巖石的基本力學性質(zhì)，包括彈性模量和單軸抗壓強度，在巖石工程設計和分析中具有重要意義。然而，在特定的工況下，如高應力巖體、節(jié)理巖體和外太空巖體等條件下，獲得符合測試要求的標準圓柱形巖石試樣是一項極具挑戰(zhàn)性的任務。

為了解決這一難題，中國科學院武漢巖土力學研究所智能巖石力學團隊博士研究生柳秀洋等人在徐鼎平研究員的指導下，提出了一種基于巖石礦物和礦物界面納米壓痕試驗結果來估計巖石及巖體力學參數(shù)的簡化技術路徑。首先采用相位識別壓痕技術或統(tǒng)計反卷積壓痕技術確定巖石中組成礦物的微觀力學特性。隨后，利用多元線性回歸技術和廣義均值方法將這些微觀礦物力學參數(shù)升尺度分析，以估算標準巖石樣品的彈性模量和單軸抗壓強度。接著，通過鉆孔成像和高清拍照技術獲取巖體的地質(zhì)強度指數(shù)（GSI）。最后，將前述估算的巖石彈性模量、單軸抗壓強度和GSI值結合起來，基于Hoek-Brown準則進一步升尺度分析，從而推算現(xiàn)場巖體的力學性質(zhì)。這項研究突破了毫米-厘米級細小試樣、厘米-分米級室內(nèi)巖樣和百米-千米級工程巖體力學參數(shù)之間難以有效關聯(lián)的鴻溝。該研究為解決深地、深空等取樣極端困難條件下的巖體力學參數(shù)估計提供了一種簡易可行的思路。

相關研究成果已在《Rock Mechanics and Rock Engineering》《Computational Particle Mechanics》《中南大學學報（自然科學版）》等知名期刊上發(fā)表。研究獲得國家自然科學基金項目51979268、52279117和52325905資助。

論文鏈接1：https://doi.org/10.1007/s00603-023-03221-6

論文鏈接2：https://doi.org/10.1007/s00603-024-03796-8

論文鏈接3：https://doi.org/10.1007/s40571-023-00664-0

論文鏈接4：https://doi.org/10.11817/j.issn.1672-7207.2021.08.022

圖1 ?從礦物微觀力學試驗估算巖石和巖體力學性質(zhì)的技術途徑

圖2 ?基于納米壓痕試驗花崗巖組成礦物的楊氏模量與硬度值

圖3? 巖石單軸抗壓強度的預測值與擬合值的關系

圖4 ?基于廣義均值、Mori-Tanaka法以及單軸壓縮試驗中獲得的彈性模量的比較

圖5?極端困難條件下的巖體力學參數(shù)估計的應用場景