long-term strength of rocks on a hundred-year, thousand-year or longer time scales by means of creep failure tests of several hours to several months. Creep of rock is a macro-response to progressive evolution of its interior micro-structures, which has a mechanism similar to crack development in brittle rocks loaded during conventional short-term tests. Using granite, tuff and sandstone specimens from three ancient cavern groups and a series of rock rupture cases in situ, we will conduct the following studies, i.e., conventional short-term tests and characteristic stress analyses based micro-structure evolution and AE measurement, constant-load creep tests and long-term strength testing on different day-month-year scales, long-term strength back-analyses on 10-year and hundred-year scales, and relevant high-resolution numerical modeling. Combined with other strength data and lower limit threshold analyses, we will find physical essence of gradual crack evolutions, and strength degradation mechanism in/of brittle rocks on multiple time scales, establish multiple time-scale dependency model for long-term strength, prediction method and formulas on a thousand-year-scale or longer-scales. Relevant studies can not only provide basic data for long-term stability evaluation of rock engineering (e.g., underground disposal of nuclear waste), and potentially promote studies on time-dependent behaviors of brittle rocks.

岩石力学行为长期时效性是岩石工程领域及相关学科面临的重要挑战之一，利用仅仅持续几个小时到几个月的蠕变破坏试验来预测百年、千年或以上尺度的长期强度有着极大的不确定性。岩石的蠕变是对其内部微结构渐进演化的宏观响应，与常规短时试验中脆性岩石的裂纹发展有着相似的物理机制。结合3座古洞室群的花岗岩、凝灰岩和砂岩样本及一系列原位岩石破裂实例，本项目拟在实验室开展基于微结构演化和声发射观测的常规短时加载试验及特征应力分析、基于天-月-年尺度的恒载蠕变试验及长期强度测定、基于十年-百年尺度的长期强度反演及有关的精细数值模拟试验。结合其他来源的强度数据及长期强度下限阈值分析，从多个时间尺度揭示脆性岩石裂纹演化的物理本质及强度退化机制，建立脆性岩石长期强度的多时间尺度效应模型、千年及以上尺度的预测方法和公式。有关成果不仅可以核废料地质处置等岩石工程的长期稳定性评价提供依据，还有望推动岩石力学行为时效性的研究。

岩石力学行为的长期时效性是岩石工程领域及相关学科面临的重要挑战之一，利用仅仅持续几个小时到几个月的蠕变破坏试验来预测百年、千年或以上尺度的长期强度有着较低的可靠性。脆性岩石的蠕变是对其内部微结构渐进演化的宏观响应，与常规短时实验中的裂纹发展有着相似的物理机制，相关的深入研究为脆性岩石长期强度的预测提供了理论依据。结合室内岩石力学实验、精细数值模拟、理论分析及古洞室群原位岩石破裂实例，本项目开展了物质组成对脆性岩石力学参数的影响、脆性岩石变形破坏过程中特征应力水平取值方法、恒载蠕变试验设备的研制、基于古代岩石工程原位岩石破坏的长期强度反演、长期强度预测方法等多个方面的分析和研究。基于上述工作，获得的主要成果如下：.（1）阐明了矿物颗粒组成对脆性岩石力学的影响规律，揭示了矿物颗粒对峰值强度、弹性模量及泊松比的粒径尺寸效应和粒径非均质效应；.（2）基于体积应变法和声发射法，对比分析了脆性岩石裂纹启动应力水平和裂纹损伤应力水平取值方法的优缺点，建议了较为可靠的取值方法；.（3）研制了可用于年尺度恒载蠕变破坏实验的技术，可为相应尺度的脆性岩石强度数据和蠕变特征研究提供实验平台；.（4）给出了基于古代岩石工程原位破裂及失稳的长期抗拉强度反演方法，可以为十年、百年甚至更长时间尺度的长期强度数据提供了参考；.（5）开发了基于裂纹次临界扩展的脆性岩石蠕变破坏模拟的程序，可以用于千年及万年尺度的长期强度和长期稳定性预测。.有关成果不仅可以核废料地质处置等岩石工程的长期稳定性评价提供依据，还有望推动岩石力学行为时效性的研究。