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。