化学溶液及其水压作用下灰岩破裂过程宏细观力学试验与理论分析

论文摘要

存在于岩体中的渗透水流对岩体具有力学的、物理的和化学的各方面作用,水-岩之间的相互作用问题是边坡、坝基、硐室、石油开采、地热开发、核废料地下处置、地下能源储存、地下二氧化碳储存、文物保护等众多与水相关的岩石工程的最基础性研究课题之一,具有十分重要的科学意义。针对上述问题本文开展了一系列水化学溶液浸泡饱和与水化学溶液水压力作用下灰岩的宏细观力学试验;建立了考虑水化学溶液及围压效应的岩石进化神经网络本构模型;分析了化学溶液及其孔隙压力对岩石水化、水力损伤特征及作用机理;利用细胞自动机理论模拟了水化学溶液作用下裂纹灰岩的破裂过程。主要研究工作及获得的有益认识如下:1.通过硬脆性灰岩在不同pH值的0.1mol/l,Na2SO4和CaCl2溶液以及蒸馏水浸泡后的的常规三轴压缩试验,分析了受化学侵蚀的灰岩在不同围压下的变形及强度特性,探讨了三轴强度参数及变形参数的变化规律,并对浸泡岩石的化学溶液进行水质检测,得到了化学溶液中各离子浓度的变化规律,初步分析了化学溶液对灰岩力学特性影响的机理和规律。试验表明:化学溶液浸泡后,灰岩有从脆性向延性转化的趋势;灰岩的强度参数c、φ值及弹性模量E均有不同程度的下降,而泊松比υ则增大;相同的化学溶液侵蚀下,弹性模量E和内聚力c降低幅度最大;灰岩力学参数劣化的程度与从灰岩中溶出的离子浓度的大小具有一定的对应关系:从灰岩中溶出的离子浓度越高,其力学参数劣化程度越大。2.通过对常规三轴试验结果的分析表明,影响其力学特性的因素包括力学和化学两方面:力学方面,岩石的应力应变依赖于先前历史的应力应变以及围压;化学方面依赖于化学溶液对岩石的损伤程度,这与水岩之间的反应程度相关,可以通过岩石中溶解出的离子浓度来表示。在上述基础上,建立了一种综合考虑力学效应及水岩化学作用的进化神经网络本构模型。所建立的模型不但较好的反应了化学腐蚀作用下的应力应变关系,还具有较好的预测性能。3.通过岩石破裂过程的岩石细观力学试验系统,实现了对水化学溶液及其水压力作用下预制单裂纹或两裂纹灰岩破裂过程的实时观测研究,获取了岩石破裂过程的应力应变曲线及其对应的实时图像。研究表明水化学溶液和水压力作用对岩石裂纹的扩展有一定影响,裂纹扩展路径、搭接模式发生不同程度的改变,岩石破裂形式更复杂。4.分析了水化学溶液的化学、力学作用对灰岩力学特性影响机理。通过X衍射、电镜扫描、以及能谱分析对岩石微观形貌、矿物成分等进行研究,发现灰岩在腐蚀之后微观结构、矿物成分发生了改变;通过对浸泡岩样的水溶液进行水质分析,得到了水溶液pH值及离子成分的变化规律。综合试验和理论分析表明:化学腐蚀作用对裂纹岩石破裂过程的影响表现在两个方面:一是岩石力学参数的劣化,从而引起裂纹扩展破坏特性发生改变;另一方面是化学腐蚀导致非均质性增强,从而裂纹扩展模式或路径不同。化学溶液孔隙压力的劈裂和挤入作用有利于岩石裂纹的扩展;在岩石破裂的不同阶段,孔隙压力对岩石的作用也不同,因而对裂纹的扩展、强度等产生影响。5.运用弹塑性细胞自动机模拟系统EPCA2D模拟了裂隙岩石的破裂过程,模拟再现了由于水化学溶液腐蚀导致岩石非均质性增强和岩石力学参数降低对裂纹岩石破裂过程的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出及研究意义
• 1.2 国内外研究现状及评述
• 1.2.1 水-岩化学作用研究现状
• 1.2.2 岩体中孔隙压力研究现状
• 1.2.3 岩石破裂过程研究现状
• 1.2.4 神经网络本构模型研究现状
• 1.2.5 细胞自动机在岩石力学中的应用研究现状
• 1.3 本文主要工作及研究思路
• 第二章 化学溶液与三轴压缩条件下灰岩变形破坏力学特性
• 2.1 引言
• 2.2 试验材料与方法
• 2.2.1 岩石结构与成分
• 2.2.2 试验方法及过程
• 2.2.3 化学溶液
• 2.3 试验结果及分析
• 2.3.1 化学溶液作用下灰岩的变形破坏特性
• 2.3.2 化学溶液与三轴条件下灰岩破坏形式
• 2.3.3 化学溶液对灰岩弹性模量的影响
• 2.3.4 化学溶液对灰岩泊松比的影响
• 2.3.5 化学溶液作用对灰岩强度参数c、φ值的影响
• 2.4 化学溶液对岩石力学参数影响的机理分析
• 2.4.1 水化学溶液对岩石腐蚀作用的特点
• 2.4.2 不同水化学溶液与灰岩反应的机制与规律
• 2.4.3 受水化学溶液腐蚀灰岩宏观力学效应的损伤机制
• 2.5 本章小结
• 第三章 水化学作用下灰岩的进化神经网络本构模型
• 3.1 引言
• 3.2 进化神经网络的建模理论
• 3.2.1 遗传算法
• 3.2.2 人工神经网络
• 3.2.3 进化神经网络本构模型
• 3.3 考虑围压和水化学腐蚀效应的进化神经网络本构模型的建立
• 3.3.1 输入层与输出层的确定
• 3.3.2 隐含层的确定
• 3.3.3 进化神经网络模型
• 3.4 考虑围压和水化学腐蚀效应的进化神经网络本构模型的应用
• 3.4.1 神经网络本构模型的学习样本构造
• 3.4.2 灰岩应力应变曲线的学习及预测分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 水化学溶液水压力与单轴压缩条件下预制裂纹灰岩破裂过程
• 4.1 引言
• 4.2 试验方法
• 4.2.1 试验仪器
• 4.2.2 灰岩试件
• 4.2.3 化学溶液
• 4.2.4 试验步骤
• 4.3 化学溶液及其水压力作用下单裂纹灰岩细观力学特性
• 4.3.1 化学溶液及其水压力作用下单裂纹灰岩破裂全过程及实时图像
• 4.3.2 化学溶液及水压力作用下单裂纹灰岩破裂方式
• 4.3.3 化学腐蚀下单裂纹灰岩变形及强度特性
• 4.3.4 水压力作用下单裂纹灰岩变形及强度特性
• 4.4 化学溶液及其水压力作用下两裂纹灰岩细观力学特性
• 4.4.1 化学溶液及其水压力作用下预制两裂纹灰岩破裂全过程
• 4.4.2 化学腐蚀作用下预制两裂纹灰岩破裂方式
• 4.4.3 水压力作用下预制两裂纹灰岩破裂方式
• 4.5 本章小结
• 第五章 水化学溶液及其水压力对预制裂纹灰岩破裂影响机制
• 5.1 引言
• 5.2 水化学溶液作用下岩石的腐蚀特征
• 5.2.1 试样浸泡前后矿物成分X衍射分析
• 5.2.2 试样表面腐蚀特征
• 5.2.3 化学溶液浸泡前后成分变化
• 5.3 水化学溶液作用对预制裂纹岩石破裂过程的影响机制
• 5.3.1 水化学溶液对灰岩腐蚀作用的分区性
• 5.3.2 化学腐蚀作用对岩石裂纹扩展的影响
• 5.4 水压力对预制裂纹岩石强度及破裂过程的影响机制
• 5.4.1 实际岩体中的水压力类型及作用
• 5.4.2 岩石孔隙水压力原理分析
• 5.4.3 孔隙水压力对裂隙岩石破裂的影响
• 5.4.4 化学溶液孔隙水压力作用下裂隙岩石的强度
• 5.5 本章小结
• 第六章 化学溶液作用下裂隙岩石破裂过程的弹塑性细胞自动机模拟
• 6.1 引言
• 6.2 模拟思路和方法
• 6.2.1 水岩化学作用力学效应的塑性细胞自动机模拟方法
• 6.2.2 预制裂纹表征模型
• 6.2.3 本构关系
• 6.3 考虑化学腐蚀弱化效应的裂隙岩石破裂影响的细胞自动机模拟
• 6.3.1 单裂纹试件破裂过程模拟
• 6.3.2 两裂纹试件破裂过程模拟
• 6.3.3 与试验结果比较
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 博士在读期间参加科研项目及发表论文
• 致谢