单裂隙花岗岩应力-化学耦合试验研究

摘要

岩石是由多种矿物组成的集合体，由于地壳运动以及风化作用，诱发岩石内部产生大量不同尺度的节理裂隙。在实际工程中，这些裂隙对岩石的力学特性产生很大的影响，导致工程在建设过程中面临诸多问题。另外在矿山开采、核废料处置、巷道等地下工程建设中，由于地下水的存在会和周围的岩体发生水解反应，同时地下水中含有很多化学离子，这些化学离子使得地下水的pH发生改变。地下水与岩土介质之间的化学作用使得岩石组成矿物发生化学反应，微细观结构发生改变，从而影响岩石的孔隙大小以及宏观物理力学特性。同时在地应力的作用下会形成复杂的多场耦合环境，影响围岩的力学性能和巷道的稳定性。因此，研究含三维裂隙岩石在水化学溶液环境中，预制裂隙岩石的力学特征及在应力化学耦合过程中岩石的物理、力学特征对于地下工程长期稳定性评价以及工程中损伤的鉴定与加固均具有重要的实际工程意义。 本文以花岗岩为研究对象，首先对水化学溶液侵蚀过程中花岗岩的微细观结构、矿物组成、孔隙率以及比表面积等变化进行了定性分析和定量测试。然后开展了化学腐蚀前后单裂隙花岗岩三轴压缩试验，分析了预制裂隙以及化学溶液对花岗岩力学性质的影响。论文的主要研究内容及成果如下： （1）通过开展水化学环境下的单裂隙花岗岩化学侵蚀试验，发现随着浸泡时间的增加溶液的pH值逐渐趋于中性，花岗岩试样的质量和弹性纵波波速均出现不同程度的下降，主要矿物成分含量发生了明显的变化； （2）光学显微镜、扫描电镜分析结果显示，经过浸泡之后的单裂隙花岗岩表面出现了凹凸不平的微小浅坑和细小裂纹，同时结构变的松散，许多晶面上出现溶蚀小孔洞，呈蜂窝状结构，胶结面消失，晶体大颗粒转变为大量的碎屑状小颗粒，次生孔隙增多； （3）单裂隙花岗岩试样的破坏过程经历了内部微裂隙压密、弹性变形、裂纹非稳定扩展和裂纹贯通破坏四个阶段。其中，含45°裂隙试样的内部微裂隙压密阶段相比含0°和30°经历的时间很短，很快进入弹性变形阶段。在应力到达峰值强度70%～90%的时候30°和45°裂隙试样会出现主应力跌落的现象。同时，相比含0°角裂隙花岗岩试样，含30°和45°裂隙花岗岩试样的峰值强度、弹性模量和黏聚力均出现了下降； （4）酸性化学溶液侵蚀作用后，花岗岩试样的峰值强度、弹性模量和黏聚力呈下降趋势，内摩擦角呈上升趋势，并且浸泡时间越长影响越大，而不同裂隙角度对化学损伤程度的影响并不明显。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 裂隙岩石研究现状

1.2.2 水-岩作用研究进展

1.2.3 应力-化学耦合作用研究现状

1.3 研究方法

1.3.1 研究目标

1.3.2 主要研究内容及研究思路

第2章 裂隙花岗岩加工及试验原理

2.1 试验准备

2.1.1 试验设备

2.1.2 试样加工

2.2 试验原理

2.2.1 岩石强度理论

2.2.2 氮吸附原理

2.3 本章小结

第3章 化学侵蚀下单裂隙花岗岩物理性质试验

3.1 试验材料与方法

3.1.1 水化学溶液配制

3.1.2 干燥处理

3.2 化学侵蚀作用下花岗岩微细观结构变化试验分析

3.2.1 溶液pH值变化分析

3.2.2 花岗岩试样质量变化分析

3.2.3 花岗岩试样孔隙率变化分析

3.2.4 花岗岩试样弹性波纵波速变化分析

3.2.5 岩石矿物结构与成分分析

3.2.6 花岗岩试样表面腐蚀特征

3.3 化学侵蚀后花岗岩比表面积及孔径分析试验

3.4 本章小结

第4章 侵蚀后单裂隙花岗岩力学性质试验

4.1 温度-渗流-应力-化学（THMC）多场耦合试验系统

4.2 花岗岩常规三轴压缩试验

4.2.1 不同倾角裂隙花岗岩的应力-应变关系

4.2.2 不同倾角裂隙花岗岩的力学性质

4.2.3 不同倾角裂隙花岗岩的破坏模式

4.3 化学腐蚀作用下裂隙花岗岩三轴压缩试验

4.3.1 浸泡后裂隙花岗岩的应力-应变关系

4.3.2 浸泡过程中裂隙花岗岩的力学性质

4.4 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

附录