【摘 要】
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我国幅员辽阔,水域众多,水岩相互作用可以说无时无刻不在发生。人们在进行岩土工程建设以及地下空间开发的过程中,往往会遇到各种水岩相互作用导致的工程安全问题。因此,开展干湿循环与化学腐蚀对岩石力学性能影响的研究,对地下岩土工程的安全建设具有重要意义。结合前人的试验研究基础以及现有的试验条件,采取了力学试验(单轴和三轴压缩试验、蠕变试验)、微观结构分析与理论相结合的方法开展了酸性环境与干湿循环对白砂岩的
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我国幅员辽阔,水域众多,水岩相互作用可以说无时无刻不在发生。人们在进行岩土工程建设以及地下空间开发的过程中,往往会遇到各种水岩相互作用导致的工程安全问题。因此,开展干湿循环与化学腐蚀对岩石力学性能影响的研究,对地下岩土工程的安全建设具有重要意义。结合前人的试验研究基础以及现有的试验条件,采取了力学试验(单轴和三轴压缩试验、蠕变试验)、微观结构分析与理论相结合的方法开展了酸性环境与干湿循环对白砂岩的力学性能规律影响的研究。试验样品选自四川省西南地区的整块白砂岩,经过加工打磨将试件制作成为标准圆柱形试件。设计了酸性和中性两种环境分别进行了5次、10次、20次、30次的干湿循环试验;对干湿循环后所得的试件进行单轴和三轴压缩试验、蠕变试验,将试验结果进行数据统计和计算分析,对酸性和中性环境下干湿循环后白砂岩的力学性能(抗压强度、弹性模量、粘聚力和内摩擦角等)与循环次数之间的规律进行了探究;利用X射线衍射分析技术分析了干湿循环前后白砂岩的矿物成分变化,通过扫描电子显微镜从微观层面上对干湿循环对岩石的损伤进行了揭示;从化学腐蚀和干湿循环作用两个方面阐述了酸性环境下干湿循环的白砂岩的劣化原理。通过ABAQUS对酸性环境下干湿循环作用后的白砂岩进行了模拟试验并与实际试验进行了对照分析。本文的主要研究成果如下:(1)通过前期对不同地区岩样的取材勘测,最终选取了四川省西南地区的白砂岩块作为试验材料,加工制备标准圆柱形试件。设计了酸性和中性环境下不同次数的干湿循环试验。(2)将酸性和中性环境下干湿循环所得的白砂岩试件开展了单轴和三轴压缩试验,分析了不同溶液环境和循环次数下白砂岩试件的应力—应变曲线、弹性模量、抗压强度、以及内摩擦角和粘聚力等力学性能的变化规律。发现在酸性和中性环境下干湿循环的白砂岩,其抗压强度、弹性模量的变化规律基本一致,随着循环实验的不断进行,其力学性能不断下降,且下降速率呈现出了一个先增大后减小的趋势。酸性环境和中性环境下干湿循环的白砂岩的内摩擦角基本不变,下降幅度较小,粘聚力则呈现出大幅下降的趋势。在酸性环境下干湿循环的白砂岩,其抗压强度、弹性模量以及内摩擦角和粘聚力,都要明显低于在中性环境下干湿循环的白砂岩。(3)利用SEM电镜扫描试验和X射线衍射分析试验对酸性和中性环境下不同循环次数的白砂岩进行观测,对干湿循环对白砂岩的影响进行了分析。从细观上来讲,干湿循环对岩石的损伤主要是通过对岩石内部孔洞的数量影响、岩石晶体结构完整性的破坏以及岩石内部孔隙的发育等方面,导致了岩石力学性能的大幅度下降。从岩石矿物成分变化来说,化学腐蚀和干湿循环的进行造成了伊利石和高岭土的水解腐蚀,导致岩石的质量不断下降,进而导致了岩石的劣化。(4)对酸性和中性环境干湿循环后的白砂岩开展了单轴蠕变试验研究,同时利用玻尔兹曼叠加理论对试验数据进行了绘制,通过对所得实验数据的分析计算,获得了酸性环境和中性环境不同循环次数后白砂岩在不同载荷等级下的蠕变特性数据,同时通过等时应力—应变曲线法获得了干湿循环次数与长期强度的规律。发现酸性环境和干湿循环对白砂岩的蠕变变形均产生了较大的影响,且酸性环境对白砂岩强度的影响要小于干湿循环对白砂岩长期强度的影响。随着循环实验的不断进行,长期强度不断降低,力学性能不断劣化。在相同的循环次数下,酸性环境的瞬时蠕变速率和稳态蠕变率更大。(5)通过数值模拟软件ABAQUS,对酸性环境下经历了不同干湿循环次数的白砂岩进行了压缩模拟试验。并将模拟结果与实际试验所得数据进行了对比,试验数值与模拟数值基本一致。
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