冻融循环下钙质砂岩力学特性及其损伤劣化机制的试验研究

通过室内试验的方法,研究了水化学溶液和冻融耦合作用下砂岩的损伤劣化机制和物理力学特性。对浸泡在不同的化学溶液条件下的砂岩分别开展冻融循环试验研究,并对不同冻融循环次数下砂岩的物理力学特性进行量测。研究发现:不同水化学溶液和冻融循环耦合作用下,砂岩试样损伤劣化模式不同,2种主要模式为颗粒剥落、片落模式和裂纹模式。强酸性环境下(pH=3.0),砂岩物理力学特性的冻融循环损伤劣化程度最大,强碱性环境(pH=12.0)次之;在中性至弱碱性环境下,其冻融损伤劣化程度虽然有一定的缓解,但仍随着循环次数的增加而不断加剧。Na_2SO_4溶液的浓度越大,砂岩试样冻融系数的降低速率越大;0.01 mol/L NaHCO_3 pH=9.0下砂岩试样的冻融循环劣化程度相对0.01 mol/LNa_2SO_4 pH=9.0下小;岩石的冻融损伤劣化与其所处的水化学环境密切相关,水化学溶液对砂岩有一定的化学腐蚀作用,水化学溶液与冻融循环的耦合作用对岩石的损伤劣化是相互促进的,共同影响着砂岩的损伤劣化程度。     

岩石微观胶结模型及离散元数值仿真方法初探

 基于胶结铝棒接触力学特性的系列室内微观试验,提出用于模拟岩石的微观胶结接触模型,并将该模型引入二维离散元商业软件PFC2D,模拟岩石室内单双轴压缩、直接拉伸和巴西试验,并将数值试验结果与室内试验实测结果进行对比分析,验证该数值方法在反映岩石基本力学特性方面的有效性,研究结果表明,基于水泥微观胶结模型的离散单元法能够合理地描述岩石的主要力学特性;通过胶结破坏数目与轴向应力之间的关系曲线可以识别岩石裂纹扩展的规律及各个阶段,并能够确定裂纹扩展过程中的起裂应力、裂纹损伤应力和峰值应力。     

酸性环境下砂浆、砂岩材料的受酸腐蚀过程及其基本特性劣化规律的试验研究

选择目前环境岩土工程中最基础的科学问题,即酸性环境下砂浆及砂岩材料的基本性质问题开展室内试验研究,分析材料受酸腐蚀过程中物理、化学及力学特征,揭示其性质变化的规律,建立受酸腐蚀过程中材料的宏、细观模型,提出以氢离子浓度变化为主要影响因素的岩石及混凝土结构使用寿命预测模型和方法,主要创新性成果为：（1）采用室内试验,模拟强酸环境,研究加速腐蚀过程中类砂岩材料——砂浆的物理化学性质变化,揭示不同时段酸液中氢、钙离子浓度变化规律与砂浆受酸腐蚀的微细观机制。发现在腐蚀的初始阶段,试样受扩散作用控制,随着时间的增加,化学反应速率加快,溶解过程起到主导作用,反映出腐蚀过程呈现明显的阶段性特征。（2）对不同形状和尺寸的砂浆试样进行对比试验,用定义的质量变化率、波速变化率、氢离子溶解速率和钙离子溶出速率,对反应的不同阶段进行定量描述。试验过程中研究了浸泡试样的波速特征,比较并发现在不同浓度盐酸溶液中,不同浸泡时段对纵波速度变化规律不尽相同;结合溶液中氢、钙离子浓度变化和胶体化合物的形成过程,孔隙中固、液、气三相比例变化等因素进行全面分析,建立了受酸腐蚀等效体砂浆试样波速-孔隙率预测模型。（3）通过对浸泡不同时段砂浆试样被酸液浸入深度的测量,溶液浓度的监测及抗折断后破裂面的观察发现：随着浸泡时间的延长,盐酸浓度减小,氢氧化铁、氢氧化铝等胶体化合物形成的阻隔作用加强是氢离子扩散速率和钙离子溶出速率减慢的原因。通过对试验结果的归纳分析,提出了基于考虑腐蚀过程中试样孔隙率增大和承载面积减小的概化模型。由初步验证结果发现,模型计算值与试验结果具有良好的一致性。（4）对砂岩材料,剖析钙质胶结长石砂岩试样在不同浓度盐酸溶液浸泡过程中的强度特性、破坏模式、应力-应变关系和割线模量等力学特征,建立了氢离子扩散的常、变系数扩散模型。借助于无扰动CT扫描技术和化学动力学分析,对受酸腐蚀的细观损伤机制进行量化分析,建立试样单轴抗压强度、渗透破坏深度、CT数与岩石密度之间的关系表达式,实现宏、细观力学性质的有机结合。（5）以快速试验对扩散规律的认识为基础,考虑化学反应造成酸液浓度降低对腐蚀的阻滞作用,建立了在大体积岩石及混凝土材料中考虑化学反应影响时溶质的扩散控制方程,开发相应的二维有限元分析程序。结合一水利工程受酸雨影响的使用寿命问题,提出一种预测大体积岩石及混凝土中酸液浓度扩散范围随时间变化及强度劣化规律的思路与方法。     

水岩化学作用对砂岩力学特性影响的试验研究

为研究水岩化学作用对砂岩力学特性的影响,将桃源水电站的红砂岩加工成标准圆柱形试样,对其进行不同化学溶液作用下的腐蚀试验,获得红砂岩化学腐蚀过程中相对质量变化规律,同时测量记录各化学溶液pH值。利用岩石三轴测试系统对各种化学溶液浸泡后的红砂岩进行三轴压缩试验,探讨不同的化学溶液对红砂岩力学特性的腐蚀效应,获得水化学溶液对红砂岩强度和变形特性的影响规律。结果表明,试样质量的变化和化学溶液性质有关,试样相对质量变化存在明显差异。pH=13的化学溶液pH值随时间的增长有小幅度下降,其余化学溶液pH值随时间增长均趋于弱碱性(pH≈7.9)。根据溶液pH值的变化、试样相对质量的变化,分析化学溶液对岩石的腐蚀程度。三轴压缩试验结果表明,不同化学溶液对红砂岩力学性质的影响不同。离子成分及pH值均对红砂岩力学特性产生较大影响,各种化学溶液腐蚀后岩石的峰值强度、残余强度、弹性模量均有不同程度的下降。室内试验的结果可为构建红砂岩化学腐蚀条件下本构模型提供重要的试验资料。     

芙蓉江大桥拱座混凝土–基岩抗滑稳定性研究

 通过对混凝土–岩石胶结面剪切破坏过程中剪应力–位移曲线的分析,假设混凝土–岩石胶结面剪应力由混凝土与岩石之间的胶结作用和摩擦效应共同承担,从而建立考虑峰后胶结损伤的胶结面力学模型。室内混凝土–岩石剪切试验结果的反演分析表明,该模型可以很好地反映胶结面剪切破坏过程。利用建立的混凝土–岩石胶结面力学模型,对拟建的芙蓉江大桥拱座抗滑稳定性进行三维计算分析,结果表明：桥梁荷载下拱座–基岩胶结面剪切应力小于其抗剪强度,胶结面变形以弹性变形为主,量值较小,拱座–基岩胶结面不会产生剪切破坏。     

酸性条件下砂岩剪切破坏特性试验研究

运用自主研发的煤岩细观剪切试验装置,选取三峡库区三叠系上统的须家河组细砂岩开展室内不同pH值溶液浸蚀后的剪切试验,并借助图像处理技术对砂岩试件在剪切载荷作用下裂纹的时间演化规律进行试验研究,探讨裂纹开裂与砂岩浸蚀程度之间的关系。研究结果表明：岩石在不同时间点剪应力与裂纹演化有明显的相关性,表面裂纹的萌生到失稳断裂是在相对较短的时间内完成的,砂岩的破裂几乎是产生于矿物颗粒边界与胶结物中的绕晶破裂,仅在极少数应力高度集中区域的颗粒上才会出现穿过颗粒的破裂;随着化学溶液酸性的增强和浸蚀时间的延长,砂岩浸蚀程度增大,抗剪强度降低,砂岩剪切破坏时的裂纹开裂宽度相应增大,裂纹开裂情况愈加复杂;化学溶液是引起岩石强度和变形衰减的一个重要原因。     

化学腐蚀下砂岩孔隙结构变化的机制研究

利用SEM电镜扫描技术和X衍射晶体鉴定技术,对经0.01 mol/L,pH值为12的NaOH溶液作用前后的( 50 mm×100 mm大小砂岩试件的表面和矿物成分进行分析,探讨砂岩试件腐蚀表面的微区形貌和矿物组成的变化特征.通过一系列室内试验,对0.01 mol/L,pH值为12的NaOH溶液作用下不同时刻砂岩试件的孔隙率、溶液pH值进行测定,并对其变化规律进行分析,得出砂岩孔隙率变化受溶液酸碱度影响和制约的结论.基于化学动力学理论和溶质迁移理论,建立水岩系统的对流-扩散-反应模型,运用孔隙率的变化来定量描述由于水岩作用引起的岩石细观结构的变化.采用有限元法对0.01 mol/L,pH值为12的NaOH溶液的作用下砂岩孔隙率的动态演化过程进行数值计算,结果表明,数值解与试验结果吻合较好.该研究为定量研究化学腐蚀作用对岩石物理力学特性的影响提供了重要依据,为更准确地评估和计算坝基、边坡、核废料处置库、隧道等众多与水化学相关的岩石工程的安全性和稳定性提供了有效的解决手段和分析方法.     

化学溶液和干湿循环作用下砂岩抗剪强度劣化试验及化学热力学分析

 为研究化学溶液和干湿循环共同作用下砂岩抗剪强度的劣化机制,在不同pH环境下,通过不同干湿循环次数后的单轴、三轴试验,计算出砂岩的黏聚力和内摩擦角,同时得到其与循环次数的关系式,进而获得砂岩在浸泡环境下抗剪强度随干湿循环次数的变化公式。根据砂岩的组成矿物及其百分含量,得到各种主要组成矿物在中性、碱性、酸性溶液中溶解的化学反应方程式,利用化学热力学的基本原理,确定各主要矿物在中性、碱性、酸性溶液浸泡下能否稳定。为了验证分析的正确性,对浸泡溶液中的部分离子(Ca2+,SiO2,Na+,K+)浓度进行测试。结果表明,酸性环境下,砂岩抗剪强度劣化最为严重,碱性次之,中性最轻。在酸性环境中,对抗剪强度影响较大的胶结物主要组成成分(长石、方解石)的性质不稳定,溶解反应能自发进行,而碱性环境中,对强度影响较小的骨料主要组成成分(石英)的性质不稳定,溶解反应能自发进行。酸性浸泡液中,方解石、钾长石、钠长石溶解出的Ca2+,K+,Na+的浓度明显高于中性和碱性液中Ca2+,Na+,K+的浓度,而碱性溶液中,石英溶解出的SiO2的浓度明显高于中性和酸性液中SiO2的浓度,与热力学分析结果一致。     

水-岩化学作用的岩石宏观力学效应的试验研究

为了研究水－岩化学作用对岩石的宏观力学效应，在常温常压，不同循环流速条件下，对不同化学性质的水化学溶液作用下的花岗岩，红砂岩和灰岩进行了单轴抗压强度试验，取得了时效性的定量结果。结果表明：水化学作用后；3种岩石的强度均出现了不同程度的下降。分析发现：（1）水溶液对岩石的力学效应与水－岩化学作用密切相关；（2）岩石的化学损伤与水－岩化学反应强度成正比；（3）水－岩化学作用对岩石的力学效应具有很强的时间效应；（4）影响岩石化学损伤的主要因素有；岩石的物理性质和矿物成分，水溶液的化学性质，岩石的结构或物质成分空间分布的非均匀性，水溶液通过岩石的流动速率和岩石的成因及演化历史等5个因素。     

冻融循环作用下砂岩的力学特性及细观损伤本构模型研究

针对寒区岩体工程中岩石的冻融问题,选取砂岩为试样,通过进行室内冻融循环试验、扫描电子显微镜观测和三轴压缩试验对砂岩质量损失、微观结构和力学特性进行了分析。然后基于Lemaitre应变等效假设理论,通过引入能够反映岩石冻融破坏过程中的细观冻融损伤变量和力损伤变量来描述岩石材料的劣化程度及损伤演化规律,并采用连续损伤力学理论,建立了冻融与围压耦合作用下岩石的损伤演化方程及细观损伤本构模型。采用理论推导的方法得出所需的模型参数表达式,最后利用冻融岩石的三轴压缩试验数据对该模型的合理性和准确性进行了验证。将试验曲线的峰值点与模型理论曲线的峰值点进行对比,结果表明两者吻合度较好,该损伤本构模型能够较好地反映岩石三轴压缩过程的应力-应变峰值特性,验证了该模型及模型参数确定方法的合理性与可靠性。该模型拓展了岩石在冻融与围压耦合作用下的损伤模型,进一步的揭示了岩石在冻融与围压耦合作用下的损伤机制和破坏规律。     

酸性环境干湿循环作用对泥质砂岩力学参数的劣化研究

针对降雨和库水位升降对库岸边坡消落带岩体力学参数的劣化问题,选取泥质砂岩进行不同p H水环境干湿循环作用下的单轴与三轴压缩试验,结合室内试验结果,应用广义Hoek–Brown准则求得不同地质强度指标评分(GSI)下岩体的单轴抗压强度、弹性模量、材料常数和黏聚力。研究表明:破碎程度越大的泥质砂岩受浸泡的溶液酸性越强、干湿循环次数越多,其力学参数劣化程度就越高;在同一个GSI评分下,泥质砂岩各个力学参数随p H值和干湿循环次数n的劣化效应排序有所差异,综合劣化效应最大为弹性模量,累积劣化效应最明显为黏聚力,其劣化系数与浸泡溶液的p H值、干湿循环次数的对数ln(n)成线性相关。基于上述研究提出了泥质砂岩力学参数与p H值、干湿循环次数n的三维劣化方程,为酸性环境干湿循环作用下现场岩体力学参数的获取以及边坡稳定性寿命的预测提供了理论依据。     

水-岩化学作用之岩石断裂力学效应的试验研究

在常温常压，不断循环上，对不同化学性质的水溶液上的两种花岗岩和两种砂岩进行了断裂力学指标KIC和δc的三点弯曲试验。结果表明：（1）水－岩化学作用对岩石裂纹的断裂指标有显著的影响，并且具有时间效应。不同岩性，不同浸泡方式及不同水溶液流动速率对岩石断裂力学指标的影响存在着较大差异。总体上，水化学作用对断裂力学指标的影响程度与水－岩化学反应的强度成正比。（2）岩石中的含铁离子或钙离子的矿物及胶结物成分是水－岩化学作用力学效应的关键物质成分，其中含铁离子物质对水－岩反应的断裂力学效应具有正反两方面的水学效应。     

干湿循环作用下砂岩细观损伤演化及宏观劣化研究

针对周期性干湿循环作用下岩石损伤劣化问题,以三峡库区某边坡的中风化砂岩为研究对象,分别对不同干湿循环次数作用下"干燥"和"饱和"状态的砂岩进行全断面CT扫描试验、巴西劈裂试验、单轴和三轴压缩试验。试验结果表明:在相同的干湿循环次数n下,"干燥"状态下砂岩的宏细观力学参数大于"饱和"状态下的参数;各典型区域的CT数均值随着循环次数非线性累积增加,初期变化较快,当n≥3时,细观损伤演化速度趋于缓慢;砂岩单轴抗压强度、弹性模量、抗拉强度、黏聚力、内摩擦角随n的增加呈对数下降,泊松比随n的增加而增大。干湿循环作用对砂岩不同力学参数的劣化程度不一,岩样"抵抗拉伸性能"大于"抵抗压缩性能"对水的敏感性。基于试验数据拟合,对不同干湿循环作用下两种含水状态的砂岩M–C屈服准则进行了修正,为工程中获得任意围压下岩石的破坏强度提供了理论依据。     

化学腐蚀下裂隙岩石的损伤效应及断裂准则研究

对不同化学溶液腐蚀的岩石试件试验结果的分析表明,化学溶液腐蚀作用下,矿物颗粒间联结受到扰动,同时颗粒受到溶蚀等作用,使岩石强度显著下降,岩石结构产生损伤。因此,化学溶液对岩石材料的腐蚀影响可以归结为岩石颗粒骨架部分性质的劣化和空隙的增大两部分。对于裂隙岩体来说,化学溶液的腐蚀则主要体现在断裂应力的减小和裂隙的增大。从这两个主要影响因素出发,引入应力放大系数,建立了化学腐蚀下裂纹体的断裂准则。给出了考虑化学溶液作用的裂隙岩石断裂准则的研究思路。     

宜昌砂岩不同pH值酸性溶液浸泡下时间比尺及强度模型研究

结合试样切片检测、pH值变化精确测量、浸泡过程中岩石试样的腐蚀脱落深度量测等技术手段,对不同pH值酸性环境中宜昌地区钙质中～细砂岩的浸泡时间比尺及强度模型展开研究。以H+物质的量为基准量,提出时间比尺的概念。指出可以通过时间比尺的转化,用强酸的短时反应来模拟弱酸长时反应的效果,并分稳定酸根离子和没有稳定酸根离子补给2种情况给出算例,进一步论证该方法的可行性。提出并解释砂岩反应后的表面"多孔特性"和"多层状"现象,指出H+浓度降低速率随时间和腐蚀深度增长逐渐变缓,为强度模型建立提供基础,同时建立试样腐蚀脱落深度与浸泡时间的关系。基于岩石试样的腐蚀深度模型简图和相关假设,推导硫酸溶液作用下试样强度变化与时间关系式,并对比分析强度计算值及实测值,两者吻合较好。     

Real-time computerized tomography (CT) experiments on sandstone damage evolution during triaxial compression with chemical corrosion

The computerized tomography (CT) images and CT values for the process of compression, micro-cracking, and dilation up to the failure of sandstone specimens under different loading levels have been obtained using the real-time CT technique for triaxial loading of sandstone subjected to chemical corrosion. Clear CT images and CT value of the stages from compression of micro-cavities→emergence of micro-cracks→bifurcation→development→fracture→collapse→unloading can be observed. The CT value, equivalent to rock density at the CT scan layer, is the most important parameter describing the damage evolution process of rock. The paper also presents results of the corrosive influence of chemical solutions with different pH values and ionic concentrations on the sandstone strength. Stronger acidity (pH<7) or causticity (pH>7) has a stronger effect on the rock micro-fracturing evolution. The mechanism of damage evolution of sandstone is analyzed and a damage model based on the chemical corrosive influence and CT values is proposed.