酸碱环境干湿循环作用下砂岩强度劣化规律及化学作用机制研究

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1、酸碱环境干湿循环作用下砂岩强度劣化规律及化学作用机制研究重庆大学博士学位论文学生姓名：袁文袁文指导教师：刘新荣教授刘新荣教授专业：土木工程学科门类：工学重庆大学土木工程学院二O一七年十月StrengthDeteriorationandChemicalMechanismofSandstoneUnderDry-WetCyclesinAcidandAlkaliEnvironmentAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDoctor’sDegreeofE

2、ngineeringByYuanWenSupervisedbyProf.LiuXinrongSpecialty:GeotechnicalEngineeringCollegeofCivilEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaOctober,2017中文摘要摘要滑坡、崩塌等地质灾害的发生，与水的长期作用密切有关。岩体受到水溶液的物理和化学作用后，内部微裂隙及孔洞逐渐增多，强度降低，导致工程失稳。水-岩相互作用研究具有十分重要的工程意义，涉及到危岩、坝基、边坡、文物保护等众多基础性的课题。针对酸碱环境干湿循环作

3、用下砂岩劣化机理的复杂性，依托国家自然科学基金项目、教育部高等学校博士学科点专项科研基金项目，在总结前人研究成果的基础上，以酸碱环境下干湿循环作用后砂岩单轴压缩试验、三轴压缩试验、断裂力学试验、浸泡溶液离子浓度试验等为基础，对砂岩强度参数和断裂韧度的劣化规律进行研究，并引用化学热力学、化学动力学以及孔隙度演化规律来阐释砂岩劣化的机理。主要研究工作及成果如下：①在浸泡溶液pH值分别为4、7、9的环境作用下，对砂岩试样进行循环次数为1、3、6、10次（4个阶段）的干湿循环试验。将每个循环阶段后的砂岩试样分别进行单轴压缩试验、三轴压缩试验和抗拉试验，根据每个循环阶段后的

4、单轴抗压强度、三轴抗压强度和抗拉强度数据，得到Mohr-Coulomb强度准则参数和Hoek-Brown强度准则参数，并分析干湿循环作用的劣化效应。根据应力空间中偏应力与强度准则参数的关系式，获得酸碱环境（pH=7、9、4）干湿循环（n=1、3、6、10）作用下π平面上破坏曲线随不同干湿循环次数的变化图。②通过断裂力学试验获得了酸碱环境（pH=7、9、4）干湿循环（n=1、3、6、10）作用下带有斜裂纹的半圆弯曲砂岩试样破坏时的峰值强度。断裂试件厚度B=30mm，直径D=76mm，跨度s=38mm，裂纹a=19mm，裂纹有四个倾角，分别为0°、15°、25°、40

5、°。通过测得的峰值强度计算得到不同pH值（pH=7、9、4）、不同干湿状态（干燥和饱和）、不同干湿循环次数（n=1、3、6、10）下砂岩I/II复合型断裂韧度。通过改进的最大切应力断裂判据，计算出酸碱环境干湿循环作用下砂岩的裂纹尖端参数（T应力、临界极半径和起裂角等），并对比分析试验曲线与改进的最大切应力判据曲线。对试验值进行拟合，得到了适合工程应用的断裂判据。③通过砂岩的矿物成分分析，选取砂岩中含量最多的前几种主要矿物：石英、长石、方解石、黑云母为研究对象。列出砂岩主要组成矿物在中性、碱性、酸性环境浸泡下溶解的化学反应方程式，运用化学热力学的基本原理，计算出各主

6、要组成矿物在酸碱环境下溶解反应的吉布斯函数值，获得砂岩各主要组成矿物溶解反应的方向。引入化学动力学来研究矿物与水溶液化学反应的速率。对每个干湿循环阶段后浸泡溶液的离子（SiO++2+2+2、K、Na、Ca、Fe）浓度进行测试，通过I重庆大学博士学位论文计算各循环阶段砂岩矿物溶解的离子生成速率，得到了离子生成速率随着循环次数变化的关系式，探讨了砂岩在干湿循环作用下的微观作用机理。④通过酸碱环境（pH=7、9、4）干湿循环（n=1、3、6、10）作用后浸泡溶液的离子浓度（SiO++2+2+2、K、Na、Ca、Fe），分别计算出矿物石英、钾长石、钠长石、方解石、黑云母溶

7、解的体积量，再得到砂岩各阶段孔隙度的增量。分析了砂岩的孔隙度增量与粘聚力、内摩擦角、拟合抗压强度、霍克-布朗材料常数等强度参数劣化的关系，从孔隙度演化的角度来阐释了砂岩劣化的机理。关键词：砂岩，干湿循环作用，强度劣化，断裂韧度，化学热力学，孔隙度演化II英文摘要ABSTRACTTheoccurrenceofgeologicaldisasters,suchaslandslideandcollapse,werecloselyrelatedtothelong-termeffectofwater.Rockmassengineeringwillbeunstableunder

8、theac