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。     

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。     

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。     

盐岩力学特性应变率效应的试验研究

 以层状盐岩体矿床中的NaCl岩盐与无水芒硝盐岩为研究对象,在实验室内进行10－5～10－3 s－1范围内单轴压缩强度与变形特性的应变率效应研究。研究结果表明：在上述应变率范围内,NaCl岩盐与无水芒硝盐岩的单轴抗压强度与弹性模量基本不随加载应变速率而变化;同一应变速率条件下,无水芒硝盐岩强度略高于NaCl岩盐;两类盐岩的泊松比均随加载应变速率的增大而减小;随加载应变速率的增大,试件在峰值应力点处的应变减小,其变形模量与加载应变速率呈对数关系;试件破裂方式不随加载应变速率而变,NaCl岩盐试件破裂为柱状劈裂或楔型剪切,而无水芒硝盐岩则表现为单斜剪切。对扩容应力与极限强度之比统计结果表明,盐岩扩容应力与极限强度之比(平均值)为87.3%～91.0%,表明盐岩在扩容之前均具有很强的变形能力。由试验结果可知,在其他安全稳定条件满足的前提下,盐岩溶腔储气库运营中、腔壁应变率在10－5～10－3 s－1范围之内,可以保证储气库腔体的安全稳定运营。     

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。     

爆破损伤岩石力学特性的试验研究

在不同的爆破条件下,在大理岩中进行了模拟爆破实验。在对爆破损伤岩石的力学特性进行实验研究的基础上,得到了在不同爆点距离和爆破条件下,爆破对岩石损伤作用的一些规律,并应用岩石弹脆性细观损伤模型,对爆破损伤岩石的细观裂纹扩展规律及其损伤特性进行了分析。     

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。     

岩石蠕变及其扰动效应试验研究

在深井软岩条件下,巷道围岩应力状态处于岩石强度极限邻域内,围岩会产生较大的蠕变变形,而且随机扰动荷载会对蠕变变形产生很大的影响。因此,研究岩石的蠕变特性以及岩石在扰动载荷作用下的变形效应,建立蠕变扰动效应理论,对深井软岩支护具有重要的工程实用价值。结合国家自然科学基金项目“岩石在强度极限邻域内的扰动蠕变特性实验研究”,围绕岩石的非线性蠕变特性和蠕变扰动效应,应用新研制的常载三轴扰动蠕变仪和弯曲试验仪,进行岩石单轴压缩蠕变、四点弯曲蠕变和蠕变扰动效应等系列室内试验,主要研究岩石的非线性蠕变特征、对扰动荷载敏感的邻域范围以及强度极限邻域内的蠕变扰动效应等,并对试验结果进行多方面的研究和探讨,得到了一系列有意义的研究成果,论文的创新点和主要结论如下：     

辽西花岗岩水–岩耦合力学特性试验研究

为了研究水–岩耦合作用对辽西花岗岩力学性质的影响,采用MTS–815岩石力学试验系统,通过对花岗岩试样施加不同的围压和孔隙水压力,对其变形破坏过程进行试验研究,分析水–岩耦合作用下辽西花岗岩的有效峰值强度、扩容现象、残余强度、峰后强度及其参数的演化规律。研究结果表明,有效峰值强度折减系数随孔隙水压力增大近似呈线性增长,但变化斜率随着围压增大而逐渐减小。在围压较小时孔隙水压对有效强度折减系数有明显的影响,在围压较大而孔隙水压较小时,施加应力压缩孔隙喉道抑制了孔隙水压对试样的作用。扩容起点是致密岩体水岩耦合作用增强的特征点,围压使得试样的扩容起点发生滞后,而孔隙水压力使得扩容起点提前发生,扩容现象与水岩耦合作用相互促进。水–岩耦合作用下试样的残余强度为对应状态峰值强度的21%~35%,Hoek-Brown常数随着围压的增大呈非线性增长,其值为3.5~5.0。峰后段试样的似内摩擦角变化不大,似黏聚力随着应变软化参数的增加有逐渐减小的趋势,而相同应变软化参数对应的似黏聚力则随着孔隙水压力的增大而减小,且似黏聚力、孔隙水压和应变软化参数间的关系可用3次样条曲面进行描述。     

三类岩石热损伤力学特性的试验研究与细观力学分析

 运用偏光显微技术,比较不同温度处理后砂岩、花岗岩和大理岩微观结构的不同变化特征。分析对比常温～800 ℃高温处理后三类岩石纵波波速、孔隙率、弹性模量、峰值应力及应变的变化规律,并讨论其与微观结构变化的内在联系。结合岩石热损伤后初始损伤程度增大、微裂纹刚度弱化及张开度增大等特征,采用细观损伤力学模型研究热损伤岩石应力–应变曲线显著的非线性特征。研究结果表明：(1) 热处理砂岩细观结构的变化主要表现为胶结物变化及矿物相变,矿物内无明显热裂纹发育;热处理花岗岩内热裂纹发育明显,800 ℃处理后最大裂纹宽度可达100 ?m,较400 ℃时增加约1个数量级;大理岩热裂纹以晶界裂纹为主,600 ℃处理后最大裂纹宽度达20 ?m,约为400 ℃时的2倍。(2) 花岗岩和大理岩的弹性模量随热处理温度的增大持续降低,但砂岩的弹性模量在500 ℃热处理温度阈值之后才显著下降。(3) 三类热损伤岩石的宏观物理力学性质与其形成条件、矿物组分、微裂纹发育密切相关。(4) 基于均匀化理论的细观损伤力学模型的计算值与试验值吻合良好,热损伤岩石应力–应变曲线初始压密阶段显著延长的力学行为与微裂纹密度和刚度直接相关。     

软岩在饱水过程中水溶液化学成分变化规律研究

针对广东地区重大工程中几种典型软岩的基本类型和特点，设计了一系列软岩饱水软化试验。通过选取华南地区“红层”——粉砂质泥岩和泥质粉砂岩两种代表性软岩，在天然状态、饱水1，3，6和12个月时，研究水溶液pH值和阴离子及阳离子浓度的变化，探讨不同类型软岩在不同饱水时间后，水溶液的pH值和化学成分的动．态变化规律。结果表明，软岩在饱水过程中，水溶液的pH值将逐渐减小，由弱碱性向酸性过渡，这些变化率为2％～46％。同时，着重指出：饱水3个月时，是水．岩化学作用的临界时间转折点，即3个月之前，阳离子及阴离子的化学交换与吸附作用活跃，反应中离子的浓度是下降的：3个月之后，该作用逐渐减弱，离子的浓度呈现出回升渐趋稳定或稳定的趋势。软岩与水化学反应中离子浓度的变化一般服从两种曲线类型，即指数曲线和动力学稳定方程(反应．扩散方程)曲线。其动力学过程无论服从哪一种规律，最后终将趋向稳定态。此外，对于这两类软岩，其F^-，Mn^2 ，Al^3 ，Fe^3 ，Zn^2 等离子在试验过程中基本保持稳定值，表明岩块与水的化学作用过程中基本没有该类离子的参与。     

裂隙水对节理岩体裂隙扩展影响的CT实时扫描实验研究

采用与CT机配套的加载装置，使用相似材料，对单裂纹含水和不含水的标准试件进行了CT实时监测实验，以观测裂纹扩展的全过程。探讨试件在不同复杂应力状态和原生裂纹处于不同地下水压的情况下，其裂纹的萌生、演化、发展及最终破坏形式。通过在试件中原生裂纹内不注高压水、含有压裂隙水和注水致裂来分别模拟岩体工程中裂隙不受水的影响、受有压水的影响及水压致裂的破坏过程。目的在于探讨3种情况下，岩体的不同破坏形式。从实验结果来看，3种条件下，试件都经历了微裂隙被压密、损伤演化开始、微裂纹扩展贯通、宏观裂纹产生等阶段，但其破坏形式各不相同。说明了在分析岩体结构时要充分考虑地下水的存在状态对工程结构的影响。同时，也为进一步建立岩体结构合理的损伤演化方程、本构关系和研究岩石破坏机理提供了科学依据。     

化学腐蚀下灰岩力学效应的试验研究

结合三轴压缩试验结果，详细分析了不同化学溶液作用下，化学腐蚀对灰岩全应力．应变过程曲线各阶段的影响特征，并对化学溶液的腐蚀影响机理进行分析，获得了不同化学溶液对灰岩变形及强度腐蚀效应的影响规律。     

煤岩蠕变损伤特性的实验研究

对可能产生煤与瓦斯延迟突出的煤岩进行常规的物理力学性质实验、微观损伤分析和流变力学特性实验。经过对实验结果的分析,得到煤岩受力变形直至破坏的实验规律,提出了有实用价值的煤岩损伤的偏应力检测法。     

水化学溶液及冻融耦合作用下灰岩力学特性试验研究

 以洛阳龙门石窟灰岩为研究对象,考虑石窟区灰岩渗水溶液的侵蚀和冬季冻融损伤的影响,进行不同水化学溶液及冻融耦合作用下的力学试验,研究龙门石窟灰岩在水化学溶液及冻融耦合作用下的力学损伤特征。试验表明,水化学溶液及冻融耦合侵蚀作用下,随着冻融循环次数的增多,灰岩的损伤逐渐增大;与水化学溶液单一的侵蚀作用相比,水化学溶液及冻融耦合侵蚀作用对岩石的损伤程度要大,如在相同的冻融循环次数(90次)的情况下,在蒸馏水、龙门水、NaCl溶液与冻融耦合作用下,试件的强度比自然状态分别下降了50.73%,54.92%,57.67%,而仅受上述溶液作用没有经历冻融的试件强度则分别下降了21.58%,22.88%和28.72%。在试验研究范围内,龙门石窟灰岩的冻融劣化模式均为颗粒损失模式。分析指出,水化学溶液及冻融耦合侵蚀作用下,溶液中凝结核的丰度和溶液的pH值是影响灰岩损伤程度的重要因素。在对试验结果分析的基础上,建立水化学溶液及冻融耦合作用下龙门石窟灰岩的侵蚀损伤方程。研究结果将为石质文物及岩石工程的长期保护提供重要的理论基础,具有广泛的实际工程应用价值和应用前景。     

灰岩细观结构的化学损伤效应及化学损伤定量化研究方法探讨

化学腐蚀下岩石细观结构的改变是引起岩石力学性质变化的根本原因,因此,对细观结构的化学损伤效应及其定量化的研究具有重要意义。通过化学腐蚀下岩石细观结构的变化,分析研究了化学溶液对岩石细观结构的腐蚀损伤效应;并以空隙率的变化为基础,建立了化学腐蚀下岩石细观结构化学损伤变量计算公式,给出了损伤测量参数的计算方法。该方法的应用,对岩石试件无破坏作用,可对同一试件持续进行不同时间段的腐蚀损伤特征研究。避免了在损伤时间效应研究过程中,因使用不同的岩块,而由岩块间微观结构差异所产生的误差影响。     

岩石冻融破坏机理分析及冻融力学试验研究

岩石的冻融破坏是寒区岩石工程中常遇到的主要病害之一。深入系统地分析了岩石受冻融循环影响的冻融破坏过程、影响因素,研究了其冻融破坏机理;通过试验研究了2种岩石的冻融破坏过程,发现了岩石的2种基本冻融破坏模式:片落模式和裂纹模式;并通过在室温下(20℃)对2种饱和岩石经历不同冻融循环次数后的单轴压缩试验,得到岩石的单轴压缩强度、弹性模量分别与冻融循环次数的拟合关系表达式,为今后岩石冻融损伤及冻融断裂研究提供了可靠的试验依据。