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化学溶液及其水压作用下灰岩破裂过程宏细观力学试验与理论分析

姚华彦  
【摘要】: 存在于岩体中的渗透水流对岩体具有力学的、物理的和化学的各方面作用,水-岩之间的相互作用问题是边坡、坝基、硐室、石油开采、地热开发、核废料地下处置、地下能源储存、地下二氧化碳储存、文物保护等众多与水相关的岩石工程的最基础性研究课题之一,具有十分重要的科学意义。针对上述问题本文开展了一系列水化学溶液浸泡饱和与水化学溶液水压力作用下灰岩的宏细观力学试验;建立了考虑水化学溶液及围压效应的岩石进化神经网络本构模型;分析了化学溶液及其孔隙压力对岩石水化、水力损伤特征及作用机理;利用细胞自动机理论模拟了水化学溶液作用下裂纹灰岩的破裂过程。主要研究工作及获得的有益认识如下: 1.通过硬脆性灰岩在不同pH值的0.1mol/l,Na2SO4和CaCl2溶液以及蒸馏水浸泡后的的常规三轴压缩试验,分析了受化学侵蚀的灰岩在不同围压下的变形及强度特性,探讨了三轴强度参数及变形参数的变化规律,并对浸泡岩石的化学溶液进行水质检测,得到了化学溶液中各离子浓度的变化规律,初步分析了化学溶液对灰岩力学特性影响的机理和规律。试验表明:化学溶液浸泡后,灰岩有从脆性向延性转化的趋势;灰岩的强度参数c、φ值及弹性模量E均有不同程度的下降,而泊松比υ则增大;相同的化学溶液侵蚀下,弹性模量E和内聚力c降低幅度最大;灰岩力学参数劣化的程度与从灰岩中溶出的离子浓度的大小具有一定的对应关系:从灰岩中溶出的离子浓度越高,其力学参数劣化程度越大。 2.通过对常规三轴试验结果的分析表明,影响其力学特性的因素包括力学和化学两方面:力学方面,岩石的应力应变依赖于先前历史的应力应变以及围压;化学方面依赖于化学溶液对岩石的损伤程度,这与水岩之间的反应程度相关,可以通过岩石中溶解出的离子浓度来表示。在上述基础上,建立了一种综合考虑力学效应及水岩化学作用的进化神经网络本构模型。所建立的模型不但较好的反应了化学腐蚀作用下的应力应变关系,还具有较好的预测性能。 3.通过岩石破裂过程的岩石细观力学试验系统,实现了对水化学溶液及其水压力作用下预制单裂纹或两裂纹灰岩破裂过程的实时观测研究,获取了岩石破裂过程的应力应变曲线及其对应的实时图像。研究表明水化学溶液和水压力作用对岩石裂纹的扩展有一定影响,裂纹扩展路径、搭接模式发生不同程度的改变,岩石破裂形式更复杂。 4.分析了水化学溶液的化学、力学作用对灰岩力学特性影响机理。通过X衍射、电镜扫描、以及能谱分析对岩石微观形貌、矿物成分等进行研究,发现灰岩在腐蚀之后微观结构、矿物成分发生了改变;通过对浸泡岩样的水溶液进行水质分析,得到了水溶液pH值及离子成分的变化规律。综合试验和理论分析表明:化学腐蚀作用对裂纹岩石破裂过程的影响表现在两个方面:一是岩石力学参数的劣化,从而引起裂纹扩展破坏特性发生改变;另一方面是化学腐蚀导致非均质性增强,从而裂纹扩展模式或路径不同。化学溶液孔隙压力的劈裂和挤入作用有利于岩石裂纹的扩展;在岩石破裂的不同阶段,孔隙压力对岩石的作用也不同,因而对裂纹的扩展、强度等产生影响。 5.运用弹塑性细胞自动机模拟系统EPCA2D模拟了裂隙岩石的破裂过程,模拟再现了由于水化学溶液腐蚀导致岩石非均质性增强和岩石力学参数降低对裂纹岩石破裂过程的影响。


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