水岩作用对黑色砂质白云岩力学性能劣化影响因子研究

摘要

黑色岩层是一种形成于还原沉积环境的特殊沉积岩，本文选取研究对象属黑色岩层的一种，岩性为黑色砂质白云岩。由于内部含有的硫化矿物和有机质，当岩石暴露在野外时，黑色砂质白云岩易在表生氧化环境中发生化学风化作用，生成具有侵蚀性的酸性水和硫酸盐矿物，对岩体造成溶蚀、膨胀等效应，破坏岩体结构使岩体胶结力减弱，承载能力降低，软化岩体发生不可逆转的塑性变形，并且加速黑色砂质白云岩的化学风化进程，这可能造成一系列的工程地质和环境地质问题，而黑色砂质白云岩的水岩作用由多种因素共同控制。因此，本项目对黑色砂质白云岩水岩作用对力学性能变化规律的影响因子展开研究。　　本文以重庆城口地区下寒武统黑色岩层作为研究对象，以黑色砂质白云岩为例，为了研究其水岩作用与力学性能变化规律，分别开展了不同浓度下黑色砂质白云岩的半浸泡试验、单轴压缩试验、结合能量机制对不同化学损伤状态下岩石的力学性能分析和化学损伤本构模型的建立，具体工作和结果如下：　　1对重庆城口黑色砂质白云岩研究区进行野外地质调查，通过X射线荧光谱仪(XRF)、X射线衍射仪(XRD)对研究区黑色砂质白云岩地球化学特征进行分析。结果表示，研究区黑色砂质白云岩主要含石英、斜长石、白云石、黄铁矿和粘土矿物，其他物质化学组分含量较低。　　2设置8组条件不同的黑色砂质白云岩半浸泡试验，实验结果表明：黑色砂质白云岩的水岩作用由固、液、气三相共同控制，在酸性介质下水岩作用现象明显，浸泡液面面以上部分，随毛细水沿岩石试样扩散方向生成大量白色次生矿物，且随着水岩作用时间增长，由白色逐步转为黄褐色，浸泡液液面以下未见明显现象。　　3对浸泡后的岩石开展了单轴压缩试验，发现相比于天然状态的岩石，受水岩化学作用后的岩石力学性能降低，在应力应变曲线上表现为峰值应力降低和峰值应变增大，并且随着浸泡液中Fe3+浓度的减小，其力学性能进一步劣化。　　4以浸泡后岩石作为研究对象，以能量机制对其力学性能的改变进行分析，对单轴压缩条件下岩石渐进破坏过程中的耗散能、可释放弹性应变能、塑性变形量、脆性修正指标等进行计算。结果表示：在非线性变化阶段，耗散能随Fe3+浓度的减小而增大，线弹性变化阶段，耗散能并未增长或仅有微小增长，可忽略不计，这表示岩石在未进入屈服阶段之前，力学性能的下降主因是由水岩化学作用引起岩石内部次生孔隙微裂隙发育，使岩石内部成岩矿物和胶结物被孔隙水溶出，岩石组分间连接力减弱；在峰值处可释放弹性应变能几乎没有变化，这表示经水岩作用后岩石本身主要成分与性质并未发生改变，水岩作用的腐蚀效应以溶蚀岩石自身矿物成分和胶结物为主，岩石可承载弹性能的有效体积减少，宏观表现为岩石内部孔隙增多，质量减小。　　5由岩石的非均匀性，假设岩石微元强度服从威布尔分布，并以应变等价原理推导岩石在单轴压缩条件下损伤演化变量与损伤本构模型，又根据化学腐蚀过程中岩石有效承载体积的变化，推导化学损伤变量，再根据推广的应变等价原理，对岩石受外荷载作用与水岩化学作用的损伤变量进行耦合考虑，推导出单轴压缩条件下考虑水岩化学作用的损伤本构模型，并将模型模拟的曲线结果与试验曲线作比对，发现二者吻合较好，从而说明了建立的本构模型的正确性。

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 黑色岩层的研究现状

1.2.2 黄铁矿氧化研究现状

1.2.3 岩石能量特征研究现状

1.3 本文主要研究内容和方法

1.4技术路线图

第2章 黑色砂质白云岩研究区的地质特征

2.1 研究区简介

2.2.1 研究区地形地貌

2.2.2 研究区地质构造及地层岩性

2.2.3 研究区气候与水文特征

2.2.4 研究采样点区域特征

2.3 本章小结

第3章 黑色砂质白云岩半浸泡模拟验研究

3.1 试验设计

3.2.1 物理性质

3.2.2 矿物组分

3.2.3 化学成分

3.3 氧化-酸蚀形态特征

3.4 监测数据随时间的变化规律

3.5.1 单轴压缩试验结果分析

3.5.2 试样应力-应变关系变化规律

3.5.3 强度腐蚀效应分析

3.6 本章小结

第4章 水-岩作用下黑色砂质白云岩力学特性的能量机制研究

4.1 单轴压缩试验下岩石的能量变化机制分析

4.2 单轴压缩试验下能量特征对岩石损伤机制的研究

4.3 不同浓度化学溶液对单轴压缩试验的能量特征与损伤机制的影响

4.4 本章小结

第5章 水-岩作用下黑色砂质白云岩化学损伤本构模型

5.1 外荷载作用下岩石的损伤演化变量与本构模型

5.2 水岩作用下岩石的损伤演化变量与本构模型

5.3本构模型的应用与对比

5.4 本章小结

结论与展望

结论

展望

致谢

参考文献