变质岩化学风化与微观组构及力学特征相关性研究

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本文以金沙江大桥桥址区变质砂岩、板岩、千枚岩化学风化特征、微观组构及力学特征为研究目标,提出岩石化学风化程度判识方法,建立岩石化学风化系数与岩石微观组构及力学特征相关性,根据力学试验数据进行数值模拟,建立并验证本构模型。研究结果如下:1.通过对研究区岩石微观组构的分析,得到如下结论:通过偏光显微镜及扫描电镜下矿物形态研究、岩石化学成分分析,得到岩石矿物形态完整性及晶体结构稳定性方面:石英>绿泥石>绢云母。在原生结构破坏程度、碎基含量以及化学风化程度方面:千枚岩>板岩>变质砂岩,而Si O2含量以及三轴峰值强度方面:千枚岩<板岩<变质砂岩。说明Si O2含量越高,晶体结构越稳定,岩石抗风化能力及岩石强度越强,岩石结构破坏程度及矿物颗粒破坏程度越低,碎基含量及裂隙发育程度越低。结合EBSD分析,研究区石英底滑移特征明显,在中低温构造变形过程中,热液变质作用不明显,以区域变质作用为主,因此岩石矿物重结晶不明显,岩体呈现正变质相,岩体以密集脆性破裂为主,具有密集破裂结构面发育的岩体工程特征。2.通过研究区地表水化学成分分析,确定水化学成分主要来源为硅酸盐岩以及碳酸盐岩的化学风化,为重碳酸型水,其中Mg、Ca及(Na+K)元素具明显活动性,在化学风化过程中可以起到指示性作用。基于Si O2、Ti O2、Al2O3、Fe2O3、Mg O、K2O、Na2O七种控制元素含量,结合SPSS.22软件拟合得到岩石化学风化判别式:Fi=42.161×ln(Si O2)+0.062×ln(Ti O2)-4.100×ln(Al2O3)+1.033×ln(Fe2O3)+0.005×ln(Mg O)-0.230×ln(K2O)-1.179×ln(Na2O)-87.975。3.采用回归分析方法,得出岩石化学风化系数越高,弹性模量、声发射计数比以及长期强度越高,分形维数差越低。并且围压于20MPa是岩石化学风化作用影响岩体工程特性的分水岭,具有一定的工程指导意义。4.基于对裂隙周长及面积的统计结果,利用分形维数能准确描述裂隙发育特征:分形维数较高时,多发育小尺寸微裂隙,不易造成裂隙的贯通破坏,岩石强度越高。5.通过颗粒离散元软件PFC2D和MATLAB软件分别对声发射压缩试验和蠕变试验进行拟合,得到的拟合曲线和试验曲线相关度均在0.9以上,表现出极高的适用性。综上所述,本文所拟合的岩石化学风化判别系数及本构模型适用于研究区弱风化至中风化条件下的变质岩,并能够有效的表征及预判研究区岩石微观组构、风化程度和力学性质。因此在选择桥址时应结合岩石化学风化系数及数值模拟,对桥址区岩石微观组构、化学风化程度、力学性质进行预判,优先选择岩石化学风化系数较高的岩石,对工程设计施工提供支持。
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