摘要
岩土工程的挑战之一是探究岩石在不同环境条件下的力学性质的变化规律，对设计和维护公路、建筑、桥梁、水坝以及其他依赖岩石稳定性和耐久性的工程结构至关重要。岩石的宏观力学特性依赖于微观结构的变化，从微观层面开展相关研究是认识岩石宏观力学特性行之有效的重要手段。由于从岩石中直接分离出足够多的单个方解石晶体难度较大，进而难以通过传统的试验方法深入研究其微观物理力学特性。分子动力学方法区别于传统的试验和理论方法，其不必太依赖实验条件和假定物理量的数学关系，而是通过基本的物理原理和合理的分子几何结构模型，计算出客观事物的变化过程与结果。鉴于此，本文拟基于分子动力学，全面系统研究不同环境因素（如温度、压力、水等）作用下方解石的晶体微观结构与强度变化规律，从微观角度探索方解石力学性质在不同环境下发生变化的根本原因。主要研究内容如下： （1）对渝东北研究区域的灰岩样本进行X射线衍射（XRD）分析后，发现其中超过80%的成分是方解石，并据此构建方解石的分子模型。通过应用Voigt-Reuss-Hill（VRH）模型，在理想条件下（298K、101kPa）对方解石的体积模量、剪切模量和杨氏模量进行近似计算，得到的数值分别为92.88GPa、30.98GPa和83.64GPa。证实方解石是一种极为坚硬的材料，具有优异的抗压和抗变形能力。 （2）采用分子动力学方法模拟温度变化对方解石微观结构及其力学特性的影响。研究表明，当温度从300K上升到1000K时，方解石表现出显著的热膨胀各向异性，其晶体体积和密度呈现出不同的变化模式。在这一过程中，晶体内部的原子间距增加，导致方解石体积膨胀。同时，其结合强度逐渐减弱，体积模量、剪切模量和杨氏模量等关键力学指标也呈现出缓慢下降的趋势，韧性减少而脆性增强，使得方解石更容易发生形变和破裂。 （3）通过对比方解石在高压环境下的晶体结构与稳定性，发现随着压力的增加，方解石的晶格常数呈现线性减小，晶体结构在压缩作用下发生收缩。这种晶体结构的收缩导致方解石密度的增加，进而提高其弹性模量，增强了抵抗体积变形和剪切破坏的能力。 （4）对已经构建的方解石模型分别加入10、20、30、40和50个水分子，形成了具有不同水化程度的方解石（含水率依次为0%、0.073%、0.146%、0.218%、0.291%和0.364%），并通过优化结构使其达到能量稳定的平衡状态。研究揭示水分子对方解石晶体结构和力学性能的影响：随着水分子的加入，方解石的水化程度加深，晶格常数增加，体积增，而晶体密度则降低。随着外部水分子不断渗入方解石结构层间，方解石从干燥状态转变为水化状态，水分子的扩散系数也随之增大，使得水分子更快地迁移至方解石内部，与水分子的浓度分布相吻合。这一过程打破方解石原有的平衡状态，促进了劣化反应的加速，从而降低方解石的强度和稳定性。具体而言，体积模量、剪切模量和杨氏模量都呈现下降趋势。
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