（岩土工程专业论文）酸性环境中砂岩强度、变形性质的实验研究.pdf

摘要 摘要 实际酸性或碱性环境中的岩体力学性质的逐渐劣化问题，是评价与估算岩体 工程设计寿命与使用年限的根本问题；其本质是岩体化学与力学的交叉混合影响 作用问题，具有深远的理论意义与广阔的实用前景。本文选择具体的、重要的环 境岩土工程问题，即酸性环境中岩体强度特性与变化规律进行了模拟试验分析研 究。针对钙质胶结为主的长石砂岩，用不同p h 值的缓冲溶液模拟酸性环境，通过 对这种化学溶蚀砂岩样的单轴压缩试验和c t 试验结果的分析，研究探索了酸性水 溶液中砂岩样的力学性质及其变化规律：结合岩样的化学成分和结构特征，分析 探索了其力学性质变化的化学作用机理；将酸液对砂岩的钙质胶结物c a c 0 3 的溶蚀 看作是岩石的一种损伤，以化学动力学理论为基础，通过e d t a 滴定试验测定了 c a c o 。的溶蚀速率，进而提出了砂岩的化学损伤模型及损伤演化律；应用提出的化 学损伤模型与用实验得出的岩石变形模量值与强度值进行了对比验证，并与传统 的c t 数损伤模型进行了比较，证明了其合理性与精度；本模型从细观上描述岩石 宏观力学性质的劣化，只有时间和p h 值两个变量，只要测定胶结物的种类与初始 含量及溶液p h 值就可以预测任意时刻岩石的强度。最后，论述了溶质在大体积实 际岩体中的运移过程及不同边界条件下考虑渗流与弥散效应的实际岩体的化学损 伤强度的预测方法：为预测某一实际岩体工程的使用寿命与服务期限提供了一套 分析理论与分析预测方法。 关键词：砂岩样酸性环境化学损伤 a b s 戳e t a b s t r a c t 瑟魏s e do n 屯热e 世x p e r 主碡e 斌s0 s 8 稍s t o n es 8 翠王e ss u 翻e r 孽e 蠢i nv a r i o u s 鑫e 强 s 0 1 u t i o nw i t hd i f f e r e n tp hv a l u e s ， t h e 瑚抽o r om e c h a n i c 8 1b e h a v i o ro ft h e f e l d s p 8 t l i es a n d s t o n ew h i c hi sm a i n l ye e m e n t e db yc a l c i u m h a sb e e n8 七u d i e d ： t h ec h e 趣i e a 王r e a g t i o 珏蕊e e b 鞠i 8 穰o nt 赵e 臻e e h 羽硅e a 王b e h 洲i o re h a l 毽e sb 嚣sb e e 狂 r e v e a l o dw i t ha n a l y z i n gt h er o s u l t so fu n i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s ta n dc t m e a s u r e m e n t s ，c o n 8 i d e r i n gt h er o c k o h a r a e t e r i s t 主e s ：t 黯嚣， t h es o l u t i 醯 c h e m i o a lc o m p o s i 屯i o na n ds t r u c t u r e e f 专h e 噩8 主拜e e 稿e n to fr 。e b 吨鑫3 呈s c o n s id e r e da st h er e a s o no f 屯h er e d u c i n go fr o c ks t r e n g t h t h e8 t r e n g t h m o d e lo ft h er o c ki nt h ea c i ds o l u t i o nh a $ b e e ne s t a b li 8 h e du s i n gc h e m i c a l k i n e t i o st 砖o r y 勰dd 嚣疆a g et h e o r y ，b y 乞h ee 驺t 矗t i t r 8 t i o 雅t e s t 毫ot e s t 专h e s o l u t i o nr a t eo fe a e 0 3a n dt h er e l a t i v ec o n s u m p t i o no fe a e 0 3t od 磅f i n et 1 e d a m a g ev a r i a b l e ：仆ee v 0 1 v e m e n te q u a t i o no fd a l a g eh a $ b e e nd e d u c e da tt h e s a 礤et i l 珏e 。f i n a l l y ，t h ew 8 yo fs t r e 髓g t h o r e 8 s tu n d e rc h e 阻i e 8 王d a 嚣1 8 9 eh 8 s b e e nd i s u s s e d 主n 屯歉ef a e t 毽a 王r o e ki nw h i o ht h es e e a g 黪a n 垂d 主s e r s i o 赴i n s 0 1 u 七et r a n s d o r t a 七i o nh a sb e e nc o n s i d e r e d o n ei d e ao rm e t h o dh a sb e e n g i v e nt 0p r e d i c to n ef a c tr o c ke n g i n e e r 王n g ss e r v i c e 屯i m ei nt h i s 七h e s i s 。 嚣e y 霹。取l ss a n 鑫s t 。魏s a 浆p l e ， 鑫c i de 扭v i r 。蕊e 矗t ，味鲢i e a i 畦鑫i l l a g e 西安理工大学硕士学位论文 酸性环境中砂岩强度、变形性质的实验研究 第一章绪论 1 1 引言 岩土工程强度与稳定性的时间效应是一个不容忽视的理论与应用问题。环境 化学因素对岩体的长期作用，使岩体发生化学变化，进而影响岩体的力学特性已 是一个众人皆知的客观事实。例如：酸雨、被化学因素污染的地表水和地下水均 使岩体发生不同程度的化学变化，这自然要影响岩体各个时期的力学特性；地下 隧道数十年后仍可出现变形、断裂，某些岩类由于环境变化引起的时效膨胀现象 已对地下建筑产生严重的影响，瑞典的许多隧洞建在膨胀岩中，几年之内隧洞收 敛达几十厘米，隧洞不能正常使用，我国的铁路隧洞亦有类似现象；水库大坝坝 基、拱坝坝肩在酸性降水及地下水的长期作用下，强度、变形等力学特性会发生 显著变化而导致异常破坏：岩溶地区、海水入侵地区由于地下水的长期作用会发 生地面塌陷【l 】。 从岩体结构特性来看，其力学特性也具有对环境因素的敏感性，岩体工程实 践表明，某些岩类，如泥岩、页岩、粘土岩、泥质粉砂岩等常见岩体，其力学特 性和结构稳定性与它们所处的化学环境和力学环境密切相关；甚至一些自身强度 很高的岩体，如花岗岩、闪长岩等在长期的风化作用下可能引发沿断裂面或节理 面的泥化( 高岭石化或蒙脱石化) ，使岩体的整体力学性态发生本质上的变化。 同时，这种弱化作用也使岩体对于环境变化，如地下渗流场的变化、与大气的接 触、干湿循环及冻热循环十分敏感嘲【4 】【5 j o 岩土体既是环境污染物的扩散体，同 时可以用于贮存工业污染废料，使它与地球生物圈隔离的防护体，如放射性核废 料、高度传染性废物、化学毒品在深部地层中的长期储存。它要求作为隔离防护 体的岩体，在隔离物对围岩具有反馈影响，如核废料对围岩有辐射损伤和加温的 情况下岩体的长期( 一般要求2 0 0 年2 0 0 0 年) 稳定性和密封隔离的可靠性【l 】。 从环境科学考虑，工业上有害化学物质的扩散和核能利用中带来的辐射物质 污染及其对岩土体力学性态所产生的耦合效应，由于作用的长期性，将会最终影 第一牵绪论 响岩土介质与结构的长期稳定性。环境中岩石的长期强度问题是最近十年出现静 褥至l 迅速发袋戆琢襞塞主工程学弱一个燕要豹舔襄谦蔻。嚣境者主工程学是掰岩 士技术改善嗣处理影响擞物生命与发展外围状态的举科。它不仅藤解决工程本身 的问题，还骚解决工程与环境的相互影响。用岩土技术、观念和方法来适应、治 理帮保护者主工程，在缀大程度上稼轳氍治理丈醛境；迁环境阁题豹解决与巍 工程相结合，使岩土工程主动的与环境相适应。其研究内容包括：污染岩的 工程性质与译价问题；不同岩琢襞下工程建设的特殊超题；各类工程建设 与岩土环境演变的关系闷遂；废弃物的岩工瑕处理技术润簇嘲p 1 【8 l 。近十年 来，环境岩土工程学的研究主要集中程后三个问题，对污染岩土的工程性质与评 徐阉题豹磷究关注不够。拳岩主纯攀撂用簿岩土力攀毽震敬影嗡，是岩力学 中亟待开描的领域【9 1 。实际上，由于污染地基承载力的下降，给工程设计造成了 隐患或极大的浪费。例如：昆明某化工厂地基由于酸液侵蚀造成一个月相对沉降 这4 0 越珏，厂房酸嚣汹。我蓬枣方夺农严重懿酸蔫污染。主海、震痰、贵鞫、长 沙等地都有出现酸雨的报道，上海市敲雨的发生率黼达4 0 ，酸雨的p h 值越来 越低，一到下雨有些地方就能闻到s 0 2 的怪味。重庆、贵阳均发生过p h 值低达 3 。3 5 弱3 。4 4 熬酸雨翻，亵予酸雨戆长麓影响，跨会弓l 莛揆瑗竣璃、岩覆透毅的失 稳、变形乃掇破坏；由予截水筑坝的影响，坝基水的地球化学环境会发生明撼变 化，有时会产生极大的酸性或碱性，蛾蒸基岩在酸碱的长期作鼹下，其中的絷些 化学成分会发生迁移，在这种水的长期作用下，会便大坝基岩宥泥化的危险【1 4 j 。 对污染岩土物理力学特性的研究应成为2 1 世纪糟土力学研究的个重要方面 l l f l 2 】f 1 3 】。戮忿，污染老的工程缝震与译徐超题黪剐是对其长耀强度夔译臻溺 题，应该引起了人们的鬣视。 鉴此，在进行岩体长期稳定性评价时，应考虑环境化学因豢对岩体长期作用 豹影豌，一麓学者对貉在嚣凌纯学嚣素熬终焉下长蘩稳定羧润器骞遗一黧探 索。 西安理工大学硕士学位论文 1 2 岩土工程化学的发展现状 1 2 1 污染岩土中的化学反应 有关这方面的研究主要有： 施希京、彭汉兴【1 通过对坝基析出物的化学成分和含量的分析阐明了其成 因及其与基岩是否泥化的关系；施希京、彭汉兴和吕民康”1 通过对某水利水电工 程花岗岩泥化带的野外地质调查，和室内偏光显微镜、扫描电镜、x 射线衍射、 红外吸收光谱及差热等方法的分析，研究了岩石中矿物成分的变化与微结构特征 后，就花岗岩类岩石由风化淋滤引起的泥化机理和矿物演化过程作了探讨；马晓 辉等1 1 6 1 通过对软岩泥化机理的分析。提出了坝基软岩是否泥化的四条判据，认为 在接近中性的水中页岩泥化主要是因为s i 0 2 的水解形成偏硅酸，进一步分解， 以s i 0 3 2 迁移，即： s i 0 2 + h 2 0 h 2 s i 0 3 h 2 s i 0 3 _ s i 0 3 2 。+ 2 h + s i 0 2 溶解度的大小与溶液p h 值有关，p h 值小于9 时，溶解度小且与p h 值无 关：p h 值大于9 时，溶解度随p h 值的增大而急剧加大；从矿物和化学成分的 变化，以及大坝地质环境特征三方面详细论述新安江大坝坝基页岩总体上不存在 泥化的结论。宋汉周，施希京【 1 在对几个大坝坝体析出物的物质成分、理化指标 等特性进行分析的基础上，对其成因作了探讨，从宏微观角度，评价了析出物对 渗透稳定性的影响，指出了析出物在一定条件下是化学潜蚀作用所至。 王瑞久，张作辰，李励红采用地球化学理论和水文地球化学方法，对河 南鸭河口电厂地下水化学成分背景调查表明，生活污染物与人畜粪便及施放肥料 是地下水中n 0 3 。污染的主要原因。入渗水溶解矿物的能力取决于水的酸度( p h 值) 。 陈亚新，史海滨，田存旺【1 9 谰动力学理论和数值模拟技术相结合的方法研 究了地下水与土壤盐渍化的关系；李芳等口0 1 分析了硫酸盐渍土盐胀机理及主要影 响因素( n a 2 s 0 4 含量、c l - s 0 4 厶、温度和上覆荷载) ，提出了低层建筑防治盐胀 的若干途径与措施；建议在硫酸盐渍土中加入c a c l 2 、b a c l 2 进行化学处理，使 第一章绪论 土中易溶盐的成分和性质发生变化，从而消除盐胀或减轻盐胀，其化学反应式为： n a 2 s 0 4 + c a c l 2 _ c a s o + 2 n a c l n a 2 s 0 4 + b a c l 2 _ b a s 0 4 王+ 2 n a c l 高江平，吴家惠【2 1 1 用回归正交设计法对含氯化钠硫酸盐渍土的盐胀特性进行了综 合影响因素的研究，提出了硫酸盐渍土盐胀率随含水量、氯化钠含量、硫酸钠含 量、初始干容重和上覆荷载等五因素变化的计算公式；分析了盐渍土的盐胀单因 素作用规律，指出盐胀率与各影响因素之间均呈二次抛物线关系。胡中雄，席永 慧【2 刁对硫酸根离子对基础混凝土的结晶性腐蚀机理，污染土的处理及检测等问题 进行了研究，测定了其离子扩散系数d ，提出了相应的处理措施。罗逸，李国华， 张慧【2 3 】研究了有机阳离子化合物对对膨胀性土性质的改善，他们认为主要有三个 方面的影响，即抑制蒙脱石晶层膨胀性的影响、抑制粘土微粒闻膨胀性的影响、 降低膨胀土强度衰减性的影响。结果表明，土体亲水性改变与强度提高都与该化 合物能够有效地与土颗粒进行阳离子交换并在颗粒表面形成吸附膜有关。经过化 合物溶液处理过的土样，其膨胀性、含水量、孔隙率和饱和度都不同程度的降低， 容重增大，抗剪强度也获得相应的提高。 邱汉学等口4 】对海水入侵区水质演化过程进行了深入细致的研究，通过对海 水入侵区地下水的基本化学特征、水文地球化学作用的综合分析，总结了海水入 侵区的水文地球化学模型为： 混合作用：c * = ( c l b + c 2 ) ( 1 + b ) c * 一混合水中某离子的计算浓度： b 一咸淡水混合比； c t 、c 广淡水、海水中某离子的实际浓度； 阳离子交替吸附作用：2 n a + + c a 2 + ( 吸) 一2 n a + ( 吸) + c a 2 + 2 k + + c a 2 + ( 吸) 一2 k + ( 吸) 十c a 2 + 溶解与沉淀作用：m 9 2 + + h c 0 3 + o r m g c 0 3 0 + h 2 0 c a 2 + + h c 0 3 。+ o h c a c 0 3 土+ h 2 0 c a s 0 4 _ c a 2 + + s 0 4 2 张保祥，李福林 2 5 】提出了监测海水入侵动态发展的两项明确指标，即以特征离子 西安理工大学硕士学位论文 比值为主体的水化学监测指标和以电阻率、充电率为主体的物探监测指标。总之， 对、混凝土的化学侵蚀性质的研究仅开始于近几年，研究成果尚处于初级探索 阶段。 1 2 2 从化学角度研究岩土的宏观力学性质 这方面研究的有代表性的成果如下： 孙重初针对昆明某化工厂酸液侵蚀地基，将红粘土浸在硫酸铵、硫酸溶 液中进行模拟实验。结果表明，工业酸液的入侵，使地基土发生了一系列的物理 化学变化，红粘土物理力学性质明显改变，含水量、液性指数及含水率增加，可 溶盐增加，塑性降低，抗剪强度、压缩模量降低，使地基破坏。吴恒，张信贵等 【2 7 1 通过对南宁市地下水的主要离子的变化特征的分析得出十余年的城市建设引 起了地下水化学场变异的结论；并用h c l 作为酸度剂配置两种不同的溶液进行 模拟试验，通过对浸泡其中的不同时间的原状土样和扰动土样的c 、母值的分析 得出结论：由于m 9 2 + 、f e 2 + ( f e 3 + ) 的析出，土体胶结物的溶解使土体强度逐渐降 低；土体的强度下降与p h 值有关，p h 值小的溶液中的土样下降幅度大。吴恒， 张信贵，易念平，代志宏 2 卅将土体中的固相划分为不可溶蚀相、可溶蚀相两个亚 相，由此对因地下水环境变异引起的土可溶蚀相变化进行了理论分析并提出， e 咖= m 。dk dj ，( mj d k + m k d i ) 其中，e k i v 一土中孔隙体积与固相体积之比； m 。一水的质量； m 广不可溶相质量； m 广一可溶相质量； d k 不可溶土颗粒密度与水的密度的比值； d 广- 可溶物质密度与水的密度的比值。 该式揭示了可溶蚀相引起的土体孔隙变化，并预测了土体潜在变形量。陈余道， 朱学愚等【2 9 】用蒸馏水、岩溶地下水以及用浓硫酸、5 n a o h 标准溶液配制成的酸 性、碱性溶液模拟受污染的地下水浸润土样，研究酸性土体崩解与水化学、水动 力条件变化的关系。得到了一些定性的结论。 陈昌炳 3 0 】建议用化学动力学研究土体的长期稳定性。他认为：土体的强度 纂一章鹫论 由某些胶结物控制，即：e s 铺( c l ，c 2 ，c 3 ，) s 堍( c l ，c 2 ，c 孙。) 其中：e s 一压缩模黛： t s 一抗剪强廪。 c i ，e 2 ，c 3 ，一器耱薮结携瓣会量； 在某种溶液的作用下，任一时刻饺一种胶结物的含量是一定的，其具体德可以通 过化学反应速度方程求出，因而，可以进一步求出任一时刻土的各项力学性质指 拣，璇便对污染i 豹长期强疫遂短颈溺。稷援该愚爨，辕赫炳，痰蜇楚鄂绦墨镣 【3 1 1 研究了针铁矿祥e o h 与h c l 反应的化学动力学特性，报道了它们的反应级数、 速率常数，实验活化能和指( 数) 藏因子。其聪，陈昌炳等 3 2 1 进一步研究了天然 驳结悫钟铁矿与h e l 反窿豹豫学动力学特往，并激i 琏：辩赍翊红糖在酸液 ( h c l ) 作用下的力学特性作了明确的时间预报。孔令伟，罗鸿禧，鼗建新【3 3 】 采用选择性溶解化学方法，用粉t a i n a 2 s 2 s o 毒溶液浸润筑粘土样，取出用蒸 馏水浸泡、游洗，谯保湿器中傈瀑2 天，进行无德限抗蓬强度实验，嗣时进行物 性指标与氧化铁含激测试，对土样进行透射电镜观察。研究红粘土的除铁程度与 宏戏力学指标闻静焚系，提出了蠢效获结物会爨豹概念，建议传戈评价钵长麓 稳定饿的一项指标，并确定了其含量。探讨了游离氧化铁的溶蚀对宏观力学性质 的影响。通过电镜照片观察到铁质并不是一部分一部分地众部溶蚀后苒进行另外 一部分蕊反痤，露麓全瑟遣送缮建惹连续交痰逶程。 国内外也有一些学者从化学机理上研究环境对岩石破裂性能的影响。人们 早已认识到环境会影响岩石的破裂性能，环境中腐蚀物质的化学反应、成力腐蚀， 使褥麓石豹破落热浚、强疫酶 螽，最终导致失豫。铡翔，滋润条谗下静谈坏裁缝 值比千燥条件下的舞低，裂纹扩展速度加快。l a i t a i ( 1 9 8 7 ) 等报告了水对花岗岩 时效变形的影响。w i e d e f l 埘_ n ( 1 9 8 7 ) 6 2 1 报告了威力腐蚀裂纹淑决于电能的结果。 r 曲i n d e ( 1 9 4 8 ) 箨朝等搽讨了纯学环壤对钻井西上岩石力学谯旗的影响，比较了几种 不同化学试剂的作阁及其机制，用g r i m t l l 强度理论对由于化学物质的吸附使得 矿携袭嚣能鲍降低，键进裂纹扩展等遴毒亍了滋暖：在国肉，鸿夏庭3 4 】f 3 翅1 3 6 】f 3 嚣对 受化学溶液侵蚀裔q 裟石破裂随时阐演化的非线性特征进行了声发射测试、时间分 嚣安理工犬学硬士学位论文 形和基于神经网络的研巍。通过不同殿力状态下的试验，对岩霸破坏特性的化学 环境的影响进行了调查；与空气侵蚀条件相比，裂纹尖端的水躐化学溶液使糟石 翡破裂韧痰疆萎逮淹鬣；瘫力瘸缓酸襞氇臻显麴受翻凭学琢凌熬影羲，著蔹簸乎 电位；抗拽强度明显的受至化学煞结物的影响，并依赖于电位，而三轴强度 不会因化学集结物的变化丽明显的变化。汤连生洲10 】通过模拟嶷验研究水化学溶 液霹岩磊纂辘抗压强度、耢爱弱度懿彰滴，对承象爱应静力学效应辊理及寇爨方 法进行了探讨。但是，对于环境中的p h 值的变化引起的岩石强度的变化规律， 馥碱腐蚀弓隧；的岩石损伤演化规律的定量化结果尚未见掇道。 1 3 水、溶液对岩石宏观力学性质的影响 康缎警1 3 胡运爱损伤力学理论分耩永对岩石强度粒变形戆影鹋。毽认为，窳 对岩石强魔的弱化程度取决于岩石的物理性质、裙始状态、含水率、容重及成力 状态等因素。基于煤矿开采中遇到的岩石，如页糟、泥岩及粉砂岩等，其单轴抗 蘧强度、弹瞧筷量与含水攀羞零呈线链关系戆事实，把岩夏扩签导致戆薅积缴变 引入损伤炎量，建立了岛应力状态密切相关的岩石遇水损伤变惫的演变方稔， 。：詈 蜒九一芝掣。( 巳+ 鬈+ 哎) + 兰 一一三。l 燃一 五 ，b ql l，s 其中b _ 一e ( ) 曲线的弹模： d 损伤变量，镣予b ( ( ) 。) e 。； 婪一鬻石治松魄； y w 一水的容重； ( s - 一憾窳系数； o 。，一广义剪应力，渺a ； y 一矿一岩石自然状态下的容重，k n i n 3 。 ￥，一岩石鬏轻容黧； d ，n ，f 3 _ 一岩石扩容参数； 常释，周德培，郫增军伽在静水压力作用下岩石单轴愿缩试验基础上， 瘦霜穰羰襻经嚣络憝联实验鼗豢，势糖静窳嚣力辩磐善屡羧强旋煞影穗。结莱袭 第一章绪论 明，岩石的屈服强度随静水压力的增大近似呈线性减小，减小的幅度与岩石的损 伤程度( 静水压力下的岩石屈服强度与干燥情况下的岩石屈服强度的比值) 成正 比。 综上所述，1 1 1 中均是针对某一具体工程问题定性地描述了化学因素对土 的变形、强度的影响或对已经弱化的岩土体从化学机理上进行解释。用此研究方 法最终不能导出一个定量化的、具有普遍意义的成果，因而在研究岩石时，不能 照搬。1 1 2 没有得到一个定量化的结果：中所建议的方法，从土的宏观性 质受微观性质控制的原则出发，揭示土的强度变化的化学机理，最终以达到预测 土的长期强度的目的，不失为一种有前途的研究途径。对于岩石，也是一种值得 借鉴的方法。但是，在陈昌炳等人的研究中，只考虑强酸对土的作用，其针对性 不强，与实际环境中所呈现的酸性相差较大且其中的胶结物含量不易确定。对于 岩石来说，控制其强度的胶结物也不似文献【3 0 】中提及的红粘土那么简单。 1 1 2 中所使用的实验方法、理论太过复杂，实际工程中缺乏可操作性。1 1 _ 3 所使用的方法对环境因素影响下岩石长期强度的预测也无能为力：没有考虑 渗流影响及物理化学效应，也不能预测岩石长期强度。在另一方面，前人所进行 这些研究中也有许多地方可为建立一个能够预测岩石长期强度的定量化模式所 借鉴。 1 4 岩石的溶蚀过程 对岩石的溶蚀方面所进行的研究主要集中在碳酸岩类岩石。何宇彬，金玉璋， 李康【4 0 j 对各类碳酸盐岩进行了实验研究，探讨了其矿物成分与比溶蚀度( k v ) 的关系，指出具有泥晶结构及粒屑泥晶结构的碳酸盐岩的k v 值大于1 o 。而具有 晶粒结构的k v 值小于1 o 。具有晶粒结构的碳酸盐岩的k v 值随晶粒的增大而降 低。灰岩类岩石主要沿裂隙溶蚀扩大，称为分异作用( 用化学动力学“扩散理论” 解释) ；白云岩类岩石主要沿分散孤立的晶间空隙溶蚀。这也是灰岩喀斯特发育 不均匀，为裂隙溶洞水，白云岩则为喀斯特发育较均匀的裂隙溶孔水的原因。 王洪涛，曹以临【4 1 j 依据碳酸盐( m e c 0 3 ) 二氧化碳( c 0 2 ) 水( h 2 0 ) 体系的 两个水化学模型：方解石c 0 2 - h 2 0 体系模型和白云石c 0 2 h 2 0 体系模型，进行 西安理工大学硕士学位论文 动力学模拟实验，将待测碳酸盐岩样品放入溶液中，让溶液从非饱和态向溶解饱 和态移动，观测如、和p h 这两个独立变量，用化学动力学原理研究了方解石的 绝对溶蚀速度及其机制。韩宝平【4 2 】针对传统模拟实验仅反映岩块表面与水反应的 部分特征，仅反应趋于平衡的准平衡态的现状。用扫描电镜对大量碳酸盐岩溶蚀 孔、隙( 天然风化岩样和溶蚀实验岩样) 进行了观察研究，探讨了喀斯特微观溶 蚀机理。认为水岩界面的选择性溶蚀是最本质的特征，它表现在对物质成分的 选择( 最易溶蚀组分优先被溶蚀) 和对岩石矿物结构和微结构的选择( 结构破弱 部位首先被溶蚀) ：化学溶蚀和矿物结构是选择性溶蚀的两个重要方面。自然状 态下，微渗流状态对其溶蚀特征有重大影响，空喉和障壁前可形成长条状渗孔， 对微裂隙尖端的溶蚀特点，提出了形成囊状溶孔的机制。谭罗荣【4 3 】通过电镜扫描 与浸水实验研究蚀变凝灰岩的微观特性与水稳定性的关系。指出由于蒙脱石矿物 具有对水十分敏感的活动晶格构造，岩石崩解的程度与蒙脱石含量和岩石的物理 化学活性有明显的关系。岩石的水稳定性与微裂隙的关系也十分明显。 以上的一些研究成果都为试图从岩石的胶结物预测岩石在酸性环境中的力 学性质变化提供了理论基础。 1 5 本文的研究思路及内容 根据美国联邦环保局( e p a ) 估计，目前日常使用的化学物质总共达6 ，3 0 0 0 种【4 2 】。它们可以以各种形式进入岩石或土中，要一一研究或模拟这些污染物的作 用，既不可能，也没有必要。在环境中，由于酸雨、各种工业废水( 如印染废水、 制革废水、有机磷农药废水、电镀废水及炼油、化工、冶金、火电排放的废水) 的作用等均会产生一定的酸性。酸雨是指p h 值小于5 6 的酸性降水。一般认为 是人类活动排放的s o x 和n o x 溶于水后形成酸而产生的；在一些地区，由于大 量燃煤产生h c l ，以盐酸酸雨的形式降落地表【3 】【舭】 4 5 1 。游离的一是造成岩石腐蚀 软化的一个重要且普遍存在的因素。例如：c a c 0 3 + 2 h + 一c a 2 + + h 2 0 + c 0 2 t 地下水中其他中性离子基本上不与岩石颗粒及其它胶结物发生反应。这样，我们 就可以用h c l 、h c o o h + n a o h 、h a c + n a a c 、h 2 0 模拟不同p h 值的酸性环境。 通过这种方法来研究岩石在酸性环境中力学性质的变化。根据地质构造分布调查 第一章绪论 分析得知，我国的很多岩体工程均建于不同类型的砂岩中，一些化学工厂的酸液 泄漏也常常对地下砂岩层产生腐蚀，同时，由于砂岩微观隐裂隙较少、孔隙率较 大，对水与化学溶液较敏感【2 】，因此选取陕西的一种细粒长石砂岩为代表性岩体 作为研究对象。 基于以上思路，本文的研究内容包括以下几个方面： 1 应用常规室内试验与c t 检测技术，系统研究了不同p h 值的酸性溶液不 同溶蚀时间对砂岩宏观力学性质的影响规律；只考虑化学溶蚀对试样力学 性质的影响，暂不考虑受荷过程中，其物理力学性质的变化( 损伤) 对化 学性质的反影响。 2 ，进行化学动力学试验。研究胶结物在各种不同浓度酸液中的溶蚀速率； 3 建立宏观力学指标与砂岩中胶结物含量的关系。 4 建立作用时间、溶液离子浓度与岩石强度之间的量化关系。 5 考虑溶质输运过程的影响，将岩石化学损伤模型推广到实际大体积岩体的 强度预测中去。 西安理工大学硕士学位论文 第二章砂岩在酸性环境中强度、变形特性 2 1 试验过程与条件 2 1 1 试样情况 试验采用砂岩岩样，砂岩属沉积岩类，沉积岩成岩时形成的隐微裂隙对岩石 力学性质的影响在三大类岩石中最小，这样就可以最大限度的避免微观隐裂隙造 成的试验结果的强烈分散性。取自陕西彬县县城以南1 0 公里处正在施工的公路 隧洞内，风化程度低。制作岩样时，剔除了表面的风化层。做出的审5 0 l o o i i 】i n 的 标准岩样呈暗绿色。岩样的天然容重为2 4 7 9 c m 3 ，孔隙率为4 4 3 。 委托甘肃省中心实验室进行切片观察，鉴定岩石为细粒长石砂岩，其结构为 细粒砂状结构。岩石由碎屑物和填隙物两部分组成，碎屑物含量约占整个岩石体 积的9 3 以上，其成分主要为石英、长石、黑云母、白云母、硅质岩岩屑、板岩 岩屑、千枚岩岩屑、极微量矿物锆石、磷灰石、石榴石、帘石等。碎屑颗粒一般 在o 3 5 一o 1 唧之间。碎屑形状多为次棱角状，部分为棱角状。碎屑物中，石英 具裂纹，波状消光，部分颗粒边缘有次生加大现象。长石为斜长石和钾长石两种， 斜长石具聚片双晶，折光率小于树胶，为钠长石。钾长石具条纹结构，格子状双 晶，折光率小于树胶，为条纹长石，微斜长石。黑云母、白云母为片状，由于受 构造应力作用，多发生变形，呈弯曲状。岩屑在岩石中含量相对较少。岩石中碎 屑物均匀分布，由于受应力作用，总体上略具定向分布。 填隙物含量约小于7 ，主要为钙质胶结物，含少量硅质胶结物、泥质杂基。 填隙物充填在碎屑颗粒之间，呈孔隙一接触式胶结。岩样中各种矿物成分的含量 见表2 1 。钙质胶结物对酸液较敏感，本文所使用岩样的胶结物的主要成分为钙 质，这是量化研究其在酸液中的强度特性与变化规律的理想岩样。 第二章砂岩在酸性环境中强度、变形特性 表2 - l 岩样中各种矿物成分的含量 石英( 士) 4 5 硅质岩岩屑 3 5 黑云母 碎屑物( 9 3 ) 2 白云母 板岩岩屑 ( 5 千枚岩岩屑 微量矿物 1 钙质 4 填隙物( 5 )硅质 1 泥质 2 2 1 2 酸性环境的模拟 p h 值为1 、3 、5 、7 的四种溶液的配制方法如下： 用2 0 克3 7 的h c l 加水稀释成2 升h c l 稀溶液，根据其蚋农度知其p h 值为1 ； 每次浸入试样之前，用精密p h 试纸测量其p h 值： 用8 3 4 克9 6 的n a 0 h 和1 0 4 6 克8 8 的h c o o h 加水至2 升配制成p h 值为3 7 5 的缓冲溶液。然后加入1 4 克3 7 的h c l 调整其p h 值至3 ； 用1 2 0 1 克9 9 5 的 i a c 和1 6 4 0 克9 9 o 的n a a c 加水至2 升配制成p h 值为4 7 5 的缓冲溶液，向其中加入9 6 的n a o h 2 3 4 克，通过这种方法获得p h 值为5 的溶 液； 用2 升蒸馏水充当p h 值为7 的溶液。 、溶液的配置过程中，加入h c 乙或n a o h 调整p h 值，其量的确定依据以 下公式“”： p h - 3 7 5 - 1 9 ( 慧) _ 3 ，其中的x 的值为力入h c l 的克分子数； p h - 4 7 5 一l g ( 告等善 = 5 ，其中的x 的值为加入n a o h 的克分子数。 为保持溶液为2 升，开始配置缓冲溶液加水稀释时；只加到略低于2 升的位置， 加入h c l 或n a o h 调整p h 值后，再将水加满至2 升。 2 1 3 试样的标定与分组 西安理工大学硕士学位论文 试验进行前，先对3 7 个完整岩样进行声波波速测试，其中编号为1 、7 、1 1 、 1 6 、1 8 、3 6 、3 9 号样声波无法透过或与其他岩样相差较大，表明其均一性不好。 根据声波波速的一致性，被选用岩样分组如表2 - 2 ，其声波波速均介于2 8 0 0 3 1 0 0 m s 之间。 表2 2 各组试验试样分配表 备用样 溶液p h 值用作c t 试验用作单轴压缩试验 c t 各用单轴压缩备用 133 42 61 53 314 、5 32 73 13 02 52 178 、9 52 82 32 21 321 81 0 、1 2 73 83 72 92 01 43 61 7 、1 9 2 1 4 试验过程 单轴压缩和c t 扫描试验在中科院兰州寒区早区环境与工程研究所冻土工程 国家重点实验室进行。单轴压缩试验采用m i t s - 8 1 0 三轴伺服试验机，数据由计算 机自动采集。c t 扫描设备为医用x 射线c t 机，型号为g e 8 8 0 0 ，空间分辨率为o 8 ， 密度对比分辨率为o 5 ，5 1 0 秒可完成一个层面的扫描，c t 数范围1 0 2 4 8 0 7 1 。 将岩样放在特制的木支架上，用油标卡尺定位，确保每一次扫描的层位相同( 误 差不超过o 5 l n i n ) 。每次扫描的层位见下图。考虑到试验的成本，在满足本文的研 究目标的前提下，只对p h 值为l 和5 的溶液中浸润的3 、2 8 号岩样进行了分层 扫描。 将上表中试样分别浸入溶液中，用6 号样测定岩石的初始状态指标，11 号样 送到甘肃省中心实验室进行切片观察。考虑到溶液从试样表面到渗透到中问需要 一段时间，第一次取出试样是5 天后，将3 4 、3 1 、2 3 、3 7 号样用水冲洗后( 防止 腐蚀仪器) 作单轴压缩试验，实验采用的应变速率为0 + 2 n 功，m i n ，同时取出3 、2 8 号样在水龙头下冲洗3 0 分钟，然后在8 0o c 恒温箱内烘2 4 小时，再进行c t 扫描 试验。扫描后，再次浸入各溶液。9 、1 4 、2 1 天后取出另外三组岩样做单轴压缩实 验；9 、1 4 天后仍取出3 、2 8 号岩样作c t 扫描试验。每一次取出岩样时，更换一 次密闭容器中的溶液( 为了减少挥发造成p h 值的变化而引起的误差) 。实验进行 的2 0 多天中，室温一直在2 0 0 c 左右( 土1 0 c ) ，因而温度的影响可以排除。 第二章砂岩在酸性环境串强度、变形特性 c t 扫描层位示意图 2 2 浸蚀时间对砂岩力学性质的影响 2 2 1 浸蚀时间对砂岩强度的影响( 见图2 1 ) 强度随时间的延长持续降低，这是由于溶液中h + 使决定岩石强度的胶结物随 时间的延长不断溶解。所有溶液中的岩石强度降低过程中均有一个变化较大的区 间( 表2 4 ) ，这主要是因为岩石颗粒与胶结物在h + 作用下大面积脱离接触造成岩 石强度的大幅度降低。p h 值较小的两种溶液中岩石强度发生大幅度降低的时间在 o 5 天时，而另两种溶液则发生在第5 9 天的过程中。 表2 3 不同溶液中岩石各阶段的单轴抗压强度值( m p a ) p h 值 时间( 斋 1357 o6 3 2 4 6 54 2 1 1 04 9 6 1 85 7 0 2 25 8 0 7 7 93 3 4 4 l3 6 3 5 33 8 0 0 04 0 3 5 3 1 4 1 9 7 2 7 2 5 4 8 l2 7 1 3 6 2 9 0 6 2 2 l1 2 3 6 41 9 。3 8 l2 1 0 5 92 2 0 4 5 注：浸润o 天即为未浸泡，下同。 表2 4 岩石单轴抗压强度的降低幅度( ) i 桊竺 l35 7 阶段( 天) 、 0 53 3 42 l5 ， 9 88 2 5 91 3 72 l l03 0 12 8 9 1 42 1 71 7 21 7 21 7 9 1 4 2 l1 1 69 69 61 1 1 注：幅度降低为强度的降低值与初始强度( 6 3 2 4 6 m p a ) 的比值。 11j鲞 冒 西安理工大学硕士学位论文 2 2 2 浸蚀时间对砂岩破坏过程、破坏模式的影响( 图2 3 ) 从四种溶液中所有阶段的岩样应力应变关系曲线来看： i 均有初始压密段，随着时间的延长，该段有加长的趋势，浸2 l 天后的1 4 号样的初始压密段甚至达到最大应变的l 3 。这表明，浸润时间的增加，使岩石中 胶结物充分溶解，形成了较大的孔隙，使岩石试件在进入弹性阶段之前，有越来 越长的压密过程。 i i 弹性阶段相应变短。 i i i 随着浸润时间的延长，应力一应变曲线上出现明显的屈服段，且其长度 有增长的趋势。从试验过程的观察可知，浸润时间愈长的岩样，从开始出现裂纹 至完全破坏的时间愈长。未浸润的岩样从裂纹开始出现至破坏几乎是瞬间的事。 破裂模式、破坏机理 从未浸润岩样加载过程的观察可以看出，当加载到岩样的峰值强度的7 0 8 0 时，岩样表面出现可见平行压应力方向的裂纹，随着外载的增加裂纹进一步偏 向压应力方向扩展，接着可见岩样周边有片落现象发生，破坏过程伴随有较大的能 量释放，加载结束时发生巨大声响，在一侧有小块崩落。漫润5 天后，岩样加载时， 发生缓慢变形，加载一段时间后始见可见裂纹，裂纹仍然平行压应力方向，最后 以中部膨胀的形式张裂破坏，破坏时声响较小，浸润时间愈长，p h 值愈小的溶液 中取出的岩样，裂纹密度越大，在岩样的整个区域内分布越均匀。这表明，h + 的作 用使岩石变得疏松，颗粒之间的联结力减小，原有的微缺陷造成的不均一性降低。 随着 r 浓度的增加或时间增长，岩样破坏时的应变能的突然释放逐渐减弱。 根据郭志“7 1 的划分，岩块的单轴应力应变曲线有9 种类型，破坏模式则被分 为a 、b 、c 、d 、e 5 个大类，每个大类又分4 种模式，根据该岩石的强度、破坏模 式及应力应变关系曲线均可判断，本次实验的砂岩为半坚硬岩石中较差的一种， 以条柱状方式破坏，岩性及隐微结构均一，破坏机理为张破裂与挤压破碎共存， 存在一定的柔性，其裂纹展布方式见图2 4 ( a ) ，为郭志所述的d 类岩石；浸润5 天后，其破坏方式发生很大变化，从此时岩样的强度，破坏模式及应力应变关系 曲线可以看出，此时岩样的破坏模式与郭志所述的e 类岩石一软岩的破坏模式相 ! 第二章砂岩在酸性环境中强度、变形特性 吻合，其裂纹展布方式见图2 4 ( b ) 。其后取出的岩石的破坏方式均属此类。属张性 破坏，在试件中部向外侧胀，显示柔性特点。 ( a )( b ) 图2 4 浸润前后岩样受压破坏时的裂纹展布方式 2 2 3 岩样破坏时的应变特征( 图2 2 ) p h 值为1 、3 、7 的溶液中的岩样破坏应变开始( 5 或9 天) 相对于初始状态 降低较大，这是因为与岩石颗粒接触的那一部分胶结物迅速溶解，使岩石颗粒 之间变得松散，强度大幅度降低。不同溶液中岩样破坏应变的峰值出现的时间不 一致，p h 值较小的两种溶液中取出的岩样破坏应变峰值出现在9 天时，而后两种 溶液则出现在1 4 天时。破坏应变增大是柔性增强的一个表现，以上结果表明， r 对胶结物的溶蚀决定了岩石强度的降低，即h + 浓度越高的溶液对岩石的作用越快。 表2 5 不同溶液中浸蚀不同时间的岩样破坏应变( ) 溆 l357 o1 4 7 51 2 0 1 3 71 5 41 2 9 9 1 8 72 0 01 5 61 6 2 1 41 5 91 9 41 7 31 7 6 2 l1 2 l1 6 2 1 5 71 4 3 2 2 4 浸蚀时间对砂岩屈服点割线模量的影响( 图2 5 ) 随着浸蚀时间的延长，所有溶液中试样的变形模量均随时间增长而持续降低。 从应力应变曲线可以看出，模量在初期的增长，是因为浸入后，破坏应力与破坏 应变同时降低，其中只有p h 值为7 的溶液中的岩石强度的降低幅度较小。其余溶 液中岩石变形模量的大幅度降低主要是因为此时岩石强度的大幅度降低。 西安理工大学硕士学位论文 表2 6 浸润各阶段岩石屈服点的割线模量( 归a ) p h 值 浸润丽介债2 1 3 5 7 53 5 7 4 5 53 6 7 8 7 33 7 1 5 8 84 5 6 9 6 6 91 8 0 6 9 21 8 3 8 2 92 4 9 4 9 22 5 1 7 4 l 1 41 2 5 5 7 51 3 2 7 7 51 5 9 0 8 91 6 6 8 2 0 2 11 0 4 8 2 71 2 0 7 8 61 5 6 4 ，5 51 5 6 8 6 5 注：未浸泡岩样的屈服点割线模量为4 3 5 8 7 m p a 。 2 3 溶液p h 值对砂岩力学性质的影响 2 3 1p h 值对砂岩强度的影响 从图2 6 可以看出，在浸蚀相同时间的情况下，h + 浓度越高，岩石强度愈低， 这是因为较高浓度的 r 造成c a c 瓯的溶蚀速度加快。从整个曲线可以看出， 明对 岩石强度的影响不是很大，特别是p h 值从5 变为7 的过程中，其强度只是略微上 升。 2 3 2p h 值对砂岩破坏过程、破坏模式的影响 从应力应变曲线可以看出，浸润相同时间时，p h 值越小的溶液中取出的岩 样的初始压密段、屈服段越长，弹性阶段越短。这是因为，h + 浓度越高，化学反应 越充分，形成较多的微孔洞，使岩石软化、柔性增强。 现有研究表明，岩石的微观断裂形式主要有穿晶断裂、沿晶断裂及它们的 互相耦合等三种形式，也有少量的微孔洞集结断裂形式。产生这些断裂的原因是 由于岩石内存在大量的微裂隙、微孔洞、夹杂和第二相粒子等，这些同晶粒尺寸 量级的微缺陷使其本身的强度远低于晶粒强度“”“”。本文使用的岩样为胶结联结 的长石砂岩，岩石的强度主要取决于胶结物的性质。从试验结果可以看出，浸润 相同时间的情况下，p h 值越小的溶液中浸润的岩石，破坏时，裂纹分布密度越大、 越均匀、区域越大。反之，则密度越小、越不均匀、产生裂纹的区域越小。这是 由于 r 溶度高，反应速度快。其胶结物( c a c 0 。) 溶蚀越多，使岩石的柔性增强， 整体弱化的同时，岩性较初始状态均一。浸润相同时洵时，p h 值越大的溶液中取 出的岩样，破坏时的方式与初始状态越接近，其损伤回避强带扩展和弱带优势导 向扩展的规律明显。p h 值为3 和7 的溶液中的岩石破坏时裂纹展布的发展趋势示 第二章砂岩在酸性环境中强度、变形特挂 意图如下： ( a ) p h = 3p h = 7 图2 8 不同p h 值溶液中岩石破坏时的裂纹分布 2 3 3p h 值对砂岩破坏应变的影响( 图2 7 ) 开始，随p h 值的加大，破坏应变持续增大。到了一定的时候又有所降低，个 别的有波动趋势。浸蚀9 、1 4 、2 l 天的三种溶液中岩石破坏的最大值出现在p h 值 为3 的溶液中，而浸蚀5 天时，p h 值为5 的溶液中的岩样的破坏应变最大。破坏 应变过峰值后，整体上呈现下降的趋势，大多数最终仍大于初始状态( 1 4 7 ) 的 值。在p h 值为1 的溶液中的岩石由于盯浓度太高，其强度降低幅度太大，所以破 坏应变不会有太大的升高，相反，若强度降低幅度大于岩石软化的幅度( 变形模