应力–水流–化学耦合下岩石破裂全过程的细观力学试验

自行研制了应力–水流–化学耦合下岩石破裂全过程的细观力学试验系统，可以进行应力–水流–化学耦合下的多项岩石力学细观试验，实现了应力–水流–化学耦合下岩石破裂全过程的显微与宏观实时监测、控制、记录与分析的岩石力学试验。对不同化学溶液腐蚀的多裂纹灰岩试件，应用该系统进行了应力–水流–化学耦合下单轴压缩破坏全过程的试验。试验过程中试件一直浸泡在流速为513 mm/s的相应的化学溶液中，对NaCl溶液(0.01 mol/L，pH = 7)作用下裂纹的起裂、发展及贯通破坏过程进行了分析研究。与未受化学溶液腐蚀的相同裂纹排列方式试件的试验结果比较，受化学溶液腐蚀与未受化学溶液腐蚀试件裂纹扩展破坏过程差异的主要原因为化学溶液对试件产生了腐蚀及软化作用，而未受化学溶液腐蚀试件的破坏则为脆性破坏。试验研究结果证明了该系统的科学性和先进性。     

应力-水流-化学耦合下岩石破裂全过程的细观力学试验

自行研制了应力–水流–化学耦合下岩石破裂全过程的细观力学试验系统,可以进行应力–水流–化学耦合下的多项岩石力学细观试验,实现了应力–水流–化学耦合下岩石破裂全过程的显微与宏观实时监测、控制、记录与分析的岩石力学试验。对不同化学溶液腐蚀的多裂纹灰岩试件,应用该系统进行了应力–水流–化学耦合下单轴压缩破坏全过程的试验。试验过程中试件一直浸泡在流速为513 mm/s 的相应的化学溶液中,对NaCl 溶液(0.01 mol/L,pH = 7)作用下裂纹的起裂、发展及贯通破坏过程进行了分析研究。与未受化学溶液腐蚀的相同裂纹排列方式试件的试验结果比较,受化学溶液腐蚀与未受化学溶液腐蚀试件裂纹扩展破坏过程差异的主要原因为化学溶液对试件产生了腐蚀及软化作用,而未受化学溶液腐蚀试件的破坏则为脆性破坏。试验研究结果证明了该系统的科学性和先进性。     

岩石应力-水力-化学耦合过程研究进展

首先介绍国际合作DECOVALEX计划的概况和研究进展，阐述中国参加该合作计划研究的必要性和重要意义。对国内外在岩石应力-水力-化学耦合过程方面的主要研究进展进行简略概述，并重点总结了DECOVALEX计划Task_B及中国科学院武汉岩土力学研究所的研究课题组所取得的主要研究进展，包括：（1）开展了岩石应力-化学耦合条件下的单轴、三轴压缩试验、细观力学试验和CT扫描试验的系统研究和分析；（2）建立了岩石破裂过程的弹塑性和应力-渗流耦合细胞自动机模型，并用于对岩石声发射活动的Kaiser效应、Ⅱ类曲线的形成机制以及孔隙水压力对岩石力学性质的影响规律和细观机制进行了模拟分析等。上述研究成果对于岩石应力水力-化学耦合过程研究起到了积极的推进作用。     

岩石应力–水力–化学耦合过程研究进展

首先介绍国际合作DECOVALEX计划的概况和研究进展，阐述中国参加该合作计划研究的必要性和重要意义。对国内外在岩石应力–水力–化学耦合过程方面的主要研究进展进行简略概述，并重点总结了DECOVALEX计划Task_B及中国科学院武汉岩土力学研究所的研究课题组所取得的主要研究进展，包括：(1) 开展了岩石应力–化学耦合条件下的单轴、三轴压缩试验、细观力学试验和CT扫描试验的系统研究和分析；(2) 建立了岩石破裂过程的弹塑性和应力–渗流耦合细胞自动机模型，并用于对岩石声发射活动的Kaiser效应、II类曲线的形成机制以及孔隙水压力对岩石力学性质的影响规律和细观机制进行了模拟分析等。上述研究成果对于岩石应力–水力–化学耦合过程研究起到了积极的推进作用。     

深埋大理岩破裂扩展时间效应的颗粒流模拟

 由于颗粒流程序(PFC)对岩石基本力学特性的描述是从颗粒间接触状态及其变化特征入手,因此PFC能够克服由于岩石本身细观特性所造成的描述上的困难,实现在岩石模型中对细观结构的模拟,而这些都是传统断裂力学理论无法解决的。针对锦屏深埋大理岩在破裂过程中表现出的时间效应,通过在平行黏结模型中引入损伤速率概念形成平行黏结应力腐蚀模型(PSC),结合室内大理岩静态疲劳破坏试验,确定PSC模型中的相关细观力学参数。利用PSC模型对锦屏深埋大理岩破裂扩展的时间效应的模拟,分析在不同驱动应力比作用下大理岩的变形特征、裂纹特征和破裂特征。研究结果表明,利用PFC能够展现出与岩石破裂过程相符的细观特征,而这些细观表现有利于更好地理解脆性岩石强度的时间效应。     

基于细观结构表征的岩石破裂热–力耦合模型及应用

 岩石热破裂的研究只有考虑各种矿物组分造成的岩石的非均匀性,才能更客观地反映岩石热破裂的本质。利用数字图像处理技术数字化表征岩石内部矿物颗粒的几何形态,充分考虑岩石真实的细观结构,结合细观损伤力学和热弹性理论,建立能更客观的分析岩石热–力耦合作用下破裂过程的数值模型。以花岗岩为例,运用数值模型研究花岗岩在温度和压缩荷载共同作用下的力学行为和破裂过程。研究结果表明,温度对岩石的力学性质和破裂演化过程影响显著,热破裂裂纹多发生在矿物颗粒边界处,并沿颗粒边界扩展,局部会形成闭合多边形,其热破裂演化过程与试验结果基本相符,从而验证了数值模型的合理性和有效性,该数值模型为细观尺度定量研究岩石热破裂提供一种新的方法。     

灰岩细观结构的化学损伤效应及化学损伤定量化研究方法探讨

化学腐蚀下岩石细观结构的改变是引起岩石力学性质变化的根本原因,因此,对细观结构的化学损伤效应及其定量化的研究具有重要意义。通过化学腐蚀下岩石细观结构的变化,分析研究了化学溶液对岩石细观结构的腐蚀损伤效应;并以空隙率的变化为基础,建立了化学腐蚀下岩石细观结构化学损伤变量计算公式,给出了损伤测量参数的计算方法。该方法的应用,对岩石试件无破坏作用,可对同一试件持续进行不同时间段的腐蚀损伤特征研究。避免了在损伤时间效应研究过程中,因使用不同的岩块,而由岩块间微观结构差异所产生的误差影响。     

岩石三维破裂过程的数值模拟研究

采用细观弹性损伤模型和有限元计算方法实现岩石三维破裂过程的数值模拟。考虑到岩石非均匀性的本质特征，通过引入简单直观的单元本构模型，采用细观单元材料性质退化的办法，利用位移加载来实现岩石逐渐破裂过干旱；模拟单轴压缩、单轴拉伸和剪切破裂3种基本试验，得到岩石非线性应力-应变曲线和不同载荷阶段三维损伤破裂演化系列图像；分析细观非均匀性对岩石宏观破裂力学行为的影响。试验研究表明，三维破裂比二维破裂更为复杂，RFPA^3D可以有效地模拟脆性材料的三维破裂。     

脆性岩石单轴循环加卸载试验及断裂损伤力学特性研究

 以向家坝砂岩单轴循环加卸载室内力学试验结果为基础,结合岩石内部微裂纹的细观力学分析,对脆性岩石单轴循环加卸载的应力–应变曲线特征、峰值强度及断裂损伤力学特性等进行研究。给出一种根据应力–应变曲线计算损伤变量的方法,损伤变量计算结果和声发射测试数据变化规律较为一致。试验结果表明,砂岩的循环加卸载强度要比单轴压缩强度要小很多,对于脆性岩石单轴循环加卸载的峰值强度来说,受到多种因素的影响。弹性常数计算结果表明,循环加卸载过程中泊松比逐渐增大,而弹性模量在第一次循环加卸载增大之后则缓慢减小。脆性岩石循环加卸载过程中,岩石损伤在逐渐累积,在微裂纹进入不稳定扩展阶段,岩石损伤会迅速增大,岩石宏观力学特性取决于内部微裂纹的细观力学响应。     

水岩化学作用对砂岩力学特性影响的试验研究

为研究水岩化学作用对砂岩力学特性的影响,将桃源水电站的红砂岩加工成标准圆柱形试样,对其进行不同化学溶液作用下的腐蚀试验,获得红砂岩化学腐蚀过程中相对质量变化规律,同时测量记录各化学溶液pH值。利用岩石三轴测试系统对各种化学溶液浸泡后的红砂岩进行三轴压缩试验,探讨不同的化学溶液对红砂岩力学特性的腐蚀效应,获得水化学溶液对红砂岩强度和变形特性的影响规律。结果表明,试样质量的变化和化学溶液性质有关,试样相对质量变化存在明显差异。pH=13的化学溶液pH值随时间的增长有小幅度下降,其余化学溶液pH值随时间增长均趋于弱碱性(pH≈7.9)。根据溶液pH值的变化、试样相对质量的变化,分析化学溶液对岩石的腐蚀程度。三轴压缩试验结果表明,不同化学溶液对红砂岩力学性质的影响不同。离子成分及pH值均对红砂岩力学特性产生较大影响,各种化学溶液腐蚀后岩石的峰值强度、残余强度、弹性模量均有不同程度的下降。室内试验的结果可为构建红砂岩化学腐蚀条件下本构模型提供重要的试验资料。     

受环境侵蚀的岩石细观破裂过程试验与实时观测

为了分析岩石在环境侵蚀下岩石的细观破裂行为，在已有岩石细观加载仪的基础上研制了侵蚀装置和数字显微观测系统。它可通过监视器对试件表面的裂纹扩展过程进行多角度的实时全场监视和局部显微放大监视，并且可对监视到的图像进行录像和计算机自动采集。利用该系统进行了长江三峡工程永久船闸区的花岗岩在水和水同化学溶液侵蚀下的单同压缩破裂过程试验，并观察到穿晶裂纹、绕晶裂纹以及沿晶裂纹的动态扩展全过程。     

水-岩化学作用的岩石宏观力学效应的试验研究

为了研究水－岩化学作用对岩石的宏观力学效应，在常温常压，不同循环流速条件下，对不同化学性质的水化学溶液作用下的花岗岩，红砂岩和灰岩进行了单轴抗压强度试验，取得了时效性的定量结果。结果表明：水化学作用后；3种岩石的强度均出现了不同程度的下降。分析发现：（1）水溶液对岩石的力学效应与水－岩化学作用密切相关；（2）岩石的化学损伤与水－岩化学反应强度成正比；（3）水－岩化学作用对岩石的力学效应具有很强的时间效应；（4）影响岩石化学损伤的主要因素有；岩石的物理性质和矿物成分，水溶液的化学性质，岩石的结构或物质成分空间分布的非均匀性，水溶液通过岩石的流动速率和岩石的成因及演化历史等5个因素。     

红砂岩的一种新的抗风化化学加固方法试验研究

以浙江龙游石窟群围岩的抗风化加固为研究背景,对红砂岩试件进行了多种化学材料处理方案的室内试验,通过对试验结果及相应试验参数的分析,提出了一种新的化学加固材料CRS。利用该材料进行加固时首先利用无机硅与砂岩的反应物填充岩石的孔隙,然后用有机硅与岩石中的羟基反应,以脱水缩合,达到加固目的。将岩石浸泡在该材料的溶液中,与浸泡前相比,岩石的弹性波速度增加15%左右,粘聚力增加50%,内摩擦角变化不大,在围压5 MPa时,三轴抗压强度增加50%左右。将选定的化学加固材料喷洒在龙游石窟的多处围岩表面上,岩体结构明显致密,加固深度大于3 cm,围岩的弹性波速度比加固前提高了5%(淋水岩体)～10%(较干岩体),加固将近1 a时间,被加固的岩石表面和内部均未发现颜色的明显改变。     

岩石细观结构量化试验研究

岩石是一种多尺度材料,以往的研究大多是在宏观尺度下进行的,由于岩石在外部荷载作用下的断裂乃至破坏是由于处于细观尺度的微裂隙的增长和贯通引起的,所以对处于细观尺度的微裂隙进行量化分析,对于了解和研究岩石的力学性质有一定的意义.首先,基于损伤理论建立一套岩石细观量化试验方法,利用扫描电镜对四川锦屏大理岩进行观测,得到大量岩石细观结构图片.基于数字图像处理理论,利用区域生长算法对图片进行处理,并编制相关程序实现图像增强和图像分割,从分割后的二值化图像中提取微裂隙的长度、方位角、宽度、面积和周长等细观信息.然后,利用统计学理论对获取到的微裂隙细观信息进行统计分析,得到各参数的统计规律,进一步利用Monte Carlo理论模拟岩石细观结构体积表征单元.最后,依据几何损伤理论得到岩石细观结构体积表征单元的初始损伤张量,将其引入到G.Swoboda的损伤理论中,模拟得到单轴压缩试验和常规三轴压缩试验的应力-应变关系,并与实际试验的结果进行比较.结果显示可以较准确模拟2种力学状态下的应力-应变关系.     

岩石CT密度损伤增量图像“阴阳环”现象的形成机制及其配准校正

通过对岩石试样在加载前后测得的CT数作差值运算,可获得岩石试样在不同应力阶段的CT密度损伤增量。在岩石CT密度损伤增量灰度图像中,试样边界被分成两半,其中一半为黑色,另一半为白色,这一现象称之为“阴阳环”现象。为揭示这一现象的形成机制,对岩石试样某一扫描断面在4个不同应力阶段CT图像的CT数分布进行对比研究。分析结果表明,加载阶段的CT图像相对初始CT图像发生错位。为查清图像错位与“阴阳环”形成之间的关系,建立“阴阳环”生成模型,同时揭示图像错位产生“阴阳环”现象的物理机制。在此基础上,对加载阶段的CT图像进行配准校正,消除密度损伤增量的计算误差。     

岩石水化学损伤的机理及量化方法探讨

提出了化学损伤概念，分别运用化学成分分析理论、能量观点、考虑化学操作的破坏力学方法，分析了岩石水化学损伤机理，并探讨了其定量方法。采用水－岩反应的大模式与小模式理论，解释了自然界中岩体的剧烈变形及破坏往往发生在暴雨或人类工程活动时的原因。探讨了岩石水化学损伤定量方法的研究途径，提出并分析了岩石水化学损伤的层次分区性。重点讨论了考虑化学损伤的破坏力学方法，认为此方法可以解释并定量分析水－岩反应的力学效应。     

水-岩化学作用之岩石断裂力学效应的试验研究

在常温常压，不断循环上，对不同化学性质的水溶液上的两种花岗岩和两种砂岩进行了断裂力学指标KIC和δc的三点弯曲试验。结果表明：（1）水－岩化学作用对岩石裂纹的断裂指标有显著的影响，并且具有时间效应。不同岩性，不同浸泡方式及不同水溶液流动速率对岩石断裂力学指标的影响存在着较大差异。总体上，水化学作用对断裂力学指标的影响程度与水－岩化学反应的强度成正比。（2）岩石中的含铁离子或钙离子的矿物及胶结物成分是水－岩化学作用力学效应的关键物质成分，其中含铁离子物质对水－岩反应的断裂力学效应具有正反两方面的水学效应。     

岩石卸荷损伤演化机理CT 实时分析初探

 利用作者已研制成功的与CT 机配套的专用三轴加载试验设备, 在国内外首次完成了岩石卸荷损伤断破裂坏全过程的实时CT 试验。得到了岩石卸荷损伤演化过程中从裂纹发育、扩展、贯通到断裂破坏全过程的CT 图像。通过与岩石连续加载破坏过程细观试验结果的比较发现, 岩石卸荷破坏比连续加载情形下岩石破坏更具突发性。由静态连续加载岩石细观损伤机理出发, 将静态岩石全过程曲线划分为5 个阶段。得到了卸荷条件下岩石损伤扩展的初步规律。