【摘 要】
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弱胶结岩石是广泛分布于我国西部地区的一类特殊岩石,具有成岩时间晚、胶结性差等特征,导致该类岩体工程大变形问题、支护困难易失效等灾害频发。弱胶结岩石物理力学行为受应力水平影响极为敏感且破坏机制复杂,是我国西部地区岩土工程问题中普遍面临的基础共性难题,揭示不同应力水平对弱胶结岩石变形、宏细观破坏力学机制,对指导相关工程设计、提高工程灾害预测预报准确性具有重要意义。本文以国家自然科学基金高铁联合基金重点
【基金项目】
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国家自然科学基金重点项目（No.U2034206）；
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弱胶结岩石是广泛分布于我国西部地区的一类特殊岩石,具有成岩时间晚、胶结性差等特征,导致该类岩体工程大变形问题、支护困难易失效等灾害频发。弱胶结岩石物理力学行为受应力水平影响极为敏感且破坏机制复杂,是我国西部地区岩土工程问题中普遍面临的基础共性难题,揭示不同应力水平对弱胶结岩石变形、宏细观破坏力学机制,对指导相关工程设计、提高工程灾害预测预报准确性具有重要意义。本文以国家自然科学基金高铁联合基金重点支持项目为依托,开展了粉砂岩单轴压缩、不同围压下三轴单调加载和三轴全应力加卸载试验,结合3D-DIC全场应变分析、声发射-超声波速一体化无损监测、CT三维重构和SEM断口分析等多种宏-微-细观研究手段,研究了单轴压缩下弱胶结岩石的三维非均匀变形和破坏特征、不同围压下岩石压密效应和应变能分配规律、全应力循环加卸载下岩石压密-损伤量化分离表征,明晰了围压、偏应力对弱胶结岩石孔隙、裂隙的作用效应,揭示了围压对弱胶结岩石宏细观破裂的影响机制,建立了裂隙压密-损伤破裂本构关系。主要成果如下:（1）综合采用3D-DIC、声发射-超声波速一体化监测、CT三维重构、声发射震源反演技术,开展了粉砂岩单轴压缩非均匀变形破坏测试,研究了粉砂岩整体宏观力学行为与特征应力的关系,分析了二维表观非均匀变形场、裂隙场演化规律和分区破坏特征,提出了三维微破裂大-中-小尺度定量划分标准,探讨了不同尺度微破裂的空间分布规律,揭示了峰前和峰后阶段主要和次要承力区域的转化机制。（2）通过不同围压下粉砂岩三轴压缩试验,分析了围压对体积扩容应力、弹性模量、泊松比、波速的影响,对比了弱胶结岩石体积扩容特征及泊松比与火成岩、变质岩、沉积岩的差异性,发现了弱胶结岩石具有显著的围压压密效应,研究了围压加载、偏应力加载阶段应变能的存储、积聚特征和峰后能量释放特征,探讨了不同变形阶段内围压对弱胶结岩石能量分配的影响。（3）为了开展了弱胶结岩石压密-损伤分离研究,设计了一套全应力循环加卸载试验,分析了围压加卸载、偏应力加卸载过程中超声波速实时响应特征,揭示了不同围压下超声波速演化规律与应力水平的关联性,厘清了三轴压缩下弱胶结岩石的压密-损伤特性,修正了岩石弹性波波速-孔隙度模型并进行了孔隙度反演分析。（4）基于CT三维重构技术分析了不同围压下粉砂岩宏观-微细观裂纹分布规律,研究了围压对粉砂岩渐进破坏过程中微裂纹模式和能量释放尺度演化的影响特征,揭示了低围压和高围压下弱胶结岩石宏细观破裂模式,采用SEM技术探讨了自然状态、单轴压缩、低围压和高围压下粉砂岩微细观断口形貌演变规律和围压作用机制。（5）根据等效介质理论建立了岩石裂隙压密系数和裂隙应变比,首次提出了 一种考虑岩石裂隙闭合量和压密效应的裂隙压密度模型,在Kachanov损伤变量的基础上建立了服从Weibull分布的岩石分布损伤度,最终构建了弱胶结岩石裂隙压密-损伤破裂本构模型,该模型可以准确描述三轴压缩下弱胶结岩石的变形全过程,也能科学地表示各个变形阶段内岩石的压密及损伤特征。
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