基于细观力学的饱和脆性砂岩各向异性损伤机理与本构模型研究

Micromechanics-based damage model for saturated quasi brittle rocks 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 anisotropic damage evolution and constitutive equation of saturated brittle rocks under interstitial fluid pressure. Typical brittle sandstones from Three Gorges reservoir is selected as the study object. SEM (Scanning Electron Microscope) is used to investigate the typical microstructures of the studied sandstone and provide references for the determination of initial damage parameters. Triaxial compression tests combined with synchronous acoustic emission and ultrasonic velocity tests under different interstitial fluid pressures are conducted on saturated sandstones using MTS testing system, so that the anisotropic damage evolution and failure mechanism of saturated sandstone can be revealed. Based on testing results, homogenization method used in micromechanics, the irreversible thermodynamics and elastoplasticity theory are adopted to establish the micromechanics-based damage model for saturated brittle rocks by strictly following the upscaling procedure. Afterwards, computational program which is capable of calculating the mechanical responses and damage evolution under triaxial compression and other loading paths is developed. All these above work can 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 and carbon dioxide, excavation of deep-buried diversion tunnel, under water dam foundation and so on.

饱和脆性岩石的细观损伤本构模型是岩石力学领域前沿基础性研究课题之一。本项目采用室内试验、理论建模和数值分析相结合的方法，研究饱和脆性岩石孔隙水压力作用下的各向异性损伤演化机理与本构模型。以三峡库区典型脆性砂岩为研究对象，运用扫描电镜(SEM)获取砂岩的典型细观结构，为确定初始损伤参数提供依据；利用MTS试验系统对饱和砂岩进行不同孔隙水压力作用下的三轴压缩试验，并同步进行声发射和超声波速测试，揭示饱和砂岩各向异性损伤演化规律和破坏机理；基于试验结果，采用细观力学均匀化方法，融合不可逆热力学理论、弹塑性理论，建立严格基于尺度扩展的饱和脆性岩石细观损伤模型；研发可计算三轴压缩及不同应力路径下岩石力学响应及损伤演化的程序，为饱和脆性岩石的变形破坏分析提供理论依据，研究成果可广泛应用到核废物地质处置、二氧化碳地质封存、深埋长大引水隧洞群开挖、坝基以及涉水岩质边坡等众多与饱水岩石相关的岩石工程领域。

饱和脆性岩石的细观损伤机理与本构模型研究是岩石力学领域前沿基础性课题之一，研究成果可为饱和脆性岩石的变形破坏分析提供理论依据，并广泛应用到核废物地质处置、二氧化碳地质封存、深埋长大引水隧洞群开挖、坝基以及涉水岩质边坡等众多与饱水岩石相关的岩石工程领域。本项目采用室内试验与理论分析相结合的方法，研究饱和脆性岩石空隙水作用下的各向异性损伤演化机理与本构模型。主要研究内容包括：（1）对三峡库区典型砂岩岩样进行了物理和力学试验。力学试验包括：利用 MTS 试验系统对天然和饱和岩样进行单轴压缩试验，并同步进行声发射监测和超声波波速测试，从而得到岩石破坏过程中宏细观损伤演化规律。（2）对比研究了单轴压缩条件下天然和饱和岩样破裂过程中的声学规律，在此基础上分析空隙水对岩石损伤演化的影响。（3）基于试验结果，运用细观力学均匀化理论，在不可逆热力学理论框架内建立了岩石的弹塑性损伤本构模型。研究结果表明：（1）典型砂岩岩样在单轴压缩至破坏的过程中，沿岩样径向和轴向的超声波波速均随着岩石损伤发展不断降低，在接近峰值强度时径向波速减小至接近零，此时轴向波速仍保持较大值。径向波速的变化对岩石破裂过程更加敏感、精确。引入波速各向异性系数 用以类比加载过程中诱发损伤的各向异性特征。由 随轴向应力比的变化规律可以将岩石破裂过程分为弹性压密、裂隙稳定发展和裂隙不稳定发展（破裂）三个阶段。（2）峰值强度以前，饱和岩样的波速减小速率大于天然岩样，表明空隙水的作用加速了岩石的损伤进程；峰后饱和岩样波速呈连续缓慢降低，而天然岩样峰后波速出现跌落现象。（3）主要声发射参数（事件率、能率和声发射率）在最初的弹性压密阶段较为稀疏，随着损伤的发展逐渐变密，显示小而密的裂隙主要产生在加载初期，大而疏的裂隙主要产生在破裂后期，与声波波速各向异性系数划分的三个阶段对应较好。（4）应力水平相当的情况下，饱和岩石产生初次声发射信号的时间较晚，但出现首次加密的时间却早于天然岩石；声发射定位图显示天然岩样前期的声发射活动主要集中在岩石端部，之后沿着主破裂面方向发展，而饱和岩样前期没有出现事件群集现象。（5）基于试验得到的岩石各向异性损伤演化规律，运用细观力学均匀化理论，在不可逆热力学理论框架内建立了岩石弹塑性损伤本构模型。模型采用二阶损伤张量描述不同法向的微裂纹引起的材料各向异性损伤，从而可以描述损伤发展的主方向。