水-岩作用下岩石裂隙的多尺度劣化规律与抗剪强度准则研究

It is well known that water is one of the important factors that affect the stability and safety of high slopes and deep tunnels in fractured rocks, and the water-rock interaction is probably the main mechanism responsible for rock weakening and damage. Therefore, it is essential to understand the long-term mechanical behavior of fractured rocks under water-rock interaction. This project will focus on the typical sandstone and granite fractures from Three Gorge area, China. Rock fractures will be treated using different chemical solutions, and then laboratory and in-situ direct shear tests will be carried out, in order to investigate the multi-scale effect of water-rock physical/chemical interaction on the fracture shear strength. Acoustic emission and laser scanning will also be used to monitor the possible water-rock interaction induced damage in/on fracture walls, from a micro-cracking perspective. Based on experimental results, a theoretical model that represents changes in fracture shear strength resulting from water-rock interaction will be derived and calibrated. Compared with equivalent continuum approaches, discrete element models, which can explicitly depict the geometry and contact mechanisms of fracture networks, will be used in this project. By integrating the proposed fracture shear strength criterion consider water-rock interaction into the popular discrete element code UDEC, the capability of using UDEC to model the coupled thermal-hydraulic-mechanical-chemical processes in fractured rock will be improved. Based on the reservoir slopes and deep underground tunnels, numerical modeling of near and far field scales will be performed, aiming to achieve a better understanding of the role of water-rock interaction in weakening of fractured rocks.

水电站库岸边坡、深埋隧洞等工程常处于水环境之中，水–岩作用是导致工程裂隙岩体发生灾变的主要原因之一，其中的关键科学问题是准确预测裂隙岩体力学性质在水–岩作用下的时空演化规律。以三峡库区砂岩裂隙、花岗岩裂隙为主要研究对象，开展不同水化学溶液、不同饱水时长等条件下的室内和现场多尺度岩石裂隙直剪试验，并结合声发射、激光扫描等测量手段，揭示岩石裂隙抗剪强度在水–岩物理化学作用下的劣化规律及内在机理，提出表征裂隙遇水劣化的参数指标，建立定量反映水–岩作用效应的岩石裂隙饱水抗剪强度准则，进一步发展基于离散元的裂隙岩体多场耦合数值模拟方法，以发挥离散元模型在精细刻画多尺度岩石裂隙方面的优势。依托水电站库岸边坡、深埋隧洞等工程，开展近场、远场等不同尺度的数值模拟与参数校正，研究宏观裂隙岩体力学性质在水–岩作用下的劣化效应及其对工程裂隙岩体稳定性的影响机制，为重大岩体工程全生命周期安全性评价提供理论支撑。

水−岩作用是导致裂隙岩体发生灾变的主要原因之一，其中的关键难题是准确预测裂隙岩体力学性质在水−岩作用下的时空演化规律。本项目围绕裂隙岩体水−岩作用机理与理论模型等关键科学问题，开展了水−岩作用对岩石裂隙力学行为的影响规律、考虑水−岩作用效应的岩石裂隙抗剪强度准则、基于离散裂隙网络模型的裂隙岩体水−岩作用模拟方法、水−岩作用下工程裂隙岩体变形失稳机制等内容的研究。经过四年的努力，取得的主要研究成果如下：.（1）厘清了岩石裂隙水−岩力学、物理、化学作用的基本概念，研发了可在饱水条件下进行岩石裂隙直剪试验的设备，开展了四类不同的岩石裂隙室内直剪试验，揭示了水−岩物理、化学作用对岩石裂隙力学行为的影响规律。.（2）通过摩擦学表/界面试验设备拓展了岩石裂隙接触凸起体细观力学行为试验方法，开展了四类不同的细观试验，揭示了水−岩物理、化学作用影响岩石裂隙力学行为的细观机制。.（3）给出了基于常规力学参数的岩石裂隙有效应力系数计算公式、考虑水−岩作用效应的岩石裂隙抗剪强度准则、以及将剪应力与裂隙抗剪强度比值作为描述裂隙临界状态的定量指标。.（4）发展了基于离散裂隙网络模型的裂隙岩体水−岩作用模拟方法，阐明了水−岩作用下工程裂隙岩体变形失稳灾变机制。.在本项目资助下，共发表学术论文30篇，其中JCR Q1区SCI期刊论文24篇；授权国家发明专利2项、软件著作权2项；出站博士后3名，毕业博士研究生2名、硕士研究生2名；获中国岩石力学与工程学会自然科学一等奖（第一完成人）。项目负责人入选了国家级（教育部）青年人才计划（2020）；受邀做特邀/大会报告4次，作为执行主席承办学术会议三次；应邀担任IJoG副主编（2021-）、JRMGE编委（2021-）、RMRE编委（2018-）等。