静态化学溶蚀作用下白云岩力学特性劣化机制研究

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自然状态下,水和岩石之间会发生诸如物理作用、化学作用和力学作用等三个方面的反应,这些作用会导致岩石的性质发生改变,进而导致岩体工程特性发生劣化,最终引起工程建筑物失稳。白云岩作为秦巴山区常见基岩体,受长时间静态化学溶蚀作用,Ca2+和Mg2+溶出导致岩石质量亏损,使其微观结构发生改变,宏观力学性能亦会发生劣化。基于此,本文选择秦巴山区山阳“8.12”滑坡白云岩为研究对象,配制酸性(HCl溶液、p H=3.0)、中性(去离子水、p H=7.0)和碱性(Na OH溶液、p H=11.0)等三种化学溶液,开展室内静态化学溶蚀试验,测定白云岩不同溶液环境、不同持续浸泡时间下宏观力学参数、微观形貌结构变化和静态化学溶蚀机制。主要研究工作及成果如下:(1)运用X-衍射技术测定了所选白云岩试件的矿物成分和胶结类型,为研究静态化学溶蚀对岩石的劣化机制提供了理论基础。(2)设计白云岩溶蚀试验。观察三种不同p H值化学溶液环境中不同溶蚀天数的白云岩试样表观变化特征,测定静态溶蚀前后白云岩试样质量变化,结果表明,随溶蚀时间增加,白云岩试样表观裂纹都发生扩展;随溶蚀时间增加,白云岩平均溶蚀率均有不同程度增加,且平均溶蚀率酸性>中性>碱性。(3)对三种不同p H值化学溶液不同静态溶蚀阶段的试样进行室内三轴压缩试验,得到围压分别为3MPa、6MPa、9MPa和12MPa时试样的三轴压缩强度以及破坏形态,并利用直线型莫尔-库伦强度理论拟合内聚力和内摩擦角。白云岩的三轴压缩强度、内聚力和内摩擦角均随着静态溶蚀天数增加而发生劣化,酸性溶液中劣化程度最大,中性溶液次之,碱性溶液中劣化程度最小。白云岩的破坏形式在溶蚀前期以剪切滑动破坏为主,随溶蚀时间的推移,试件塑性变形增大,破坏形态逐渐转变为剪断-塑性过渡型破坏。(4)通过对各静态溶蚀周期溶液主要离子浓度进行检测,得到各溶液主要离子浓度与静态溶蚀时间的对应关系,酸性溶液环境中溶出的Ca2+和Mg2+浓度最大,碱性中最小,基于矿物成分检测和溶液中化学反应对白云岩溶蚀机理进行研究,得到白云岩宏观力学强度劣化主要取决于溶液中Ca2+、Mg2+浓度,内聚力和内摩擦角与溶液中Ca2+、Mg2+含量呈负相关关系。(5)通过扫描电镜观察不同试验阶段白云岩试样微观结构,通过微观形貌变化总结出白云岩微观结构变化过程分为三个阶段。基于IPP6.0数字图像处理技术量化扫描电镜观测结果,通过统计试样缺陷区域占比得到酸性环境中白云岩缺陷区域最大,中性环境中次之,碱性环境中缺陷区域占比最小,试样缺陷区域占比与溶液中离子浓度呈正相关关系、和宏观力学参数呈负相关关系。
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