【摘 要】
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在地下工程、深部岩体工程、堤坝、隧道掘进和矿山开挖过程中,因为地下水的作用,使部分岩体长期处于干湿循环交替的环境之中,长期水岩间的物理作用和化学作用使岩石内部孔洞和裂隙的数量逐渐增加,导致岩体工程失稳破坏。在施工过程中工程岩体结构不仅受到静力学作用,有时还会受到由于爆破、机械掘进,岩爆和地震等所引起的动力学作用。岩石在地下环境中不仅要受一些物理作用,还会受到地下环境中的化学作用。因为工业用水和生活
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在地下工程、深部岩体工程、堤坝、隧道掘进和矿山开挖过程中,因为地下水的作用,使部分岩体长期处于干湿循环交替的环境之中,长期水岩间的物理作用和化学作用使岩石内部孔洞和裂隙的数量逐渐增加,导致岩体工程失稳破坏。在施工过程中工程岩体结构不仅受到静力学作用,有时还会受到由于爆破、机械掘进,岩爆和地震等所引起的动力学作用。岩石在地下环境中不仅要受一些物理作用,还会受到地下环境中的化学作用。因为工业用水和生活用水的排放与重金属污染物沿着土壤流入地下深部,使地下环境的水呈酸性状态。因此地下水中会含有更多的SO42-、Cl-、HCO3-、CO32-等能使地下水呈酸性状态的离子,而岩石中所含的Ca2+与SiO2等矿物质则会与水溶液中的各种离子发生反应致使砂岩的强度降低。长期处于酸性的地下水溶液中,会使岩石内部矿物质发生溶解,内部孔洞和裂隙增大,因此会对岩石的基本力学性质产生一定影响,致使其强度发生变化。本文以酸性干湿循环环境下的深部砂岩为研究对象,再通过理论分析和试验研究的方法对试验结果进行分析。使用XRD射线衍射仪和扫描电镜(SEM)等设备,对经历酸性干湿循环作用下深部砂岩的力学特性和损伤机理进行整理并分析并得出以下结论:(1)随着干湿循环周期的增加和溶液pH值减小,砂岩的强度值在逐渐的减小,总劣化度逐渐的增加。在30次干湿循环pH值为3时砂岩试块的劣化程度最大为28.77%,说明砂岩试块在酸性一定时,砂岩的总劣化度随着干湿周期的增加而增大。在pH值为3干湿循环周期为1、5、10、20和30次时砂岩强度的平均阶段劣化度分别为11.53%、3.42%、2.60%、1.24%和0.97%,在1次干湿循环时平均阶段劣化度最大,由上述可以得出砂岩的平均劣化度随着干湿循环周期的增加逐渐减弱。而在1次干湿循环周期时砂岩在pH值为3、5、蒸馏水和7溶液中强度的总劣化度分别为11.53%、5.35%、2.03%和1.83%,有此可以看出砂岩的强度劣化程度随着溶液酸性pH值的降低而逐渐增加。砂岩的峰值应力和极限应变随着干湿循环周期的增加而逐渐的减小,随着溶液酸性程度的增加而呈现逐渐减小的趋势。(2)对酸性干湿循环周期砂岩进行不同冲击气压(0.55MPa、0.70MPa、0.85MPa)下的动态单轴抗压强度试验,试验结果表明随着干湿循环周期的增加和溶液pH值的减小,砂岩的应力-应变曲线中压密阶段和塑性变形阶段逐渐增加,弹性阶段的长度逐渐的减小,动态单轴抗压强度值也在逐渐的减小。当冲击气压为0.55MPa时,在1次干湿循环pH值分别为3、5、6.5(蒸馏水)和7的溶液中与干燥状态下相比砂岩动态单轴抗压强度值分别减小了15.12%、9.72%、7.12%和3.1%。当冲击气压为0.55MPa时,pH值为3干湿周期为1、5、10、20、和30时砂岩的动态单轴抗压强度值与干燥状态下相比分别减小15.12%、23.00%和26.37%、35.45%和39.85%。(3)对酸性干湿循环周期下动态单轴抗压强度试验破碎试块进行筛分试验并分析,得出砂岩破碎时的分形维数随着干湿循环周期的增加和溶液pH值减小逐渐增大。当冲击气压为0.85MPa时,1次干湿循环周期pH值分别为3、5、6.5(蒸馏水)和7溶液中砂岩试块破碎后的分形维数分别为2.00、1.98、1.95和1.93,砂岩在溶液pH值3时砂岩的分形维数最大。当冲击气压为0.85MPa时,在pH值为3干湿循环周期为1、5、10、20和30次时砂岩破碎后的分形维数分别为2.00、2.04、2.07、2.09和2.12,在干湿循环周期为30时分形维数最大。(4)通过XRD试验和SEM试验对经历酸性干湿循环周期的砂岩进行观察并分析砂岩颗粒内部化学物质组成和微观结构的变化,随着溶液pH值的减小和干湿循环周期的增加,砂岩内部的孔洞和裂隙的数量和大小在逐渐的增加。砂岩内部所含矿物质碳酸钙、石英、钠长石、钾长石等物质与溶液中H+发生溶解致使砂岩内部孔洞和裂纹的数量增大致使砂岩的强度降低,干湿循环作用使砂岩内部可溶物质发生溶解致使损伤加剧。图40 参考文献74
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