水—岩耦合研究是国际上岩石力学与工程地质学的学科前沿课题之一，软岩与水相互作用及其软化效应问题作为其中的重点和难点问题，已经成为学术界与工程界共同关注的焦点。“红层”作为具有代表性的一类软岩，在我国广为分布，也是华南地区的基底地层，具有在天然状态下较为完整、坚硬，力学性能良好，但遇水后短时间内迅速膨胀、崩解、软化、力学性质大幅度急剧降低的特点。软岩所具有的这种特殊的工程性质是许多重大工程灾害的根源之所在，迫切需要在其软化机制与变形破坏规律研究上取得突破。基于此，本文选择软岩软化机制与变形破坏过程力学效应这两个关键问题为切入点，以广东境内某供水改造工程为依托，首先在研究特殊软岩分布规律及其基本性质的基础上，设计并开展了软岩饱水软化试验，探讨了不同饱水时间下软岩结构、成分和物理力学性质的变化规律及应用；接着，为了对实际赋存环境下软岩与水耦合作用过程进行试验模拟，自行研制了“TAW-100水—应力耦合软岩细观力学伺服三轴试验系统”，开展了软岩力学效应试验，包括：常规三轴试验与饱水三轴流变试验；然后，结合试验结果，从微观与宏观两个角度出发，采用矿物学、微观力学及非线性动力学理论，深入研究了软岩遇水软化的微观矿物学机制、微观力学机制及非线性动力学机制；在此基础上，采用损伤力学、弹塑性力学及不可逆热力学理论，开展了饱水软岩的力学耦合效应研究，探索了其塑性变形机理，提出了饱水软岩弹塑性损伤本构关系，并从材料微观结构演化的角度，考虑水—应力耦合流变损伤效应，建立了饱水软岩损伤流变模型；最后对所建立的力学模型进行了试验验证，表明了模型的适用性与可靠性。本研究不仅可以丰富、完善和发展软岩力学理论与方法，探索水—岩耦合作用研究的新途径，而且，可为软岩广为分布地区的工程设计、施工提供十分有价值的指导。 论文的主要研究内容包括： 1.在现场资料收集、整理与分析的基础上，开发了复杂地层分布图形化表征技术，利用该技术探讨了依托工程场区内软岩的分布规律；选择粉砂质泥岩为研究对象，设计并开展了特殊软岩饱水软化试验，研究了不同饱水时间下软岩结构、成分和物理力学性质的变化规律，结果表明：软岩中的粘土矿物成分以高岭石、伊利石为主，同时含少量蒙脱石，属中等膨胀性软岩，天然状态下其微观结构包括粒状结构与致密条状结构两种类型；饱水条件下软岩物理力学性质、微观结构、矿物成分、化学成分以及水溶液离子浓度、PH值的变化均和时间存在良好的对应关系，此即为软岩软化表现形式，而软岩在一定水环境下产生的物理、力学和化学作用过程是导致其软化的可能原因；通过将软岩试验研究结果应用于依托工程——金湖高边坡的稳定性分析中，结果显示：边坡塑性破坏区的分布位置和范围与实际滑坡发生的状况十分接近，加固效果良好。 2.为了实现对工程环境下软岩与水耦合作用过程的试验模拟，通过对传统岩石三轴试验机中加载系统、压力室及显微观测部分的改进，设计并加工了水压与油压两套压力室、实现了多种工作液体施加围压的双向伺服加载系统以及三轴可调显微观测系统，在此基础上，研制了“TAW-100水—应力耦合软岩细观力学伺服三轴试验系统”，实现了复杂水—岩相互作用过程的试验再现。基于该系统，在模拟实际软岩赋存环境的基础上，开展了特殊软岩力学效应试验，包括：常规三轴试验与饱水三轴流变试验，研究了饱水软岩在三轴条件下的变形破坏规律及在水—应力耦合作用下的流变特性，结果表明：饱水软岩具有塑性变形特性、材料性能劣化特性以及流变特性等复杂的力学特性，水对增加软岩流变的变形量、提高流变速率作用显著。 3.在试验研究的基础上，基于矿物学理论，分析了软岩中主要粘土矿物的晶体结构与物质组成特征，指出：粘土矿物颗粒与水溶液之间的物理力学作用，是导致软岩宏观性质软化的根本原因；在此基础上，探讨了软岩软化过程中三种变形力学机制：粘粒胶结膨胀机制、晶粒(化学)膨胀机制以及毛细管力作用机制，并考虑所研究特殊软岩中粘土矿物含量特征，研究了三种变形机制之间的耦合作用关系，提出了基于粘土矿物特征的特殊软岩软化机制，即：胶结作用为主，分子(化学)膨胀作用机制为次，毛细管力作用为辅，三种机制相辅相成，共同作用，最终导致了软岩宏观性质软化。 4.结合软岩微观结构测试结果，考虑粘土矿物颗粒与(粉)砂质颗粒的含量关系，提出了软岩微观结构组合元件，建立了描述天然状态下粒状结构软岩以及致密条块状结构软岩的两种典型微观结构单元；采用重整化群方法，分析了软岩软化过程微观结构演化的临界判据，通过对比试验结果，验证了两类微观结构单元的合理性；建立了一类考虑微缺陷的软岩网状四边形薄片结构模型，并对水与荷载两种条件分别作用下，软岩微观结构及力学性质的变化规律进行了定性模拟，结果表明：该模型可以较好地描述软岩饱水软化试验以及三轴力学试验规律，具有一定的合理性。 5.采用自组织临界性、耗散结构、混沌动力学等非线性动力学理论研究了软岩软化的非线性动力学机制。首先总结了软岩软化过程的自组织临界特征，接着综合采用试验分析与数学模拟两种方法，验证了软岩软化过程中时空降维特征，提出了软岩软化过程中耗散结构的形成机制。在此基础上，从软岩结构分维研究出发，建立了软岩软化过程的分岔混沌模型。采用该分叉模型进行的软岩软化计算表明：软岩饱水过程中结构演化具有分岔混沌的特征，饱水1到3个月期间软岩系统的变形演化趋于稳定不动点；饱水3到6个月期间，软岩系统经历了多次倍周期分岔，一直演化到混沌状态；在某个接近临界状态的时间点后，系统内部出现了自组织现象，逐渐从无序向有序演化，并最终在涨落的触发和推动下形成了软岩的耗散结构。 6.在热力学框架下，考虑塑性体积变形与塑性剪切变形两部分所引起的能量耗散，建立了适用于软岩材料的塑性摩擦屈服准则；将其引入到软岩塑性孔隙变形机理研究中，从基体材料屈服准则以及基体球形应力与单元宏观球形应力关系两个方面对传统Gurson模型进行改进，建立了适合于多孔软岩材料的塑性屈服准则及孔隙演化模型，并通过引入损伤变量，探讨了加载过程中软岩损伤演化规律。在此基础上，基于不可逆热力学及弹塑性力学理论，搭建了饱水软岩弹塑性损伤本构框架，推导出两种塑性变形机理共同支配的增量型塑性应变表达，并结合饱水软岩三轴试验结果对模型进行了验证，结果表明：本构模型较好地描述了饱水软岩在三轴压力条件下的力学特性，包括：塑性变形、性能损伤、力学性质依赖围压以及塑性体积压缩向体积膨胀转化等。 7.基于Pietruszczak等关于流变现象源于微观结构演化的学术观点，结合本文建立的本构关系，定义了两类流变损伤变量，以反映水—应力共同作用特点；研究了软岩损伤演化规律，考虑水—应力耦合的流变效应，建立了饱水软岩损伤的流变模型。数值模拟与饱水软岩流变试验的结果对比表明：模型较好地描述了水—应力耦合作用下的软岩损伤流变特性，模拟结果得到了一类由衰减流变演化至稳态流变的曲线。