应力—腐蚀耦合作用下岩石流变失稳过程的细观机理及模型研究

In the mining and hydroelectric engineering, the water, moisture and temperature conditions always cause the rhelogy instability, even result in hazards. Threrefore, this project is aim to study the mesoscopic mechanism and the model of rheology in rock as it under the corrosive environments conditions. The experimental,theoretical and numerical methods are used to study the corrosion media transfer,stress corrosion,mesodamage evolution and rhelogical instability processes. By using the SEM, CT, MTS, double twist, four points loading equipment and the chemical kinetics, meso-damage mechanics theory, we will study on the mechanism of mechanical properties variation in rock under corrosive environment, propose a diffusion model of corrosive media in the rock, and establish the meso-damage constitutive law based on the stress-corrosion coupling. Furthermore, we also implement the numerical model on the high-performance computing system. Finally, by studying the crack initiation, propagation and coalescence process during the stress corrosion induced rheological instability, it will further reveal the internal mechanism of rheological phenomena, and helpful for the long-term rheological instability controlling, forecasting and applications.

本项目以矿山、水电等岩体工程经常存在的水、汽、热等腐蚀环境中的流变失稳灾害为研究背景，围绕腐蚀介质迁移-应力腐蚀-损伤演化-流变失稳的研究主线，深入开展腐蚀环境中岩石流变失稳的细观机理、理论与模型研究。运用SEM、CT、MTS、双扭、四点杠杆式加载等细宏观实验手段，以及化学动力学、细观损伤力学等理论，研究腐蚀环境下岩石力学性质变异的机理，揭示应力-腐蚀之间的耦合作用机制，建立基于腐蚀过程的岩石细观损伤演化本构关系，提出腐蚀介质在岩石中的扩散模型，建立描述应力-腐蚀耦合作用下岩石流变失稳的数值模型，实现基于高性能并行计算机系统的破坏处理、方程求解与模型显示。通过深入探讨应力腐蚀诱发岩石流变失稳过程中的裂纹萌生、扩展和贯通机制及时空演化规律，揭示岩石流变现象的内在演化机理，为岩石流变失稳控制与防治、工程岩体长期稳定性预测提供基础理论和研究方法。

本项目以矿山、水电等岩体工程中经常存在的水、汽、热等腐蚀环境中的流变失稳灾害为研究背景，围绕腐蚀介质迁移—应力腐蚀—损伤演化—流变失稳的研究主线，深入开展了腐蚀环境中岩石流变失稳的细观机理、理论与模型研究。运用SEM、MTS等细宏观实验手段，以及细观损伤力学、统计力学等理论，研究了腐蚀环境下岩石力学性质变异的机理等。本项目的主要研究成果包括：（1）建立了修正的岩石断裂准则，提出了具有普适性的裂纹尖端非奇异应力的数值解法；（2）建立了腐蚀损伤深度随时间的演化方程，研究了损伤的定量化以及应力—腐蚀之间的耦合作用关系，探索了细观损伤与宏观破裂过程之间的内在本质联系；（3）揭示了腐蚀过程中水分在岩石中的传输与扩散、裂隙的产生—扩展—演化规律，建立了腐蚀介质在岩石中的扩散模型，探讨了渗透或扩散过程中受腐蚀岩样力学性质变异性的机理，提出了基于腐蚀过程的岩石细观损伤演化方程；（4）获得了水环境或者湿度环境下岩石应力腐蚀影响的定量描述，建立了温度、水作用下岩石细观损伤演化的方程；（5）提出了应力—腐蚀耦合作用下岩石流变失稳过程的细观破坏机理研究的力学模型，实现了基于高性能计算平台的数值模型。研究成果为岩石流变失稳控制与防治、工程岩体长期稳定性预测提供基础理论和研究方法。在本研究的资助下，发表研究论文27篇，其中SCI收录18篇，EI收录24篇，申请发明专利7项，培养博士生1名、硕士生4名。