海下饱水腐蚀岩石动力学特性及累积损伤机理研究

An increasing number of undersea rock engineering projects are being conducted with the exploitation and utilization of undersea mineral and space resources. The dynamic disturbance such as frequent blasting during the undersea mining and tunneling can be taken as an impact loading process of saturated corroded rock. Focusing on the feature, the definition and quantitative characterization of damage variable will be firstly determined based on the relationship between macro physical parameters and micro characteristic parameters of rock, and the inherent influencing mechanism of corrosion to the initial damage of rock will be investigated. On this basis, the impact dynamic tests of saturated corroded rock will be conducted systematically, and the dynamic fracture behavior, strength law and dynamic properties under different corrosion conditions will be studied. Then uniaxial cyclic impact tests will be further carried out, and the dynamic damage evolution law of saturated corroded rock will be obtained combining theory of damage mechanics and microscopic damage structure analysis. In the end, the constitution relationship and failure criterion of saturated corroded rock under dynamic disturbance will be established, further numerical simulation will be carried out, and the dynamic damage failure mechanism of saturated corroded rock will be revealed, which will serve as theoretical foundation for the disaster control and safe excavation of undersea rock engineering projects.

随着海下矿产及空间资源的开发利用，海底下的岩石工程越来越多，在海下采矿或海底隧道开挖中的频繁爆破等动力扰动，相当于一种针对岩石饱水腐蚀作用后的动力冲击加载过程。依据这一特点，首先通过宏观物理参数与细观特征参量之间的关系，确定饱水腐蚀后岩石的损伤变量定义和定量表征方法，研究不同腐蚀程度对岩石初始损伤程度的内在影响机制；在此基础上，系统进行饱水腐蚀岩石的冲击动力学试验，研究海下饱水腐蚀岩石的动态破裂行为、强度规律和动力学特性；然后进一步开展循环冲击试验，结合损伤力学理论和岩石细观损伤结构分析，获得饱水腐蚀岩石的动态损伤演化规律；最后建立适用于饱水腐蚀岩石在动力扰动下的本构关系和破坏准则，进一步开展数值模拟研究，揭示饱水腐蚀岩石的动态损伤破坏机理，从而为海下岩石工程的灾害控制和安全开挖提供理论依据。

本项目为了解并掌握海底饱水条件下不同腐蚀程度的花岗岩的力学响应特性以及在动荷载扰动下的损伤特性。通过现场取样，并制备干燥、半饱和、饱和三种不同含水状态的岩石芯样并进行常规物理特性测试，首先对不同含水状态岩芯进行CT微观分析，建立微观损伤关系，并从常规力学实验试验中得出岩石强度与饱和系数之间的关系，得出不同含水量岩石的物理力学参数。随后，采用SHPB装置对三种不同含水状态岩石芯样进行单轴压缩实验，得到岩石芯样在4种较低冲击能量和4种较高冲击能量的单次作用下以及在单一较低能量不同冲击次数下的动力学响应特性，对比不同饱和系数岩石芯样的实验数据，得到相关规律。实验完成后，采用CT机对受到冲击并发生损伤的岩石芯样进行测试，得到不同含水岩石的损伤特性以及相关规律。最后，从理论分析以及数值模拟的角度对饱水岩石的破坏进行研究，得出不同含水岩石发生破坏的规律。主要结论如下：芯样在不同含水量情况下的岩石密度、波速随着饱和系数的增加而增加，岩石强度则随着饱和系数的增加而减小。采用SHPB装置研究不同饱和系数岩石芯样的动力学特性可知，含水量越大，岩石的动态响应越强烈，但动态强度越低。而由循环冲击试验可知冲击次数的增加导致岩石平均应变率的增加，而强度则有着不同程度的减小，随着冲击能量越大，冲击次数越高，岩石孔隙度增加值越大。但在大的冲击能量及较多冲击次数作用下，除了破坏处，岩石内部出现了明显的斑纹，说明出现了裂隙或孔隙度集中增加的现象。通过模拟得出，在相同冲击能量作用下，岩石层裂厚度及破坏程度随岩石含水量的增加而增加。通过上述研究，揭示饱水腐蚀岩石的动态损伤破坏机理，从而为海下岩石工程的灾害控制和安全开挖提供理论依据。