岩石水化学损伤机理及量化方法探讨

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1、第21卷第3期岩石力学与工程学报21(3)：314～3192002年3月ChineseJournalofRockMechanicsandEngineeringMarch，2002*岩石水化学损伤的机理及量化方法探讨汤连生王思敬(中山大学地球科学系广州510275)(中国科学院地质与地球物理研究所北京100029)摘要提出了化学损伤概念，分别运用化学成分分析理论、能量观点、考虑化学损伤的破坏力学方法，分析了岩石水化学损伤机理，并探讨了其定量方法。采用水-岩反应的大模式与小模式理论，解释了自然界中岩体的剧烈变形及破坏往往发生在暴雨或人类工程活动时的原因。探讨了岩石水化学损伤定量

2、方法的研究途径，提出并分析了岩石水化学损伤的层次分区性。重点讨论了考虑化学损伤的破坏力学方法，认为此方法可以解释并定量分析水-岩反应的力学效应。关键词化学作用，化学损伤，力学效应，机理，破坏力学分类号TU451文献标识码A文章编号1000-6915(2002)03-0314-06之间的耦合作用。水化学损伤的最终结果是导致岩1概述石的微观成分的改变和原有微观结构的破坏，从而改变了岩石的应力状态和力学性质。地质灾害的发岩石是颗粒或晶体相互胶结或粘结在一起的聚生机制与这种复杂的过程息息相关。集体，水化学作用的岩石宏观力学效应是一种从微岩石水化学损伤过程及其力学效应的定量分析观结构

3、的变化导致其宏观力学性质改变的过程。这不仅关系到岩石水化学损伤理论方法的应用，还关种复杂作用的微观过程是自然界岩体变形破坏的关系到其本身机制更深入地研究。建立符合实际又能键所在。本文将由于水-岩化学作用引起岩石(体)材定量解释水-岩反应的力学效应，并如何把这些微观料或结构的劣化过程称为化学损伤。的机制放大到岩石宏观力学性质分析领域，以建立对水化学损伤的岩石力学效应，有各种解释。渗透与水化学综合作用对岩体力学效应的定量模其中有以能量的观点来解释水化学作用导致岩石力[1，2]型，这是岩石水化学损伤理论及其应用的一个关键。学性质改变的机理，例如，Westwood(1974)利用静

4、电ζ势差模型解释液体对固体的变形强度性质的2岩石水化学损伤的机理分析影响。也有从动力学角度来分析的，例如LoganandBlackwell(1983)发现有水的存在，砂岩的摩擦系数2.1化学成分分析理论下降了15%，而FeCl3和CaCl2溶液的存在将导致摩水是极性分子，是一种溶解能力很强的溶剂。擦系数减小25%。[3]它与岩石接触时必定会发生溶解-沉淀反应。在化无论是从动力学角度，还是从能量的角度，由学成分上，水化学损伤不仅破坏了岩石粒间连接，于岩石矿物之间存在化学不平衡导致了水-岩之间不可逆的热力学过程，此过程改变着岩石的物理状而且破坏了晶粒本身。化学损伤的岩石力学效应

5、主态和微观结构，削弱了矿物颗粒之间的联系，腐蚀要取决于：(1)水溶液的成分及化学性质、流动状晶格，使受力岩体变形加大、强度降低。因此，岩态和温度等；(2)岩石的矿物与胶结物的成分、亲石水化学损伤的机制取决于水-岩化学作用与岩石水性、结构、裂隙裂纹的发育状况及透水性等。中裂纹裂隙等物理损伤基元及其颗粒、矿物的结构2.1.1溶解作用与沉淀作用2000年5月19日收到来稿，2000年7月10日收到修改稿。*国家自然科学基金资助项目(59779019)和广东省自然科学基金资助项目(970127)及国家自然科学基金“八五”重点项目(49232050)。作者汤连生简介：男，1963年生

6、，博士，1985年毕业于中国地质大学环境科学与工程学院水文工程地质专业，现任中山大学地球科学系副教授、岩石工程研究所所长，主要从事地质工程、水-岩土相互作用等力学方面的研究工作。第21卷第3期汤连生等.岩石水化学损伤的机理及量化方法探讨•315•(1)溶解作用岩石中颗粒矿物及胶结物矿物应力、人工荷载和不断变化的温度场的作用。因此，在水溶液中的溶解受表面化学反应和扩散迁移两方自然中岩石(体)的破坏往往是由环境水腐蚀和机械[4]面的作用。由于岩石是矿物的集合体，水溶液首疲劳两种因素联合作用而引起的。由于腐蚀疲劳断先是沿着颗粒之间接触面的微间隙和岩石中的微裂裂是应力腐蚀断裂和单纯

7、疲劳断裂的综合，它使岩纹及细微裂隙等结构面往岩石内部渗透。因此，在石受到的化学损伤更严重，其裂隙的扩展规律也更整体上，岩石的水化学反应是“渗透→表面→扩散-控为复杂。制(Osmosis→Surface→Diffusion-Controlled)”(简称OSD(2)沉淀作用水-岩化学作用可能生成难溶盐，[5]控制)。这里的“渗透”是指溶液在岩石内部的渗也可能由于水溶液中离子浓度提高而生成可溶盐，透过程，它取决于岩石的渗透性能和岩石所处的外形成结晶物沉淀于岩石颗粒的表面或裂纹、孔隙及部环境渗流场的水溶液渗流速率(以此“