化学-温度-应力耦合作用对岩石力学性能的影响

【摘要】：岩石所赋存的地质条件十分复杂,在众多影响岩石破坏的因素中,化学、温度、应力的影响十分显著。本文对经历化学-温度-应力耦合作用的花岗岩进行了一系列相关的力学试验研究,分析了多因素下岩石的力学性能的变化规律和损伤机理。从单一因素出发,逐步研究多因素对岩石力学性能的影响,因此,本文主要从以下四个方面开展研究:(1)通过研究20℃~800℃高温状态的花岗岩在自然冷却(在炉膛中)和水中快速冷却后的力学性能,分析了花岗岩在单轴压缩下的破坏模式,从纵波波速、应力-应变曲线、峰值应力、轴向峰值应变、径向峰值应变、杨氏模量和微观结构等方面探讨了温度和冷却方式对花岗岩力学性能的影响。试验结果表明,花岗岩的纵波波速、峰值应力和杨氏模量随经历温度的升高而衰减,水中快速冷却比自然冷却衰减的幅度更大。这说明温度越高,花岗岩的力学性能劣化越严重,水中快速冷却产生的热冲击加剧了花岗岩力学性能的劣化。花岗岩水中快速冷却后的峰值应变小于自然冷却后的峰值应变,说明高温状态的花岗岩水中快速冷却后,其脆性比自然冷却后更加显著。(2)通过研究花岗岩在不同化学溶液(水、Na OH溶液和HNO3溶液)中浸泡并冻融循环后的力学性能,分析了花岗岩在不同化学溶液中溶蚀及经历不同冻融循环次数后,在单轴压缩作用下基本力学性能的变化规律。试验结果表明,在水、Na OH和HNO3溶液中,随着冻融循环次数的增加,花岗岩的纵波波速、杨氏模量、相对杨氏模量和峰值应力均呈指数函数减小,纵波波速损失率和峰值应力损失率均呈幂函数增加;轴向峰值应变按Guass函数变化。HNO3对花岗岩的断口形貌影响比较严重,而Na OH影响较弱。随着冻融循环次数的增加,HNO3溶液作用过的花岗岩初期损伤劣化较大,后期损伤劣化较小,而Na OH溶液作用过的花岗岩初期损伤劣化较小,后期损伤劣化较大。(3)通过研究化学-温度-应力耦合作用(即在水、Na OH溶液和HNO3溶液浸泡和冻融循环、高温作用并进行单轴压缩)后花岗岩的力学性能,分析了花岗岩经化学-温度-应力耦合作用后基本力学性能的变化规律。试验结果表明,化学-温度-应力耦合作用下,温度对破坏模式产生了一定的影响,主要表现在改变了柱状劈裂破坏是花岗岩在单轴压缩应力作用下自身所固有的破坏模式,使破坏模式逐渐向剪切滑移发展。花岗岩的纵波波速、杨氏模量和相对杨氏模量随着温度的升高均呈指数函数减小,纵波波速损失率随着温度的升高均呈幂函数增加,峰值应力、相对峰值应力、轴向峰值应变和相对轴向峰值应变随着温度的升高均呈logistic函数增大,这一变化趋势与自然状态的花岗岩力学性能随温度的变化趋势一致。HNO3溶液加剧了花岗岩的损伤劣化,而Na OH溶液对花岗岩的损伤劣化有一定的抑制作用,但随着温度的升高,这种抑制作用逐渐减弱,甚至消失,反而促进花岗岩的损伤劣化。(4)从细观力学和化学机理出发,分析了高温、化学浸泡、冻融循环及化学-温度-应力耦合作用下花岗岩的损伤机理,得出温度应力及化学反应使岩石内部结构和矿物成分发生改变,宏观上表现为力学性能的损伤劣化。通过定义损伤变量,定量分析了化学-温度-应力耦合作用下花岗岩的损伤程度。本文依据试验研究成果,总结了温度变化、化学溶蚀、冻融循环和化学-温度-应力耦合作用等因素对岩石的力学性能损伤、变形和破坏的规律。这一问题的研究对解决目前岩石工程的许多现实问题和文物保护有重要的指导作用。
【关键词】：岩石 温度 冻融循环 化学 应力 力学性能 细观结构 损伤
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TU45