硬岩的水软化机制研究

With the construction development of the national infrastructure and the implementation of the national strategy of 'One belt, one road', the expansion of international market and the internationalization of construction codes are becoming a routine work for civil engineering. Uniaxial or unconfined compressive strength (UCS) of rock is one of the most fundamental parameters in rock mechanics and is widely used in engineering rock classification, insitu stress rating and evaluation of strength parameters of rock masses. However, there exist great difference in the usage of UCS in the construction codes of China and abroad, thus inhibiting the process of the internalization of the related codes. The reasons are that the moisture-induced softening mechanism is not sufficiently investigated. Though there are many test results, but theoretical analysis is deficient, especially the meso-mechanical analysis at mineral scale. The application is meant to use the updated techniques to test minerals, meso-structures and strength of hard rocks, combined with theoretical and numerical analysis at meso-scale (Lattice Blotzmann Method, LBM), to clarify the most important factors influencing their softening behaviors and to reveal the moisture-softening mechanism of hard rock from two aspects, i.e. water-rock interaction and stress corrosion, thus to improve the theory of rock mechanics and to provide theoretical basis and data support for the possible revision of related rock test or classification standards.

随着我国基础设施建设的发展以及国家一带一路经济发展战略的实施，土木工程国际市场拓展、以及相应的建设规范和标准的国际化已成为一种趋势。岩石单轴抗压强度（UCS）是岩石力学的最基本参数之一，在工程岩体分级、初始地应力分级和岩体强度参数评估中得到广泛应用，但是我国现行标准与国际流行标准对其使用存在较大差别，制约了标准的国际化进程。原因主要是硬岩的水软化机制研究不充分，试验成果多，但是理论分析成果少，特别是缺乏矿物学层次的细观研究成果。申请通过对硬岩岩石学特征、岩石物理学特征和力学特性等的全面测试试验、理论分析与细观尺度的数值模拟（格子玻尔兹曼方法，LBM），分析影响硬岩水软化特性的主要因素，从水岩作用机制和应力腐蚀两个方面揭示硬岩的水软化机理。研究成果可为完善岩石力学理论，以及相关岩石规范的修订提供理论基础与试验依据。

由于岩石含有微裂纹、微孔隙等缺陷，环境中的水易进入而发生水岩相互作用，引起岩石强度、变形等物理力学性能的劣化，即岩石的水软化现象。岩石水软化对岩体工程的长期稳定和安全造成严重威胁。因此，硬岩的水软化机制研究对完善岩石力学理论和指导岩体工程实践具有重大价值和意义。针对硬岩水软化机制中的孔隙水压力效应、摩擦弱化效应和应力腐蚀效应，项目采用理论分析、测试试验、数值模拟等手段，系统研究了灰岩、大理岩、花岗岩、人造石英的力学水软化特性，取得的主要成果如下：（1）建立了岩石微观破裂型式的声发射主频判别方法，为硬岩水软化机制分析奠定了基础；（2）获得了典型硬岩强度、弹性模量、破坏形态等的水软化特征和声发射响应特征；（3）提出了确定岩石裂纹活动关键点应力的新方法，结合微结构测试，从微观角度揭示了饱和硬岩的渐近破坏过程；（4）基于声发射波形信号主频统计分析和ANSYS数值模拟，得到孔隙水压力机制与岩石微观破坏（声发射主频）之间对应关系。阐述岩石强度率效应的本质，厘清了率效应和孔隙水压力影响岩石强度的主次地位；（5）提出了基于AE信号频谱特征的应力腐蚀量化识别方法，揭示了应力腐蚀对硬岩的影响机制，获得了应力腐蚀与应力水平、水环境、断裂模式和时间效应之间的物理联系；（6）培养博士研究生4名和硕士研究生3名，发表学术论文14篇，其中SCI论文10篇，EI论文4篇。研究结果表明，对不含石英类岩石，硬岩水软化的原因是岩石类材料抗拉强度远小于抗压强度，加载速率越快，透水性越差，微观拉破坏增加，软化效应越明显；对含石英的岩石而言，应力腐蚀是其饱和强度下降的主要原因，应力越大，或水介质供给越充分，软化效应越明显。