酸性干湿循环下单裂隙灰岩力学特性及破坏机制研究

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基于重庆地区的气候特点,考虑酸性环境腐蚀与干湿循环共同作用对单裂隙灰岩的影响,进行了酸性干湿循环试验、单轴抗压力学试验、X射线衍射试验,对单裂隙灰岩在酸性干湿下表面侵蚀的变化、岩石矿物成分的变化;单裂隙灰岩的力学特性;单裂隙灰岩的破坏机制、及其损伤演化方程进行了研究。主要成果及结论如下:(1)制备规格为φ=50mm,h=100mm,裂隙长度为20mm的标准圆柱体单裂隙灰岩试件,设置两种酸性干湿循环条件,p H值分别为2.8(近10年来重庆酸雨监测到的p H最小值)和3.7(10年来每年最小p H值的年平均值),对照组试验p H值为7,循环次数设置为0、15、30、45、60。干湿循环方法为:浸泡时间为15小时,烘干时间为8小时(温度为60℃),烘干之后静置降温1小时,以此模拟重庆夏季降雨。(2)灰岩试件经历以上设定条件的作用后,得到了单裂隙灰岩在酸性干湿下表面侵蚀的变化、岩石矿物成分的变化规律。结果表明:对比自然状态下,灰岩试件在酸性干湿循环之后,方解石含量降低,试件颜色变深、硬度降低、p H值越小,酸浓度越高,变化越明显,试件随干湿循环次数的增加,试件表面光滑度降低,但由于酸的腐蚀,原来不平整的粗糙面会被消融,这些粗糙面又会重新趋于光滑。(3)将经历酸性干湿循环作用后的单裂隙灰岩试件进行单轴抗压试验,得到了单裂隙灰岩试件的应力-应变曲线,分析曲线的变化规律,结果表明:单裂隙灰岩试件的应力-应变曲线分裂隙压密、弹性变形、屈服、破坏4个阶段,经历了酸性干湿循环之后的试件应力-应变曲线逐渐向右下方移动,p H值越小移动幅度越大,说明酸性干湿循环对灰岩变软作用明显。(4)基于单轴抗压力学参数的数据分析,得到了不同裂隙倾角在酸性干湿循环下对灰岩试件峰值强度、峰值应变、弹性模量的影响,研究表明:在同种p H值、相同干湿循环次数作用下45°裂隙对灰岩峰值强度的影响较大,67.5°裂隙的影响次之,0°22.5°、90°裂隙的影响相对较小;90°裂隙对灰岩峰值应变的影响较大,0°、45°裂隙的影响次之,22.5°、67.5°裂隙的影响较小;45°裂隙对灰岩弹性模量的影响较大,0°、22.5°、67.5°、90°裂隙的影响次之。(5)基于单轴抗压力学参数的数据,对经历不同p H值、不同干湿循环次数的同一倾角裂隙的灰岩试件的峰值强度、峰值应变、弹性模量进行分析,结果表明:灰岩试件随着干湿循环次数的增加,峰值强度、峰值应变、弹性模量劣化逐渐增大,而同一倾角裂隙,相同干湿循环次数中,酸性溶液酸度越强对灰岩的峰值强度、峰值应变、弹性模量劣化越强。(6)基于试件弹性模量来建立损伤变量,推导了酸性干湿循环下单裂隙灰岩损伤演化方程。并将演化方程计算出来的损伤变量的计算值与试验所得数据计算出来的损伤变量的试验值进行对比,验证损伤演化方程的合理性,结果表明:计算值与试验值的数值与变化规律基本一致,可通过演化方程来计算单裂隙灰岩不同p H值,不同干湿循环次数下的损伤变量。(7)利用高速摄像机对单裂隙灰岩试件单轴压缩过程进行记录,研究试件的破坏机制,分析了酸性干湿循环对灰岩破坏的影响,结果表明:0°、90°裂隙倾角的单裂隙灰岩为张拉破坏。22.5°、45°、67.5°为张剪混合破坏,干湿循环作用对单裂隙灰岩试件破坏特征的影响不明显,最终破坏的形态主要受到裂隙倾角的控制,但干湿循环会使灰岩试件在破坏时的破碎度增加,破坏过程中裂纹的萌生相对早一些,裂纹贯通破坏时间变长,这种现象也随着干湿循环次数的增加与循环溶液p H值的减小而越加明显。酸性干湿循环降低了灰岩试件破坏的脆性,增加了灰岩试件的塑性。
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