水化学作用下饱和脆性砂岩蠕变损伤机理与细观力学模型

Creep damage model considering the chemistry of pore fluid is one of the most fundamental researches in the field of rock mechanics and geotechnical engineering. This project employs synthesis approaches of indoor test, theoretical modeling and numerical simulation, to study the creep damage evolution and constitutive equation of saturated brittle rocks under chemically active pore fluid. Typical brittle sandstones from Dazu Rock Carvings, Chongqing are selected as the study object. Mechanical tests combined with microstructure observations are conducted to investigate the micro-mechanism of stress corrosion of both distilled water and acid rain, and reveal the micro-processes of subcritical crack growth and damage evolution during creep. Based on testing results, homogenization method used in micromechanics, fracture mechanics and the irreversible thermodynamics are adopted to establish the micromechanics-based creep damage model for saturated brittle rocks under chemically active pore fluid. Afterwards, computational program is developed to predict the mechanical responses and damage evolution during creep considering the chemistry of pore fluid. This program is then adopted as the constitutive model in combination with finite element program to evaluate the long-term stability of Dazu grottoes under acid rain. All these above work can deepen our knowledge on the mechanism of rock creep under chemically active pore fluid, and provide theoretical references for the deformation and damage analysis of saturated quasi brittle rocks. The research results can be widely used in engineering projects involving saturated brittle rocks, such as the geological deposit of nuclear waste, deep-buried diversion tunnels, undersea tunnels and so on.

水化学作用下岩石蠕变损伤模型研究是岩石力学领域前沿基础性课题之一。本项目采用试验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法，系统研究水化学作用下脆性岩石的蠕变损伤破坏机理及细观本构模型。以重庆大足石刻脆性砂岩为研究对象，以宏观力学试验和细观结构观测为手段，查明蒸馏水和酸雨溶液应力腐蚀细观机理；揭示水化学作用下砂岩蠕变亚临界裂纹扩展的细观机制及损伤演化规律。基于试验结果，采用细观力学均匀化方法，融合断裂力学和不可逆热力学，构建考虑水化学作用的细观蠕变损伤模型。研发高效数值分析程序，预测水化学作用下岩石蠕变损伤演化及其对宏观力学行为的影响，并结合有限元程序对酸雨作用下大足石窟的长期稳定性进行评估。研究成果有助于深化水化学作用下岩石蠕变机理的认识，为脆性岩石时效性变形破坏分析提供理论依据，并广泛应用于核废物地质处置库、深埋长大引水隧洞群、海底隧道以及涉水岩质边坡等众多需考虑水化学作用的岩石工程。

工程岩体在长期服役过程中不仅承受各种荷载，还受到所处水化学环境的侵蚀，尤其在石质文物保护、核废物地质处置、二氧化碳地质封存、深埋长大引水隧洞开挖以及涉水岩质边坡等工程中，普遍涉及水化学作用下岩体长期稳定性的关键科学问题。本项目采用试验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法，系统研究了水化学作用下脆性砂岩的蠕变损伤破坏机理及细观本构模型。首先通过开展镜下岩石薄片滴定试验和岩石浸泡水化学测试，揭示了蒸馏水和酸溶液作用下砂岩矿物可能的化学腐蚀机理及其对岩石细观结构的影响；通过开展砂岩单裂隙的三点弯试验并采用高速摄像机观测加载过程中裂纹的扩展速率、扩展路径与裂纹形貌，获取了水化学作用下岩石裂纹的扩展规律；通过开展砂岩的三轴蠕变试验辅以CT三维重构技术，获取了不同水化学作用下砂岩的蠕变特性以及岩样内部的裂纹特征，查明了水化学作用下砂岩蠕变损伤演化规律。研究结果表明：酸溶液在前期与砂岩反应剧烈，但形成的石膏在裂纹表面附着后，会阻止反应的继续进行，而蒸馏水对砂岩结构的弱化随着时间的推移持续进行，蒸馏水对砂岩强度的长期弱化作用更为显著。高速摄影机拍摄的图像显示，所有试样的裂纹扩展速率在20-60mm/s之间变化，酸腐蚀岩样的裂纹扩展速率明显大于干燥和水饱和岩样。水/酸溶液与砂岩之间可能发生的化学反应主要是胶结物（方解石）的溶解和长石的侵蚀，导致岩石强度降低、裂纹长度增大（即沿晶界的弯曲度更大）、以及裂纹扩展速率提高。基于以上试验结果，获取了不同化学溶液对砂岩的应力腐蚀因子，建立了与时间相关的蠕变损伤准则；在此基础上，进一步构建了可描述蠕变全过程的蠕变损伤模型，为岩石损伤演化全过程分析、长期强度和破坏时间估算等提供理论支撑。同时，建立了可模拟不同矿物分布的岩石蠕变离散元模型，该模型采用不同的应力腐蚀因子表达不同化学活性溶液应力腐蚀速率的不同，为考虑水化学作用的岩石工程的长期稳定性评价提供了数值基础。