化學(xué)溶液流動-應(yīng)力耦合作用下砂巖的孔隙結(jié)構(gòu)演化與蠕變特征研究.pdf

1、賦存于自然界中的巖體同時受到地下水滲透、侵蝕與環(huán)境溫度以及圍巖應(yīng)力(THMC)等多因素的耦合作用，研究多場耦合環(huán)境下巖體宏觀物理力學(xué)特征是邊坡、壩基、硐室、核廢料地下處置庫、地下能源儲存庫等地下工程中最基礎(chǔ)性的研究課題之一，具有十分重要的科學(xué)研究意義。而地下水是一種復(fù)雜的化學(xué)溶液，通常含有多種離子組分，并且具有一定的酸堿度，它與巖土介質(zhì)之間的水巖作用使得巖石組成礦物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，微細(xì)觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而影響巖石的孔隙大小以及宏觀物理力學(xué)

2、特性。因此，研究不同水化學(xué)溶液侵蝕過程中，巖石孔隙結(jié)構(gòu)變化以及在應(yīng)力-化學(xué)-滲透耦合過程中巖石的變形特征對于巖體工程長期穩(wěn)定性評價以及環(huán)境工程中的污染物處置均具有重要的理論意義與應(yīng)用價值。
　　本文以龍游紅砂巖為研究對象，著重對不同水化學(xué)溶液侵蝕過程中砂巖的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)、礦物組成以及孔隙結(jié)構(gòu)等的變化進(jìn)行了定性分析和定量測試;然后從水巖作用的化學(xué)本質(zhì)出發(fā)，建立了基于礦物溶解、遷移、吸附等物理化學(xué)作用的巖石礦物溶蝕量及孔隙度動態(tài)演化數(shù)學(xué)

3、模型，并進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)值計算;同時開展了不同水化學(xué)溶液侵蝕過程中的砂巖單軸蠕變試驗以及不同水化學(xué)溶液滲透壓作用下的砂巖三軸蠕變試驗，得到了砂巖在不同耦合環(huán)境作用下的變形時效性規(guī)律，獲得了應(yīng)力-滲透-化學(xué)(MHC)三場耦合環(huán)境下的砂巖變形規(guī)律，并建立出了相應(yīng)的蠕變模型。論文的主要內(nèi)容如下:
　　1、通過開展不同水化學(xué)環(huán)境下的砂巖侵蝕試驗，分別對砂巖侵蝕前后的微觀結(jié)構(gòu)、礦物組成、元素含量以及侵蝕過程中砂巖試件的孔隙度、水化學(xué)溶液的pH

4、值進(jìn)行了試驗分析和測試，得出不同水化學(xué)溶液侵蝕前后砂巖微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的變化特征以及砂巖試件孔隙度隨侵蝕時間的變化規(guī)律。
　　2、從水巖作用的化學(xué)本質(zhì)出發(fā)，通過試驗及理論分析，得出砂巖組成礦物在不同侵蝕溶液作用下發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)，并基于化學(xué)動力學(xué)理論和溶質(zhì)遷移理論，建立了反應(yīng)-擴散模型;在此基礎(chǔ)上，以侵蝕試驗為例，對砂巖礦物析出主要離子濃度隨時間變化以及砂巖孔隙度的動態(tài)演化過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好。
　　3

5、、采用自行研制的“一種應(yīng)力-水流-化學(xué)耦合巖石單軸壓縮蠕變儀”分別開展了不同水化學(xué)溶液對巖石的蠕變影響試驗以及化學(xué)-水流耦合作用下的巖石單軸壓縮蠕變試驗。試驗發(fā)現(xiàn)水化學(xué)溶液可使蠕變穩(wěn)定后的巖石變形進(jìn)一步增加，并且不同的化學(xué)溶液，對巖石變形的影響程度不同;同時對化學(xué)-水流耦合作用下巖石單軸蠕變變形規(guī)律以及蠕變效應(yīng)對巖石微細(xì)觀結(jié)構(gòu)的影H向進(jìn)行了理論分析和解釋。
　　4、采用自行研制的“化學(xué)滲透與蠕變耦合作用下巖石孔隙度實時測試裝置”開

6、展了不同化學(xué)溶液滲透壓下砂巖三軸蠕變試驗，并對蠕變過程中砂巖試件的孔隙度、滲透率進(jìn)行了測定，得出相同應(yīng)力、不同水化學(xué)環(huán)境下砂巖試件的蠕變變形規(guī)律以及滲透特性的演化特征;通過對蠕變后砂巖試件的SEM觀察，分析了化學(xué)滲透壓下的蠕變效應(yīng)對巖石微細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化的影響。
　　5、不同化學(xué)滲透壓作用下砂巖三軸蠕變試驗結(jié)果表明，在低應(yīng)力水平下，砂巖蠕變變形表現(xiàn)出明顯的粘彈性特征，所以選用廣義開爾文元件組合模型作為化學(xué)滲透壓下砂巖三軸蠕變本構(gòu)模型;