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砂岩弹塑性及蠕变特性的水物理化学作用效应试验与本构研究

乔丽苹  
【摘要】: 地下水是地质环境中的活跃因素,它是一种复杂的水化学溶液,具有不同离子组分、浓度及酸碱度,即使是纯水,它与岩土介质的相互作用,仅从有效应力原理考虑其力学效应也是不够的,尚需考虑其复杂的水-岩物理化学作用效应。已有的研究初步表明,水对岩石的弹塑性与流变特性存在十分明显的影响。因此,岩体工程的稳定性不单纯取决于应力作用下岩体本身的力学行为,同时也有赖于应力与水物理化学环境的共同作用效应,就此问题开展深入细致和定量化的研究,对于存在水物理化学作用效应的岩体工程稳定性、核废料储存库安全、滑坡孕育以及环境工程中的污染物处置等问题均具有重要的理论意义与应用价值。 本论文在完成一系列砂岩微细观结构损伤、弹塑性和蠕变特性的水物理化学作用效应等试验的基础上,分析了砂岩的水物理化学损伤演化特征与机理,研究了水物理化学作用对砂岩弹塑性与蠕变特性的影响效应与规律,建立了描述砂岩水物理化学损伤的损伤变量表达式,提出了能够描述水物理化学作用对砂岩弹塑性变形特性影响的改进型Duncan模型以及考虑水溶液离子浓度的H-P-C Burgers蠕变模型,同时实现了基于该蠕变模型对砂岩蠕变行为的数值模拟。论文的主要内容如下: (1)通过开展不同水环境作用下砂岩试件矿物成分与含量、空隙度、水溶液离子浓度、pH值等物性指标的系列测试,并对不同水环境作用后的砂岩试件进行显微结构分析与CT检测,从不同角度和层次揭示了水物理化学作用下砂岩的微细观损伤特征与机理,进而提出并验证了以次生空隙率变化描述砂岩水物理化学损伤的损伤变量表达式。 (2)完成了干燥、饱水及不同水环境作用后砂岩单轴压缩试验的系列研究,获得了水物理化学作用对砂岩单轴抗压强度、变形性能及峰后变形与强度特性的影响效应,在分析水溶液离子浓度和pH值对砂岩强度与变形特性影响规律的基础上,提出了改进的Duncan模型以描述水物理化学作用下砂岩的弹性变形行为。 (3)完成了干燥、饱水及不同水环境作用后砂岩单轴压缩蠕变试验的系列研究,获得了水物理化学作用对砂岩蠕变特性的影响效应与规律,研究表明:不同水溶液离子浓度和pH值对砂岩的蠕变特性存在较明显的影响效应,且水溶液离子浓度比酸碱度对砂岩蠕变变形的影响更显著;在离子浓度相同情况下,水溶液酸碱度越大,对砂岩蠕变变形的影响越明显;在酸碱度相同情况下,水溶液离子浓度越大,对砂岩蠕变变形的影响越明显。 (4)通过比较干燥、纯水和不同水环境作用后砂岩蠕变变形的差异,分离出水物理化学作用对砂岩蠕变变形的贡献,获得了砂岩蠕变变形、水溶液离子浓度和pH值及其与时间的相关关系,在此基础上,考虑水溶液离子浓度对砂岩蠕变特性的影响效应,研究并确定了砂岩蠕变模型的基本结构,进而采用遗传算法对模型参数进行辨识,提出了考虑水溶液离子浓度作用效应的砂岩H-P-C Burgers蠕变模型。 (5)将所提出的H-P-C Burgers模型嵌入Abaqus软件的蠕变模型库,实现了基于该蠕变模型对砂岩蠕变行为的数值模拟。


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