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。     

水-岩土反应的力学与环境效应研究

 博士学位论文摘要　水2岩土反应对岩土的力学效应方面的研究。涉及力学、物理和化学三方面, 也即为地球化学与岩土力学两个研究领域的交叉。总的来说, 水2岩土反应的力学效应, 是相当复杂的, 是一个值得开拓的新研究领域。鉴于此, 本文结合国家自然科学基金项目“受力岩体渗透、水化学作用导致破坏的机理”和“珠江三角洲软粘土的结构性研究及其工程应用”, 主要开展了下列研究工作, 获得了一些成果和认识, 也提出了许多问题, 其主要目的乃至意义是开拓工程地质学及环境地质灾害学的理论、方法研究的新思路。(1) 为了研究自然界中水2岩反应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、砂岩和灰岩进行了单轴抗压强度试验;(2) 较系统地开展了水2岩反应之岩石断裂力学效应的试验, 在常温常压、不同循环条件下, 对不同水化学溶液化学作用下不同岩石(两种花岗岩和两种砂岩) 的K Ic值和COD 断裂力学指标及抗压缩指标的历时效应进行了研究;(3) 基于上述的试验及分析, 对水2岩反应的力学效应的机理及定量方法进行了较系统的探讨;(4) 研究了非饱和土中的广义吸力2湿吸力和结构吸力, 探讨了非饱和土有效应力原理和强度理论;(5) 对水2土反应的物理力学效应做了一次尝试性试验, 探讨了水2土反应之土力学效应的机理;(6) 探讨了水2岩土反应环境力学效应的研究思路、研究方法及其应用。通过上述的研究, 得到了如下主要成果和认识:11 分析了水2岩土反应力学效应的研究意义、研究特点及研究方法, 全面地提出要重视此领域的研究, 并展望: 水2岩土的化学作用对岩土力学性质的影响, 是岩土力学中亟待开拓的研究领域, 此方面的研究及其应用将直接导致地质灾害研究领域中新认识的出现, 并在地质灾害机理、防法研究和环境地质研究等方面具有广泛的应用前景。21 通过分析水化学作用的岩石宏观力学效应的特点及机理, 发现:①岩石的化学损伤与水2岩化学反应强度成正比;②水2岩化学作用对岩石的力学效应具有很强的时间依赖性;③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、岩石的结构成物质成分空间分布的不均匀性、水溶液通过岩石的流动速率和岩石的成因及演化历史五个因素。31 水2岩反应之断裂力学效应试验的结果及分析表明:①水2岩反应的断裂力学效应是显著的, 具有历时效应, 而且不同的水化学溶液、不同的岩性、不同的浸泡方式及不同的水溶液流动速率, 对岩石断裂力学指标及尖全比的影响存在着很大差异;②水2岩反应的断裂力学效应和抗压缩性效应存在一致性;③水2岩反应强度高的力学效应比反应强度低的要大, 红色砂岩的> 灰色砂岩的> 花岗岩的;④岩石中的含铁离子或钙离子的矿物及胶结物成分是水2岩化学作用力学效应的一些关键离子或物质成分, 尤其是含铁离子的矿物的作用对水2岩反应具有正反两方向的力学效应。41 认为渗透、水化学综合作用对岩体裂隙扩展、变形和破坏的力学效应及其机理方向的问题的研究和解决, 是真正关系到岩体断裂力学应用于岩石力学的关键问题之一。在试验中, 提出了化学损伤和断裂力学效应的尖全比概念, 试验证实了尖全比的存在性, 对其进行了分析, 并认为对尖全比的理论研究具有重要的理论与实际意义。51 由水2岩反应力学效应的试验结果, 可得出如下一般性结论:①水化学作用造成岩石的损伤是存在的具是相当严重的, 仅从力学原理或有效应力原理来考虑水对岩石的力学效应是远远不够的, 而应考虑水2岩化学作用对岩石的化学损伤这样复杂的过程;　②水2岩化学作用之力学效应的历时效应的特点意味着, 水2岩反应是一个动力系统, 研究岩石的化学损伤时不仅要分析水2岩反应的力学效应的现状及未来的变化, 而且要清楚其发展历史。61 认为水2岩反应力学效应是不同尺度之间的多重耦合和相互作围, 是一种非线性动态过程, 其机理很复杂。本文对其进行了较系统地分析及探讨, 首次提出并运用考虑化学损伤的断裂力学理论方法分析了水2岩反应的力学效应, 初步提出了化学破坏模型及定量方法研究途径。71 在非饱和土力学研究中, 提出并阐述了湿吸力的概念, 分析了非饱和土的孔隙水压力或基质吸力与由于表面张力而产生的土颗粒之间的湿吸力的定量关系及其根本区别, 探讨了湿吸力的变化规律及其主要的影响因素。认为结构吸力象湿吸力一样也是随含水状态及水溶液化学性质的改变而变化, 并由此提出了可变结构吸力和本征结构吸力的概念, 探讨了可变结构吸力的性状。基于щукнн的土结构强度理论, 分析了可变结构吸力的计算方法, 讨论了可变结构吸力的测试方法。研究表明: 对可变结构吸力除受土含水状态或饱和状态的影响外, 还受土颗粒几何结构的影响; 结构吸力结构参数N 与湿吸力结构参数D 存在内在联系。81 指出在研究非饱和土的有效应力时, 要研究的是随饱和状态而变化的湿吸力和可变结构吸力, 而且必须对湿吸力和可变结构吸力分别进行研究, 然后将其综合成广义吸力及广义有效应力, 形成非饱和土广义有效应力原理。91 指出并分析了现有有效应力公式、原理及强度理论中所存在的概念问题。分别基于湿吸力和可变结构吸力概念, 分析并给出了狭义有效应力公式, 建议了非饱和土的状态分类及相应的狭义有效应力原理。给出了B ishop 有效应力公式中经验参数X的表达式并明确解释了X 的物理意义、适用范围及影响因素。基于广义吸力, 提出了全新的非饱和土广义有效应力公式和广义有效应力原理。探讨了非饱和土的抗剪强度理论, 分析了A 1w 1B ishop 和D1G1F redlund 的非饱和土抗剪强度理论的主要问题。在广义吸力及广义有效应力基础上, 给出了非饱和土的广义抗剪强度公式, 其附加强度项中的状态变量及参数物理意义明确。101 研究表明土的结构及广义吸力不仅随着其受力的过程而变化, 而且随着水2土化学反应过程及其物理化学成分的变化而变化, 因此, 提出: 非饱和土变形理论的研究, 首先应采用细观土力学方法, 然后上升到宏观及应用。111 概述了土的组织和土体的组构以及水2土化学作用力学效应的重要性。通过土与水溶液反应后的力学效应的不同特征的分析, 探讨了水2土反应的正的力学效应和负的力学效应的机理。试验结果表明, 士在不同水溶液或不同浸泡状态下, 其水2土化学反应后的液限和塑限有不同的值, 存在着正负两个方向的力学效应。对水2土反应的力学效应的机理进行了分析, 认为具有力学效应的水化学作用主要有: 溶蚀作用、沉淀或结晶作用和阳离子交替吸附作用三种, 并分别对其进行了探讨。此试验结果及分析的意义在于, 使我们认识到可以通过水与土的化学反应达到调控土的物理力学性质, 以改良土质, 防治环境地质灾害的目的。121 认为化学对岩土力学的渗透, 将丰富岩土力学的研究内容, 使岩土力学的研究与应用更加贴近实际。将水2岩土化学作用与地质灾害等岩土体稳定性联系起来, 强调此方面是环境地质研究中一个值得开拓的新研究领域, 认为水2岩土反应的力学效应及环境力学效应存在正负西方面的效应, 在重视研究其负效应的同时, 还要强调正效应对环境力学及地质灾害的重要性。遵循此思路, 对于环境力学及地质灾害与防治研究, 提出并探讨了这样一个研究思路:①地质环境监测中要加强水2岩土化学反应方面的信息监测及追踪研究;②通过调整地下水流动系统来改变水2岩土反应;⑤利用水2岩土化学作用来改良土质及岩体力学性质;④可以而且应该更多地通过分析水2岩土化学作用的过程, 综合利用地质环境中水2土相互作用的规律来达到预防、控制和治理地质灾害。本文全面地提出, 要重视此领域的研究。     

岩石水化学损伤的机理及量化方法探讨

提出了化学损伤概念，分别运用化学成分分析理论、能量观点、考虑化学操作的破坏力学方法，分析了岩石水化学损伤机理，并探讨了其定量方法。采用水－岩反应的大模式与小模式理论，解释了自然界中岩体的剧烈变形及破坏往往发生在暴雨或人类工程活动时的原因。探讨了岩石水化学损伤定量方法的研究途径，提出并分析了岩石水化学损伤的层次分区性。重点讨论了考虑化学损伤的破坏力学方法，认为此方法可以解释并定量分析水－岩反应的力学效应。     

砂岩蠕变特性的水物理化学作用效应试验研究

 针对干燥、饱水以及不同离子浓度和酸碱度水溶液循环流动作用至水–岩反应平衡后的砂岩试件，完成一系列单轴压缩蠕变试验。根据试验结果，通过对不同应力水平下干燥砂岩和饱水砂岩的应变–时间关系、瞬时应变、蠕变应变及蠕变速率的比较分析，揭示饱水砂岩蠕变特性的水物理作用效应与机制。在此基础上，分别针对砂岩在酸碱度相同而离子浓度不同以及酸碱度不同而离子浓度相同这两类流动水溶液作用后，其应变–时间关系、瞬时应变、蠕变应变及蠕变速率的差异性开展系统研究，获得砂岩蠕变特性的水溶液离子浓度影响效应和酸碱度影响效应，进而探讨其水物理化学作用机制。研究结果表明，饱水砂岩蠕变性质比干燥砂岩明显；上述不同流动水溶液作用后的砂岩蠕变特性又比干燥、饱水砂岩显著；饱水砂岩蠕变特性主要存在水物理作用效应；而不同流动水溶液作用后砂岩的蠕变特性则兼具水物理作用效应和水化学作用效应；砂岩蠕变的水溶液离子浓度作用效应呈现出离子浓度越高则蠕变特性越显著的特点。研究成果对于岩石流变力学及水–岩相互作用领域的理论与应用研究，具有良好的启示与借鉴意义。     

岩石水化学损伤的理论基础及研究进展

对岩石的化学腐蚀及岩石损伤力学的国内外研究现状进行了阐述,并对岩石水化学损伤的化学成分分析理论及能量分析理论进行了分析,指出建立渗透与水化学综合作用对岩体力学效应的定量模型是岩石水化学损伤理论及其应用的关键所在。     

砂岩弹塑性力学特性的水物理化学作用效应—— 试验研究与本构模型

 针对干燥、饱水、蒸馏水以及不同离子浓度和pH值水溶液循环流动作用至水–岩反应平衡后的砂岩试件,开展一系列单轴压缩试验和CT损伤测试,获得这些不同状态及水溶液作用后砂岩试件的应力–应变关系全过程曲线和CT扫描结果;分别研究砂岩弹塑性力学特性包括应力–应变关系、弹性模量、峰值强度及残余强度的水物理作用和水化学作用效应与机制;基于CT检测结果开展相应的水物理化学损伤分析;在此基础上,通过分析水物理化学作用对砂岩应力–应变关系的影响特征与规律,探讨并采用改进的Duncan模型来描述存在水物理化学作用效应的砂岩非线性弹性变形行为。研究结果对于水–岩相互作用及相关领域的理论与应用研究,具有良好的促进与借鉴作用。     

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。     

压缩荷载下饱和硬岩软化特性与机制研究

环境中的水与岩石的相互作用易导致岩石物理力学性能劣化，即岩石水软化现象。目前，饱和硬岩的水软化特性研究尚不完善，明确各种水岩作用机制的存在条件和作用程度仍是一项挑战性的任务。以不同矿物成分和微结构的典型硬岩（宝兴大理岩、锦屏大理岩、灰岩）为研究对象，进行干燥、饱和状态下3种硬岩的单轴压缩试验和声发射试验，分析硬岩压缩强度、弹性模量、破裂形态等力学特性和声发射波形信号主频统计特征，并探讨了水岩作用机制之孔隙水压力的存在条件和作用程度。结果表明：硬岩饱和后，单轴抗压强度和弹性模量均减小，张拉裂纹和张拉破坏面增多。硬岩破坏的声发射信号表现为明显的、与岩石类型和含水状态无关的双主频特征。硬岩饱和后，声发射高主频带波形信号明显减少，低主频带波形信号显著增加。孔隙水压力是3种饱和硬岩性能劣化的主导因素，其作用强弱与声发射低主频信号多少存在对应关系，且取决于岩石的矿物成分和孔隙结构。     

三轴应力作用下化学侵蚀对砂浆力学性能的影响

开展了不同水化学腐蚀下砂浆试样的常规三轴压缩试验,分析了溶液pH值、浓度及水化学成分对试样的腐蚀程度及微细观结构的影响效应,探讨了砂浆试样的水化学腐蚀机理,并进一步对比分析了不同水化学作用对砂浆物理力学参数的影响规律。基于化学腐蚀后试样产生的次生孔隙率,建立了新的损伤参量来定量描述试样物理力学性质随水化学损伤的演化过程。     

水–岩化学作用对砂岩力学特性影响的三维离散元分析

水–岩化学作用下岩石发生力学性质劣化，其重要原因是岩石胶结物在水溶液中发生不同程度的溶解。在合理假设的基础上，提出一种改进的离散元三维胶结接触模型，在胶结尺寸相关的离散元接触模型中引入易溶解胶结比例和与水化程度相关的胶结宽度系数，来考虑水溶液对随机分布的易溶解胶结物的溶解作用。将该模型植入离散元进行砂岩的常规和水化后微观参数的标定，对不同水化程度砂岩的单轴和三轴压缩试验进行数值模拟，得到应力–应变曲线以及微观信息，并从宏微观角度分析水化作用对力学特性的影响。模拟结果表明：水化砂岩压缩试验中，以胶结的拉剪和拉弯破坏为主，且水化作用对拉破坏胶结数影响非常大，对压弯破坏影响很小。随着水化程度的加剧，岩石表面宏观裂纹数量增多，有由一条贯穿裂缝向多条裂缝发展的变化趋势；岩石的储能极限大幅降低，颗粒弹性能与胶结弹性能的储能极限和增速有不同程度的下降，胶结弹性能的储能极限有下降到一定程度后趋于稳定的趋势；随着易溶胶结占比的提高，水化岩石的峰值强度和弹性模量对胶结宽度的敏感性提高，当该占比为50%时岩石强度不到完好岩石的1/3，力学性能大幅下降。     

斜坡水-岩化学作用问题

在滑坡发育的温湿气候地区，水-岩化学作用(CWRI)普遍存在于陆源碎屑岩，碳酸盐岩及浅变质岩等构成的各类斜坡岩体中。CWRI的累积效应在引起介质损伤渐进性加剧的同时，矿物、岩石及岩体结构、变形行为、强度及水力学特性等也将随之发生多方面的深刻变化；CWRI对滑坡孕育的贡献是显著的；在许多情况下，它是暴雨(地震)得以诱发滑坡的重要基础。尽管斜坡CWRI已经引起部分学者的关注并已在某些方面取得一定进展，但对它的认识程度依然是较低的。需要进一步研究的问题包括CWRI过程的水量供给、空间域及其扩展的结构与组分控制机理、低渗透岩块中地下水及化学组分的贮存运移规律、液相组分增量的矿物来源与差异贡献、斜坡岩土体对CWRI的综合时效响应及其对后续CWRI规模与进程的反向驱动等。     

粉砂质泥岩的强度衰减与环境效应试验研究

在不同质量百分比(1%,5%及10%)的2种酸(H2SO4,HNO3)溶液和1种碱(NaOH)溶液、1种有机质(腐植酸钠)溶液、1种无机盐(KCl)溶液和自来水中,对粉砂质泥岩的水–岩作用进行静态长时(120d)加速浸泡试验模拟,并测定其单轴抗压强度、微观结构、氧化物成分,研究岩样单轴抗压强度随时间对酸、碱、有机质和盐的敏感性和衰减机制。研究结果表明,在静水环境下,岩样强度衰减、腐蚀速率与H 浓度、酸根离子、无机盐浓度及浸泡时间成非线性关系,岩样的强度变化正比于岩样的质量变化;认为在水–岩作用过程中,溶解与沉淀、氧化与还原作用同时发生,共同影响岩样强度的衰减规律;水–岩作用的不同时期,导致岩样强度衰减的主要因素是不同的;在化学风化作用下,岩样的强度与铁离子、钙离子等二价离子的变化密切相关。     

岩石单轴抗压强度与破裂特征的化学腐蚀效应

通过对几种岩性岩石在化学腐蚀下单轴压缩破裂过程的细观力学试验，探讨了不同化学溶液对几种岩性岩石单轴抗压强度的腐蚀效应，获得了裂纹扩展过程的显微与全场图像，分析了在化学腐蚀下岩石的细观破裂特征和腐蚀机理，从而为岩石化学损伤力学模型的建立和岩体工程的长期稳定性评价提供了科学依据。     

地下水对泥板岩强度软化的损伤力学分析

针对18层泥板岩处于龙滩水电站坝址进水口高边坡中这一特殊情况,深入探讨水-岩相互作用使其劣化的损伤机理。采用RMT-150B型岩石刚性伺服试验机,进行18层泥板岩不同吸水率情形下的单轴压缩试验。结果表明,泥板岩抗压强度的软化不仅与吸水率密切相关,而且还是吸水时间的函数。运用损伤力学理论分析地下水对岩石强度与变形的影响,初步建立与应力状态密切相关的岩石遇水损伤演化方程。结果表明,该理论能较好地描述岩石遇水损伤演化特征,从而为岩质边坡细雨入渗滑坡现象提供理论依据。     

水–岩石相互作用力学参数的探讨

 水–岩石相互作用是一个非常复杂的过程,鉴于水对裂纹的强敏感特性,利用这种特性探讨岩石的一些基本物理力学性质。现行广泛采用的试验方法有真、假三轴试验,通过分析试验理论和加载测量技术,提出真、假三轴试验在无水压力和有水压力条件下,各自试验可以获得的力学参数个数;指出假三轴试验适合于研究各向同性材料,给出以六面体试件(5 cm×5 cm×10 cm)实施假三轴试验可以研究孔隙介质材料各向异性力学特性的观点。利用水压力卸载对孔隙介质材料力学特性影响较小的特点,提出以水压力卸载试验确定各向异性Biot系数理论和试验方法及相应力学参数的观点。试验结果表明,各向异性Biot系数在不同方向的变化趋势也不相同;利用水–岩石相互作用特征,提出一种新的确定岩体石屈服极限应力的方法,即以偏应力与水压力关系曲线水压力最大值所对应的偏应力为屈服极限应力。试验结果显示,Skempton系数分散性较大,在注水和非排水试验中,水压力的作用机制也不尽相同。这种研究对损伤力学和土木工程实践具有重要意义。     

水–岩作用下断续节理砂岩力学特性劣化机理

在库水位周期性升降作用下,库水消落带节理岩体的损伤劣化很可能导致库岸边坡向不稳定的方向发展。基于此,开展了断续节理砂岩的水–岩作用试验,结合力学试验和微细观结构检测综合分析其劣化规律及机理。结果显示:(1)在长期水–岩作用过程中,断续节理岩样的抗压强度、变形模量劣化趋势明显,而且存在明显非均匀性,其中前3个水-岩作用周期的阶段劣化度明显较大,5个水–岩作用周期之后的阶段劣化度明显减小并趋于稳定。(2)水–岩作用下,不同节理倾角岩样的力学参数劣化幅度不一样,阶段劣化度总体呈U型分布,节理倾角在0°和90°附近时,节理岩样从明显的张性破坏逐渐向剪性破坏转变,破坏模式变化特征比较明显,对应力学参数劣化幅度较大;节理倾角为60°左右时,节理岩样总体保持顺节理面的剪切破坏,破坏模式变化特征不明显,对应力学参数劣化幅度比较小,这些变化也使得节理岩样各向异性力学特征逐渐减弱。(3)在水库长期运行过程中,消落带节理岩体的产状直接影响水–岩作用的劣化趋势和变形破坏特征,因此,在库岸边坡长期变形稳定分析中,不仅要关注消落带岩体力学性质的劣化,也要关注节理岩体的产状差异及其在水–岩作用下变形破坏模式的转化。     

水岩相互作用对岩石劣化的影响研究

水岩相互作用作为岩土工程相关学科研究的前沿领域,具有典型的多学科交叉特点,是工程岩土体稳定研究的重要内容之一.水岩相互作用过程中,岩石改变了水的赋存状态,同时自身也受到水的反复侵蚀.本文分别从物理、化学和力学作用三方面入手,对水岩相互作用下的岩石劣化问题进行了综述,对国内外的研究现状进行了回顾与分析,进而总结了岩石劣化...