水化学作用下岩石变形破裂全过程实验与理论分析

摘要

水化学作用下岩石变形破裂全过程的研究是核废料处理、地下能源开发及储存、地震机制、岩土工程的长期稳定性评价等方面的基础性前沿课题。该课题的研究目前还主要处于试验研究阶段，尚无系统的岩石破坏全过程试验研究分析成果，化学与应力耦合腐蚀下的本构关系还未真正建立起来，对水化学作用下多裂纹相互作用的试验及机制研究一直处于空白。作者对上述问题进行了系统研究，并提出了相应的研究思路和方法，根据砂岩的化学腐蚀机理研究结果，进行了砂岩的化学加固研究。研究结果将为环境岩石力学和岩石工程的研究提供一定的理论基础，对实际工程具有一定的指导价值。主要研究成果如下：　　首先，进行了不同化学溶液作用下灰岩、砂岩三轴压缩试验，分析了不同化学溶液作用下，化学腐蚀对岩石应力-应变全过程曲线各阶段的影响特征，获得了不同化学溶液对岩石变形破坏全过程腐蚀效应的影响规律。　　第二，水化学作用对岩石力学行为的影响具有很强的时间效应，论文中提出了采用无损测试的试验方法，通过对不同浸泡时间试件有关参数的测试分析，获得了砂岩的化学腐蚀损伤时间效应特征。　　第三，通过对化学腐蚀下岩石细观结构的变化分析研究，建立了一个新的化学腐蚀下岩石细观结构化学损伤变量计算公式，给出了损伤测量参数的计算方法。提出了将水化学溶液对岩石的腐蚀损伤作用归结为岩石颗粒骨架部分材料性质的损伤和空隙的变化两个方面，反映在物理力学参数上即为空隙率和弹性模量的损伤。　　第四，介绍了新研制的应力-水流-化学(MHC)耦合的岩石破裂全过程细观加载系统，应用该系统进行了MHC耦合作用下多裂纹岩石试件的单轴压缩破坏全过程实时观测试验，试验结果证明了该设备的科学性和先进性。　　最后，在对砂岩化学腐蚀机理研究的基础上，进行了砂岩的化学加固研究，提出了一种新型的化学加固材料CRS。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明和关于论文使用授权的说明

1 绪论

1.1选题背景及研究意义

1.2国内外研究现状及评述

1.3本文的主要工作

2水化学作用下灰岩三轴压缩破裂全过程试验及腐蚀效应分析

2.1引言

2.2试验结果

2.2.1试验材料与方法

2.2.2三轴压缩试验结果

2.2.3矿物成分及结构构造鉴定结果

2.3水化学作用对灰岩变形特性的影响及机理分析

2.4水化学作用下灰岩强度腐蚀效应及机理分析

2.5灰岩细观结构的化学损伤效应及化学损伤定量化计算分析

2.5.1细观结构的化学损伤特征

2.5.2化学损伤定量化计算理论分析

2.5.3试验结果及分析计算

2.6小结

3水化学作用下砂岩三轴压缩破裂全过程试验及腐蚀效应分析

3.1引言

3.2试验结果

3.2.1试验材料与方法

3.2.2三轴压缩试验结果

3.2.3化学损伤时间效应试验结果

3.3水化学作用对砂岩力学性质的影响及机理分析

3.4砂岩的化学腐蚀损伤时效特征研究

3.4.1不同测试参数随时间的变化规律分析

3.4.2 pH-Vp关系研究

3.5小结

4岩石的化学腐蚀损伤演化变量和本构模型

4.1引言

4.2水化学作用下岩石的损伤演化变量和本构模型

4.2.1自然状态下岩石的损伤演化变量和本构模型

4.2.2水化学作用下岩石的损伤演化变量和本构模型

4.2.3水化学作用引起的岩石材料物理力学性质的损伤研究

4.3本构模型的应用

4.4水化学作用下岩石进化神经网络本构模型的建立及应用

4.4.1进化神经网络方法的建模思想

4.4.2水化学作用下岩石进化神经网络本构模型的建立

4.4.3水化学作用下岩石进化神经网络本构模型的应用

4.4.4进化神经网络本构模型的应用讨论

4.5小结

5水化学作用下预制多裂纹岩石试件单轴压缩化学腐蚀效应研究

5.1引言

5.2 MHC耦合的岩石破裂全过程细观力学实验系统

5.3水化学作用下多裂纹岩石试件破裂全过程试验研究及破坏过程分析

5.3.1单轴压缩下岩石破裂全过程试验

5.3.2单轴压缩下岩石破坏过程分析

5.4水化学作用下不同预制裂纹试件的裂纹搭接破坏模式

5.4.1试验方案设计原则

5.4.2试验结果的比较

5.4.3水化学作用对裂纹搭接模式的影响

5.5水化学作用下多裂纹岩石的断裂准则

5.5.1水化学作用下应力强度因子的计算

5.5.2水化学作用下断裂准则

5.5.3水化学作用下多裂纹体应力强度因子计算

5.6水化学作用下多裂纹灰岩试件的强度腐蚀效应及规律

5.6.1不同化学溶液作用下不同裂纹试件的峰值强度变化规律

5.6.2不同化学溶液作用下相同裂纹试件的峰值强度变化规律

5.6.3水化学作用下峰值强度时效特征

5.7小结

6岩石的抗风化化学加固方法试验研究

6.1引言

6.2区域地质概况

6.3试验材料与试验方法

6.4室内试验结果及分析

6.5现场试验结果

6.6小结

7结论与展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

博士在读期间参加的科研项目及发表的论文

致谢