高地质应力状态下深部糜棱岩的脆性力学行为及其损伤本构模型

《Frontiers in Earth Science》：Brittle mechanical behavior and damage constitutive model of deep mylonite under the high geo-stress state

岩石在深埋高应力环境下的脆性变形特性及损伤本构模型研究。通过三轴压缩试验和矿物微观分析，揭示糜棱岩在5-20 MPa围压下的应力-应变曲线特征及损伤演化规律，建立考虑参数a和r影响的损伤本构模型，分析其与峰值强度、损伤率的相关性，提出脆性指数概念用于工程岩体分级。

　　在深部地下工程的施工过程中，岩石的应力重分布常常会导致明显的应力-变形破坏特征。因此，研究岩石的应力-应变特性对于保障地下工程的安全施工与防护具有重要意义。本文通过一系列实验研究，重点探讨了在高围岩应力状态下，深部糜棱岩的脆性变形破坏特性，并基于实验结果建立了岩石损伤本构模型，同时分析了模型参数对岩石损伤行为的影响，进一步引入了脆性指数的概念，探索其在工程中的应用价值。

随着近年来深部资源开发和地下空间利用的迅速发展，深部工程对岩石力学行为的理解变得尤为重要。在这些工程中，岩石通常处于较高的地质应力状态，这对其力学响应产生显著影响。糜棱岩是一种由于强烈构造运动和典型的剪切变形而形成的岩石，其微观结构具有片理和矿物排列等特征，这使得其力学性能与完整岩石存在明显差异。以往的研究主要集中在浅层糜棱岩，发现其具有较低的强度和明显的延性变形特征。然而，在深部高应力条件下，糜棱岩的力学行为可能向脆性方向转变。例如，一些关于其他剪切变形岩石在高应力下的实验表明，随着围岩压力的增加，脆性破坏倾向也随之增强。因此，深入研究深部糜棱岩的脆性变形特性，对于提高地下工程的安全性和效率至关重要。

为了更全面地理解深部岩石的力学行为，本文从岩石的基本密度测试、岩石与矿物的微观测试以及三轴压缩试验等角度入手，获取了深部糜棱岩在高围岩应力状态下的脆性变形破坏特征曲线。同时，基于这些实验数据，构建了一个岩石损伤本构模型，并与三轴压缩试验结果进行了对比验证。模型的建立不仅有助于揭示岩石在破坏过程中的损伤演化机制，也为深部工程的稳定性分析和设计提供了理论支持。实验结果表明，围岩压力对岩石的弹性模量、峰值强度、残余强度、峰值应变等力学参数具有显著影响，多数参数随围岩压力的增加而提高，这说明围岩压力在一定程度上增强了岩石的变形能力和承载能力。

在研究过程中，通过引入损伤变量的概念，将岩石的破坏过程分为弹性变形阶段、损伤演化阶段和残余强度阶段。岩石在受力过程中，应力被分为弹性承载部分和损伤承载部分，两者的比例决定了岩石的总体响应。为了更精确地描述岩石的损伤演化过程，本文采用了一种基于逻辑斯蒂函数的损伤演化模型，该模型能够很好地拟合实验数据，反映了岩石从弹性变形到脆性破坏的全过程。通过实验数据与模型曲线的对比，发现模型能够很好地模拟岩石的应力-应变关系，以及脆性变形和破坏过程，从而为岩石力学行为的预测提供了可靠的工具。

模型中的两个关键参数——a和r，分别对岩石的峰值强度和脆性特性产生影响。其中，参数a主要控制岩石的峰值强度和脆性破坏的临界应变，而参数r则对峰值强度和损伤演化过程中的脆性特性产生影响。通过对这两个参数变化的分析，可以进一步理解它们在岩石损伤演化过程中的物理意义。例如，当参数a增加时，岩石的峰值强度也相应提高，同时其脆性破坏的临界应变向后移动，表明岩石的脆性破坏行为在不同a值下呈现出不同的演化趋势。而当参数r减小时，岩石的峰值强度降低，脆性破坏的临界应变也相应减小，这表明r在一定程度上影响了岩石的脆性特性。

此外，本文还引入了脆性指数的概念，作为评估糜棱岩力学性能的一种新方法。脆性指数可以从三个方面进行考量：首先，它可以量化围岩压力对岩石脆性的影响，例如通过应力下降幅度（BI1）和损伤演化速率（BI2）来衡量围岩压力与脆性的负相关关系。实验数据显示，当围岩压力从5 MPa增加到30 MPa时，脆性指数从0.82下降到0.35，且下降速度逐渐放缓，这与深部工程中“随着埋深增加，糜棱岩的破坏模式从脆性向延性转变”的现象高度一致，为深部隧道支护方案的优化提供了定量依据。其次，脆性指数能够揭示岩石损伤演化与脆性的内在联系，表明岩石的脆性本质是其内部损伤快速积累和扩展的外在表现。这一机制的发现有助于将脆性评估从单纯的“现象描述”推进到“机制量化”的层面，从而为长期载荷作用下糜棱岩脆性退化的预测提供了理论基础。最后，脆性指数可以作为工程岩体质量分级的重要指标，弥补了传统分级体系（如RMR和Q系统）在脆性考虑方面的不足。

综上所述，本文通过实验研究，揭示了深部糜棱岩在高围岩应力状态下的脆性变形破坏特征，并基于实验数据构建了一个能够准确描述其力学行为的岩石损伤本构模型。研究结果表明，该模型在描述岩石的应力-应变变形破坏过程方面具有较高的拟合精度，能够反映岩石从弹性变形到脆性破坏的全过程。模型参数a和r在岩石的脆性行为和损伤演化过程中扮演重要角色，它们的物理意义可以通过对实验数据的分析得到充分揭示。此外，脆性指数的引入为岩石力学性能的定量评估提供了新的思路，有助于在实际工程中更准确地预测和控制岩石的破坏行为。

本研究的成果不仅丰富了岩石力学理论体系，也为深部地下工程的稳定性分析和施工设计提供了重要的理论依据。未来，可以进一步结合现场监测数据，验证模型在实际工程中的适用性，并探索其在不同地质条件下的通用性。同时，可以结合更广泛的岩石类型和工程场景，推动岩石损伤本构模型的不断完善，以提高其在复杂地质条件下的预测能力。此外，脆性指数的应用还可以扩展到其他类型的岩石和工程材料，为岩土工程的科学化、智能化发展提供支持。通过不断深化对岩石损伤演化机制的理解，可以更好地应对深部工程中可能出现的地质灾害，提升工程的安全性和经济性。