酸性环境干湿循环作用下砂岩损伤特性及机理研究

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为研究岩土体工程在复杂水溶液环境中的损伤劣化特性,探究酸性干湿循环作用对地下深部岩土体工程的稳定性、安全性的影响规律。本文以陕西某边坡的白砂岩为研究对象,进行不同水化学溶液环境和干湿循环共同作用下的扫描电镜(SEM)试验、核磁共振(NMR)试验及单轴压缩试验,并在加载全过程采用声发射技术实时监测岩样破坏特征,结合分析砂岩结构内部细、微观损伤演化规律及力学特性劣化规律,研究不同水溶液环境对砂岩损伤劣化的影响规律,建立砂岩在干湿循环受荷耦合作用下的损伤劣化模型。本文主要研究如下:(1)对不同水溶液环境下经历不同干湿循环次数后的砂岩开展核磁共振试验,研究砂岩细观结构损伤演化规律。试验结果表明:砂岩在酸性环境干湿循环作用下质量及纵波波速损伤劣化效应显著,且在干湿循环6次前降幅较大,之后降幅逐渐减缓,最终逐渐趋于稳定;砂岩T2谱面积随着循环次数的增长不断变大,呈指数增长趋势;岩石结构内部孔隙主要由微小孔隙组成,所占比例高于98%,砂岩结构内部的孔隙度随干湿循环次数的增长不断增大,呈指数增长的趋势。(2)开展不同干湿循环条件下的砂岩单轴压缩试验、声发射试验及扫描电镜试验,研究砂岩宏观变形特性、力学特性的损伤演化规律及微观孔隙结构演化规律。结果表明:砂岩的破坏形式大多符合脆性破坏或准脆性破坏,且软化效应显著;砂岩在不同酸性干湿循环条件下的累计AE振铃数随循环次数的增长呈指数衰减趋势,且劣化度不断减缓;砂岩在不同水溶液环境下单轴抗压强度随循环次数的增长不断降低,呈指数衰减趋势,且中性水溶液环境中的砂岩降幅最小;砂岩单轴抗压强度随孔隙度的增长不断减小,且呈线性衰减规律;弹性模量随着干湿循环次数的增长呈指数衰减规律,且酸性越强,砂岩弹性模量的劣化程度愈明显;砂岩在循环初期破坏形态基本呈现脆性张拉劈裂破化,16次干湿循环后,砂岩岩样整体呈现多剪切破坏模式;SEM图像可知,循环初期砂岩内部骨架组织结构较为完整,砂岩表面较为平整。16次循环后,各微裂隙之间相互贯通、搭接形成直径较大裂隙,孔隙总体积不断增长,中性环境中的孔隙演化较为缓慢,且形成较大孔隙的现象较少。(3)根据核磁共振试验结果,采用纵波波速及孔隙度定义损伤变量,探究岩石在不同水化学溶液环境及干湿-受荷耦合作用下的损伤劣化规律,分析干湿循环次数及不同水化学溶液环境对砂岩损伤劣化特性的影响规律。
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