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作为地质环境中的最活跃的因素,地下水是一种复杂的化学溶液,具有不同离子组分、浓度及酸碱度。它与岩体的相互作用不仅有物理作用,还包括更为复杂的化学作用,而这两方面的综合作用最终导致岩石的物理性质、力学特征发生改变。因此,仅从Tezaghi有效应力原理考虑水对岩石的作用是不够的,还需要考虑水-岩石之间复杂的化学腐蚀作用。现有的研究表明:水化学环境对岩石的影响是十分明显的。因此,在考虑与水有关的岩体工程的稳定性问题时,不能简单的采用应力作用下的岩石的力学特征,同时还要考虑水化学环境对岩石的影响,就该研究领域应展开深入系统的研究,对于那些与不同水化学环境相关的岩体工程、地热开采、核废料地下处置、地下能源储存等均具有一定的理论意义和指导作用。
本文选择了当前环境岩土工程学中基础的研究领域,即水化学腐蚀下砂浆及砂岩的基本性质开展了较为系统的室内试验研究,分析了其在受到不同的水化学溶液腐蚀过程中的物理性质、化学性质、及其力学特征的变化规律,同时对水化学腐蚀的机理进行了分析探讨,提出了能够描述水化学腐蚀作用对试样的变形特性影响的改进的Duncan本构模型,并对试验结果进行了拟合。论文主要的研究内容如下:
1.通过室内试验来模拟不同的水化学环境对砂浆及砂岩试样的影响,着重考虑了溶液pH值、浓度和化学成分的影响。研究了在化学腐蚀过程中不同时间段试样的物理性质、化学性质的变化规律,并采用孔隙率变化率a、纵波波速变化率b、化学溶液pH值的变化及其溶出的Ca2+和Mg2+离子的浓度等物理量和化学量,对试样与化学溶液之间的化学作用随时间的变化进行了对比的分析研究,得到了溶液的pH值、浓度及不同化学成分对试样的影响规律。
2.系统分析了砂浆试样、砂岩试样在不同水化学溶液腐蚀后的强度特征、变形特征及其破坏特征等。结果表明:水化学腐蚀后的试样相应的力学特性均有不同程度的劣化。其劣化的程度与其相应的物理化学性质的变化情况之间具有相互对应的关系:即溶出的离子浓度越大,或试样的物理性质变化越大,试样的力学特性降低也就越大;试样的粘聚力对水化学腐蚀程度较为敏感。
3.结合试样的物理化学性质对其力学特性的劣化机理进行了分析总结:不同水化学溶液对试样的腐蚀程度各不相同,并且具有一定的影响规律。水-岩发生一系列的化学反应,引起试样的物质成分及其结构等发生变化,使得试样的孔隙率增大;最终导致试样的力学特征呈现出不同程度的劣化。
4.基于孔隙率建立了损伤变量,将其与试样的抗压强度、粘聚力、内摩擦角、试样腐蚀后的纵波波速及其变化率进行了回归分析得到:砂岩试样的抗压强度、粘聚力与损伤变量符合指数关系;而内摩擦角、及纵波波速与损伤变量呈现线性关系;纵波波速变化率b与其符合对数函数关系。将拟合公式带入库仑强度准则,得到了主应力与孔隙率的关系式。
5.对Duncan本构模型进行了改进,并采用改进的Duncan本构模型对试样的抗压试验结果进行了验证,其结果与试验结果非常相近。