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。     

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。     

水-岩作用状态随机模拟的可信度分析

水-岩系列(包括岩石、大坝混凝土以及坝基帷幕体等)相互作用(如溶解-沉淀作用)的状态具有不确定性。依据化学热力学的基本原理，建立了一个由功能函数组成的数学模型来进行水-岩作用随机模拟的可信度分析。实例研究表明，根据所建模型可以更有效地判定坝基有关部位的水．岩作用状态，即若某部位水-岩作用状态处于溶解的概率趋近于1，则其遭受侵蚀的可能性越大：反之，若某部位水．岩作用状态处于沉淀的概率趋近于1，则其遭受侵蚀的可能性越小。因而认为，采用该方法进行水．岩作用模拟，可望获得更多的反映水-岩作用状态的有用信息。     

Excel规划求解水-岩作用模型

根据能量最低原则和化学热力学的基本原理,采用线性规划的方法,对水与岩石之间的相互作用进行模拟,建立了由目标函数和约束条件方程组构成的数学模型,利用Excel规划求解的功能对其进行求解.通过正确设置Excel规划求解参数的对话框,快速而准确的求解出目标函数的最优解,揭示了水-岩相互作用的机理并得出了矿物溶蚀量.     

软岩冻融损伤的水-热-力耦合研究初探

冻融力学研究正温、负温环境交替变化对材料的物理力学性质的影响。由于软岩为强度低、孔隙度大、胶结程度差、含有大量膨胀性粘土矿物的松散、软弱岩层。因此,软岩的水-热-力耦合不是一个简单的过程。初步提出了软岩的水-热迁移机理,进而提出了软岩水-热-力耦合的基本数学模型。最后用ANSYS软件模拟了隧道围岩温度场与应力场,得到了隧道围岩冻胀力的分布趋势。     

国际水-岩相互作用工作组专家访问中科院地质与地球物理所

应中科院地质与地球物理所庞忠和研究员邀请，由工作组现任主席Dr．YousifKharak先生带队的国际水-岩相互作用工作组一行6人于2006年9月23日访问该所并作了三场精彩的学术报告。报告人及报告题目分别是：Dr．OlegChudaev（FarEastInstitute，RussianAcademyofSciences），俄罗斯远东地区CO2泉的地球化学研究；Dr．YousifKharak（UnitedStatesGeologicalSurvey，USA）：在沉积盆地中封存人类活动产生的CO2-美国FRIO卤水含水层试验结果和Dr．RobertKalin（Queen’sUniversityofBelfast，UK）：同位紊在污染场地修复研究中的应用。     

使用离散的气-水界面模拟裂隙网络非饱和渗流

非饱和带裂隙中的饱和区和排干区可以用一个离散的气-水界面分隔开。此气-水界面的位置可以用边界元数值方法通过迭代确定，这样就可以实现对单裂隙内非饱和渗流的描述。将此数值方法推广到裂隙网络中，为用离散裂隙网络模型模拟裂隙岩体非饱和渗流提供了初步的框架。几个算例的计算结果验证了计算程序的正确性。     

水-岩耦合作用下红砂岩应变率效应研究

基于?100 mm SHPB试验平台,对吸水红砂岩试样进行不同应变率下冲击压缩试验,对比干燥试样试验结果,探究了水-岩耦合作用下动态抗压强度、变形及单元可释放弹性应变能W_e的应变率相关性,得出:在水-岩-动力的耦合中,岩石强度的应变率强化作用和水的劣化作用同时存在,但应变率强化作用占主导地位;裂隙水对岩石强度的应变率效应有强化作用,并且这种强化作用随着应变率的增大而增强;岩石的峰值应变在水的耦合作用下应变率效应更为显著;当应变率超过某一阈值时,吸水试样在弹性变形阶段更加容易变形,弹性模量降低,而在冲击作用下,裂隙水阻碍裂纹发展,试样抵抗变形的能力增强,变形模量线性增加;水-岩耦合作用下W_e对应变率更为敏感,与干燥试样的W^D_e相比,W^W_e随着应变率的增加而增长更为迅速。     

核废料地质贮存介质黏土岩的三维各向异性热-水-力耦合数值模拟

为了解黏土岩在放射性废料长期贮存中的热-水-力耦合过程,结合MontTerri核废料贮存地下岩石试验工程中黏土岩各种物理量的各向异性特点,应用多孔介质力学耦合理论研究了该黏土岩在加热和冷却全过程中由于热荷载引起的耦合效应场。研究过程考虑温度升高引起的孔隙水黏滞性改变对渗透系数的影响。研究结果表明,岩体力学参数、水力学参数和热传导参数的各向异性特性是影响岩体的温度场、孔隙压力场和应力场分布的最主要因素。各向异性耦合模型与各向同性耦合模型的数值模拟对比研究结果表明：各向异性模型数值结果能更加客观地反映该地下岩石试验工程中黏土岩在受热状态下的热-水-力耦合效应;同时,也表明岩体在加热过程中一直处于受压状态,而在冷却过程中局部会出现拉应力,从而有可能导致拉裂缝的产生。     

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。     

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。     

低渗透地下环境中水-岩作用的渗流模型研究

地下水渗流过程是水(流动)-岩(变形)相互作用的结果，研究水-岩相互作用对于环境问题及工程应用有着重要的意义。基于流-固耦合力学理论，建立了低渗透地下环境中，水-岩相互作用的三维耦合数学模型，并采用分离变量法对一维模型进行了解析求解：通过算例分析，验证了模型的可靠性。所建模型及求解方法在实际工程问题及环境问题中具有重要的理论意义和指导意义。     

四川盆地红层水岩作用岩石弱化时效性研究

 通过对四川地区16个水库采样点现场调查及所采集的岩石样品进行室内微观分析及软化系数测定,红层岩石具有经历长时间浸泡后软化系数随年代逐渐变小的规律,这种强度的降低是水库库水变幅带的“化学风化作用”及“浸泡软化作用”共同叠加的结果。试验结果表明,红层经过30～50 a水库浸泡后,泥岩的软化系数较目前设计部门给出的降低10%～20%,粉砂质泥岩浸泡后软化系数降低15%左右,低于泥岩降低幅度。     

植被护坡的局限性及其对深层滑坡孕育的贡献

根系对土体的加固效应是显著的,植被能够遏制面状水土流失及浅层滑坡。但是,由于大多数植物的根系都分布在地表以下1.5m的深度以内,其加固深度远小于深层滑坡的滑面埋深;另外,蒸腾能够显著降低地下水位,但由于其主要发生在降雨事件的间歇期或旱季,而且进展缓慢,不能有效控制降雨过程中地下水位的大幅抬升及应力环境的恶化,因此,植被在深层滑坡防治方面的作用是有限的。与植被相关的干裂缝、动物通道、膨胀裂缝及结构性孔隙等在岩土体中形成的相对稳定的大空隙系统可以显著优化地下水的补给环境,使得斜坡能够吸收除植被拦截之外的几乎所有降雨量;植被发育斜坡的“渗入-径流-蒸腾”复合型水循环将引起地下水径流模数持续增大及岩体综合质量的渐进性衰退,为斜坡整体滑移奠定基础。植物根系呼吸及枯枝落叶降解等生物地球化学过程会向土体中释放CO2及有机酸等酸性物质,提高土体酸度及渗入水的侵蚀性。同时,植被发育斜坡中地下水的新老交替可以使水岩交换相饱和指数始终处于较低水平,保证水岩化学作用的持续进行。因此,植被对深层滑坡孕育的贡献是显著的。     

粘土矿物与斜坡失稳

作为微米级材料，粘土矿物的单晶尺寸及特殊晶体结构使其集合体-粘土呈现低渗透性、分散-凝絮性及粘滞性等重要工程特性。除沉积岩斜坡含粘土矿物外，76％以上的斜坡岩石造岩矿物还可形成次生粘土矿物。粘土矿物广泛分布于原生沉积岩、三大岩类风化带及第四系松散堆积物构成的斜坡中。泥屑岩因含粘土矿物而易于失稳，且水稳定性差。次生粘土矿物的形成将引起源矿物、矿物集合体及岩块的强度与变形特性的显著变化，诱发岩石向松散介质转化。宏观结构面是粘土矿物最主要的形成和聚集场所，结构面及其内侧一定范围内不同成因粘土矿物的淀积将导致结构面及岩体强度的衰减。粘土矿物是滑坡滑带的常见矿物组分；粘土滑带可以在滑体与滑床之间起到润滑作用。滑带中粘土矿物的含量越多，其润滑效应越显著。粘土型滑带还具有隔水边界之功效，可将滑体与周围介质隔离，使之成为独立水文地质单元，提高坡体拦截、吸收渗入水的能力及斜坡稳定对降雨过程的敏感度。粘土矿物可以促进斜坡时效变形，甚至成为斜坡破坏的关键因素，对斜坡演化及失稳的贡献是显著的。     

抗滑桩与滑坡体相互作用的研究

研究抗滑桩与滑坡体间的相互作用机理，提出了模拟抗滑桩与滑坡体之间相互作用的新方法－－极限平衡法和有限单元法相结合的方法。给出了加固后滑坡体完全系数计算和抗滑桩内力计算的流程图。最后用开发的软件计算了一个实例，得到了很好的结果。     

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。