酸性溶蝕作用下灰?guī)r弱化力學(xué)效應(yīng)的試驗(yàn)研究

1、    酸性溶蝕作用下灰?guī)r弱化力學(xué)效應(yīng)的試驗(yàn)研究    王越摘要：通過自制的自平衡巖石真三軸壓縮儀（srt）對(duì)灰?guī)r巖樣在溶蝕作用下真三軸、常規(guī)三軸的壓縮試驗(yàn)，探討了試樣在不同的應(yīng)變條件下溶蝕作用對(duì)于軸向的抗壓強(qiáng)度的溶蝕效應(yīng);真三軸實(shí)驗(yàn)2的初始應(yīng)力高于常規(guī)三軸的圍壓但是其3未施加應(yīng)力約束使得灰?guī)r巖樣的抗壓峰值強(qiáng)度任低于常規(guī)三軸的抗壓峰值;溶蝕作用對(duì)于灰?guī)r力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變機(jī)理在于溶蝕作用使得裂隙臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子降低，其灰?guī)r宏觀力學(xué)特性不斷弱化，但灰?guī)r力學(xué)破壞機(jī)理并沒有本質(zhì)上的改變。從而對(duì)巖溶地區(qū)巖體工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定性提供了科學(xué)依據(jù)。abstract： thro

2、ugh self-balanced true triaxial compression test （srt） of limestone samples under dissolution， the dissolution effect of dissolution on axial compressive strength of limestone samples under different strain conditions is discussed. the initial stress of true triaxial test 2 is higher than that of co

3、nventional triaxial confining pressure， but the stress constraint of 3 is not applied to make limestone samples compressive. the mechanism of the change of mechanical properties of limestone due to dissolution is that the critical stress intensity factor of fracture decreases and the macro-mechanica

4、l properties of limestone weakens continuously， but the mechanical failure mechanism of limestone has not changed essentially. this provides a scientific basis for the long-term stability of rock mass engineering in karst areas.關(guān)鍵詞：真三軸;常規(guī)三軸;溶蝕;抗壓強(qiáng)度;破裂特征key words： true triaxial;conventional triaxial;

5、corrosion;compressive strength;fracture characteristics：p618.13                                    文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a                              

6、;    ：1006-4311（2019）07-0168-030  引言在我國(guó)巖溶面積超過300萬(wàn)平方公里，已經(jīng)占國(guó)土面積近三分之一之多。巖溶是可溶性巖石（簡(jiǎn)稱為可溶巖），特別是碳酸鹽類巖石（如灰?guī)r等）受水溶蝕而形成一類。巖溶地區(qū)主要是集中在西南地區(qū)，所以實(shí)施西部大開發(fā)戰(zhàn)略過程中，遇到的挑戰(zhàn)性問題之一就是如何解決巖溶對(duì)隧道等工程安全性的影響。國(guó)內(nèi)研究學(xué)者進(jìn)行一系列灰?guī)r的力學(xué)特性的試驗(yàn)研究，主要集中在滲透作用下的強(qiáng)度特性研究、保水狀態(tài)下的力學(xué)特性及能量機(jī)制研究以及灰?guī)r的動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)特性研究得出了灰?guī)r表現(xiàn)出應(yīng)變率硬化效應(yīng)和損傷軟化效應(yīng)等多方面的研究14;對(duì)巖石的破裂與

7、滲透耦合過程細(xì)觀力學(xué)模型的建立、灰?guī)r裂隙滲流-應(yīng)力耦合的試驗(yàn)、溶蝕巖體的滲透性變異的研究以及對(duì)不同巖體滲透試驗(yàn)等研究得知一定的滲透率隨著應(yīng)變的增加變化的規(guī)律59;以及不同溶蝕條件對(duì)單軸試樣的壓縮破裂特征、溶蝕作用對(duì)于巖體的細(xì)觀破裂過程1012，本文將要著重研究酸性溶蝕作用下灰?guī)r在常規(guī)三軸狀態(tài)以及真三軸狀態(tài)下的應(yīng)變裂隙的發(fā)育及力學(xué)特性，得到其相關(guān)結(jié)果對(duì)巖溶地區(qū)的巖體長(zhǎng)期穩(wěn)定性提供可靠依據(jù)。1  試驗(yàn)材料與條件的設(shè)定1.1 巖石礦物成分本試驗(yàn)所用的灰?guī)r試樣因地制宜就取自湖北省宜昌市黃花灰?guī)r礦區(qū)，灰?guī)r試樣為青灰色，礦物成分鑒定為灰泥質(zhì)內(nèi)碎屑石灰?guī)r，自形晶粒結(jié)構(gòu)、生物碎屑結(jié)構(gòu)巖石主要由方解石

8、及分布其間的微粒白云巖、水云母、石英及生物碎屑等礦物組成。主要礦物成分的含量為白云石70%，方解石 16%，水云母 6%，石英 2%，生物碎屑 4%。1.2 試樣的制備本試驗(yàn)要從常規(guī)三軸跟真三軸兩個(gè)方面進(jìn)行試驗(yàn)研究，所以灰?guī)r試樣分為圓柱形試樣和長(zhǎng)方體試樣兩種，分別對(duì)應(yīng)灰?guī)r常規(guī)三軸力學(xué)壓縮試驗(yàn)和灰?guī)r真三軸力學(xué)壓縮試驗(yàn)，圓柱形試樣的標(biāo)準(zhǔn)尺寸為？準(zhǔn)50×100mm，長(zhǎng)方體試樣的標(biāo)準(zhǔn)尺寸為50×50×100mm，由于灰?guī)r硬度較大，邊緣處較為容易破裂，所加工的灰?guī)r試樣尺寸誤差能夠保證在±0.1mm以內(nèi)，試件端面平整度到0.03mm。另外所取的試樣的層理方向均為近水

9、平狀，制取的試樣均是由同一塊大巖樣截取下來，故近似的認(rèn)為每塊試樣的各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)、裂隙的發(fā)育程度相同。1.3 溶蝕條件的設(shè)定由于溶蝕效應(yīng)是一個(gè)長(zhǎng)期的過程，所以針對(duì)長(zhǎng)期的溶蝕效應(yīng)有進(jìn)行以下兩點(diǎn)考慮：不考慮水的流動(dòng)性、滲透壓等因素對(duì)灰?guī)r溶蝕特性的影響;采用等效方式來模擬巖溶過程，即通過提高水溶液的酸性（降低溶蝕時(shí)間）的方式來模擬實(shí)際巖溶過程（該過程中溶蝕時(shí)間長(zhǎng)，但水溶液酸性程度較低）?；谝陨系膬牲c(diǎn)考量，進(jìn)行了溶蝕效應(yīng)的初步試驗(yàn)，選取一定量的常規(guī)三軸進(jìn)行溶蝕，溶蝕條件設(shè)定為ph=4，6兩組并分別進(jìn)行酸性水溶液中溶蝕，對(duì)于批量的溶蝕試塊隨機(jī)取樣選取6塊常規(guī)三軸試樣在浸泡14天過后得到溶蝕的質(zhì)量損失比，

10、得出結(jié)果在ph=4的酸性水溶液中浸泡的試樣的質(zhì)量損失平均百分比為在ph=6.5的弱酸性水溶液中浸泡試樣的質(zhì)量損失平均百分比的23.8倍。通過上述方法確定出模擬巖溶過程的等效方式，并通過計(jì)算得到當(dāng)ph=4的酸性水溶液浸泡30d的時(shí)候模擬實(shí)際環(huán)境中灰?guī)r在大約2年的巖溶效應(yīng)，即確定為本次試驗(yàn)的溶蝕條件。2  試驗(yàn)結(jié)果及分析本次試驗(yàn)是在自制的自平衡巖石真三軸壓縮儀（srt）上進(jìn)行，srt儀器能夠通過更換三軸室內(nèi)底座從而能夠同時(shí)兼顧真三軸跟常規(guī)三軸的試驗(yàn)，從而消除因?yàn)樵囼?yàn)儀器的不同對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，儀器的軸向（1）跟側(cè)向（2）的壓縮是由剛性壓頭進(jìn)行施壓，圍壓（3）則是依靠柔性介質(zhì)（液壓油）進(jìn)行

11、施壓，三個(gè)方向的壓力均可單獨(dú)控制并且保證實(shí)驗(yàn)在321的復(fù)雜應(yīng)力條件下進(jìn)行。在進(jìn)行常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)時(shí)由于2=3且試樣形狀為圓柱形，所以僅控制圍壓就可以完成環(huán)形的約束，軸向約束仍然由剛性壓頭完成。2.1 試驗(yàn)方法首先選取一定量完整性較好的灰?guī)r巖樣烘干稱重，對(duì)試樣進(jìn)行預(yù)加載，常規(guī)三軸的初始應(yīng)力條件為20mpa-5mpa，而真三軸初始三向應(yīng)力為20mpa-20mpa-0mpa;在達(dá)到預(yù)定的初始三向應(yīng)力后繼續(xù)施加軸向應(yīng)力，在預(yù)設(shè)試樣應(yīng)變峰值的0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%、0.35%、0.40%、0.45%、0.50%、0.55%、0.60%處進(jìn)行卸載，試驗(yàn)之前做好了無溶蝕狀

12、態(tài)下相同初始?jí)簯?yīng)力的壓縮試驗(yàn)，該狀態(tài)下的應(yīng)力峰值在一定的范圍，并以此作為基準(zhǔn);取出試樣后將試樣分別放入預(yù)設(shè)的ph值的酸性水溶液中進(jìn)行浸泡，浸泡時(shí)間為一個(gè)月（浸泡過程每隔一定時(shí)間添加一定量鹽酸并監(jiān)測(cè)以保證試樣在預(yù)設(shè)ph范圍內(nèi)進(jìn)行溶蝕），浸泡完成后烘干并稱重;對(duì)溶蝕后的試樣處理再進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)直至試樣破壞，得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)及試驗(yàn)現(xiàn)象得出試驗(yàn)結(jié)果。溶蝕條件具體上的選擇ph值為4的酸性溶蝕條件，溶蝕時(shí)間為1個(gè)月進(jìn)行試驗(yàn)來模擬長(zhǎng)期溶蝕效應(yīng)，并且選擇一塊試樣放入ph=7的水中作為對(duì)照;初始應(yīng)力方面選擇常規(guī)圍壓為5mpa來與真三軸僅加一個(gè)側(cè)向壓力20mpa且大于常規(guī)三軸圍壓值作為對(duì)照。不同的環(huán)境對(duì)于巖石的溶蝕

13、效應(yīng)是有所差異的，如圖 14所示，試驗(yàn)結(jié)果表明，酸性水溶液對(duì)灰?guī)r的溶蝕效應(yīng)是不同的，這與巖樣的初始?jí)簯?yīng)力有關(guān)，以及巖石的應(yīng)變程度（破損程度）、礦物成分特性、致密程度等物理性質(zhì)的差異以及巖石形成的條件、溫度、時(shí)間、地質(zhì)構(gòu)造和風(fēng)化程度等因素都有所關(guān)聯(lián)。因?yàn)樗嵝运芤簩?duì)巖石的結(jié)構(gòu)組織進(jìn)行改變，使得巖石變得松散脆弱，導(dǎo)致了巖石的力學(xué)特性發(fā)生了一些變化。圖中的1a/1b、m為擬合曲線式，r2為相關(guān)系數(shù)平方。從圖中可以看出，在垂直應(yīng)力比值1a/1b來看初始?jí)毫υ礁哂绊懺綖槊黠@;在預(yù)加載狀態(tài)不同的條件下，溶蝕作用的影響不同，破裂程度越大溶蝕作用越為明顯;隨著應(yīng)變程度越大，酸性水溶液的溶蝕效應(yīng)越強(qiáng)，試樣的質(zhì)量

14、損失越多。2.2 破裂過程與特征巖石的破裂的實(shí)質(zhì)是巖石在受力過程中細(xì)微裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展直到裂紋連通的結(jié)果，這個(gè)現(xiàn)象是巖石破壞的宏觀現(xiàn)象。而灰?guī)r主要由尺度較大的晶體顆粒以及晶體之間填充的膠結(jié)物組成，并且通常膠結(jié)物的剛度比晶體的剛度小，無溶蝕作用下，灰?guī)r試樣在受壓狀態(tài)下所產(chǎn)生的裂紋大多沿著晶體與晶體之間的交界面延伸。但是，溶蝕作用下，由于晶體和膠結(jié)物被溶解，晶體之間的內(nèi)摩擦力改變，并且膠結(jié)物之間的粘結(jié)力被削弱，這是灰?guī)r的細(xì)觀方式，而此次的實(shí)驗(yàn)該特征反映在宏觀上的表現(xiàn)為在溶蝕作用下的常規(guī)三軸和真三軸力學(xué)壓縮試驗(yàn)中，表現(xiàn)為隨著卸載點(diǎn)垂直應(yīng)變的增加，即隨著試樣表面裂隙不斷的發(fā)育和擴(kuò)展，溶蝕作用對(duì)試樣力學(xué)

15、性質(zhì)的弱化作用不斷增強(qiáng)。另一方面在破裂特征方面，灰?guī)r試樣的常規(guī)三軸壓縮以及真三軸壓縮條件下，它的破壞特征與方式基本是一致的（如圖5所示），破裂是從試件的最薄弱的地方開始，在應(yīng)變程度不同的情況下，應(yīng)變的程度越大產(chǎn)生的細(xì)微裂紋越明顯，在經(jīng)歷溶蝕過后裂紋邊的擴(kuò)展的更為明顯，在主裂隙的擴(kuò)展上不同應(yīng)變的溶蝕后并沒有明顯的分別，但是隨著應(yīng)變的增加再溶蝕后的試樣在破裂的速度有明顯的增加。3  結(jié)論通過試樣ph=4的溶蝕條件下進(jìn)行常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)以及真三軸壓縮試驗(yàn)的溶蝕效應(yīng)，結(jié)果表明初始?jí)簯?yīng)力、溶蝕作用對(duì)灰?guī)r的力學(xué)特性的影響是不可忽視的，總結(jié)為以下：不同三軸初始應(yīng)力狀態(tài)下，灰?guī)r的抗壓強(qiáng)度隨著初始應(yīng)力

16、的提高而提高，既使真三軸實(shí)驗(yàn)2的初始應(yīng)力高于常規(guī)三軸的圍壓但是其3為零使得灰?guī)r巖樣的抗壓峰值強(qiáng)度任低于常規(guī)三軸的抗壓峰值，圍壓的約束即便是較低也要比僅施加單一方向的側(cè)向壓力使得灰?guī)r抗壓強(qiáng)度增加。溶蝕作用下的常規(guī)三軸和真三軸力學(xué)壓縮試驗(yàn)中，溶蝕作用有著加速裂隙發(fā)展的作用，而隨著卸載點(diǎn)垂直應(yīng)變的增加，即隨著裂隙不斷的發(fā)育和擴(kuò)展，溶蝕作用下灰?guī)r力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變機(jī)理在于溶蝕作用使得裂隙臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子降低，其灰?guī)r宏觀力學(xué)特性不斷弱化，但灰?guī)r力學(xué)破壞機(jī)理并沒有本質(zhì)上的改變。參考文獻(xiàn)：1王亞，萬(wàn)文，趙延林，羅世林，唐勁舟.滲透壓作用下茅口灰?guī)r的強(qiáng)度特性d，北京：礦業(yè)工程研究，2015.2郭佳奇，劉希亮，喬

17、春生.自然與保水狀態(tài)下巖溶灰?guī)r力學(xué)性質(zhì)及能量機(jī)制試驗(yàn)研究j.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013.3祝文化，李元章.損傷灰?guī)r動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)研究j.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28（7）：90-92.4丁梧秀，陳建平，徐桃，陳華軍，王宏毅.化學(xué)溶液侵蝕下灰?guī)r的力學(xué)及化學(xué)特性研究j.基礎(chǔ)理論與實(shí)驗(yàn)研究，2015.5楊天鴻，屠曉利，於斌，張永彬，李連崇，唐春安，譚國(guó)煥.巖石破裂與滲流耦合過程細(xì)觀力學(xué)模型j.固體力學(xué)學(xué)報(bào)，2005（03）.6王興宏.茅口裂隙灰?guī)r滲流-應(yīng)力耦合試驗(yàn)研究d.湖南：湖南科技大學(xué)，2015.7張貴金，徐衛(wèi)亞.巖溶壩區(qū)溶蝕巖體的滲透性變異研究j.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24（9）：1527-1534.8zhang s， cox s f， paterson m s. the influence of room temperature deformation on porosity and permeability in calcite aggregatesj. j. geophys. res.， 1994， 99：15761-15775.9mordecai m， morris l h. an investigation into the changes of permeability occurring in a sandstone