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青岛科技大学研究生学位论文 化学腐蚀对深部软岩蠕变特性的影响研究 摘要 采掘及国防工程向地下深部的推进过程中，带来了一系列深部岩体力学问 题。对工程安全起重要作用的地下水化学腐蚀问题己突出地摆在人们面前，其 产生的影响已对生产和安全构成了极大的威胁。因此，化学腐蚀下深部软岩蠕 变特性的影响研究具有重要的理论意义和应用价值。 蠕变是流变的一种，也是发生流变大变形主要的影响因素之一。因此，软 岩工程中，要研究流变大变形，其蠕变性质的研究首当其冲。考虑到砂岩可视 为多孔介质，其在化学腐蚀下孔隙度动态变化，本文给出了考虑化学腐蚀和渗 流的多孔介质有效应力计算方法，同时，对传统的多孔介质模型进行改进，引 入化学腐蚀影响因素，计入溶液p h 值和有效应力的影响，给出了化学腐蚀下深 部砂岩的蠕变方程。 通过化学腐蚀下砂岩单轴蠕变实验，利用m a t l a b 非线性最小二乘估计，对 模型进行了验证。结果表明，模型本身的适用性很好。在用模型拟合实验数据 的同时，得到了实验数据与模型的拟合曲线和不同p h 值不同应力下的蠕变参 数。并得出结论：化学腐蚀程度越严重，蠕变量和蠕变速率越大，化学腐蚀的 影响程度与所承受载荷有关。 利用a n s y s 软件对某一工程算例进行了数值模拟计算，可视化地呈现了巷 道围岩蠕变现象，并再次验证了实验结论。 关键词：化学腐蚀孔隙度有效应力砂岩蠕变模型蠕变参数 化学腐蚀对深部软岩蠕变特性的影响研究 青岛科技人学研究生学位论文 r e s e a r c ho nt h ee 】陌e c t so fc h e c a le r o s i o n o nc r e e po fd e e ps o f rr o c k a b s t r a c t t h ea d v a n c eo fu n d e r g r o u n de x c a v a t i o na n dn a t i o n a ld e f e n c ec o n s t r u c t i o n t o w a r d sd e 印p a r t b r i n g sas e r i e so fp r o b l e m so fd e e pr o c km e c h a n i c s t h e nt h e p r o b l e m so fg r o u n dw a t e rc h e m i c a lc o r r o s i o nw h i c hp l a y sa ni m p o r t a n tr o l eo ft h e e n g i n e e r i n gs e c u r i t y ，h a v eb e e np u t t i n gi nf r o n to fu s ，o fw h i c ht h ee f f e c ti sag r e a t m e n a c et op r o d u c t i o na n ds e c u r i t y t h e r e f o r e ，i th a st h ei m p o r t a n tt h e o r ys i g n i f i c a n c e a n dt h ea p p l i c a t i o nv a l u et os t u d yo nc r e e po fd e e ps o f tr o c ki nt h ee f f e c to fc h e m i c a l c o r r o s i o n c r e e pf o r m sp a r to fr h e o l o g ya n di t sa l s ot h e m a i nr e a s o no ft h el a r g e d ef o r m a t i o n a c c o r d i n g l yi fy o uw a n tt o s t u d yt h e la r g e rh e o l o g i e a ld e f o r m a t i o n ，s t u d yt h ec r e e p f e a t u r e sf i r s ti ns o f tr o c ke n g i n e e r i n g s a n d s t o n ec a nb er e g a r d e da sp o r o u sm e d i u m i t sp o r o s i t yi sd y n a m i c t h ec a l c u l a t i o nm e t h o do fe f f e c t i v es t r e s so fp o r o u sm e d i u mi s g i v e ni n t h i sp a p e r a tt h es a m et i m e ，at r a d i t i o n a lm o d e lo fp o r o u sm e d i u mi s i m p r o v e d ，a n dc h e m i c a lc o r r o s i o na saf a c t o ri si n t r o d u c e d t a k i n gt h ee f f e c to fp h v a l u ea n de f f e c t i v es t r e s si n t oa c c o u n t ，c r e e pe q u a t i o n so fd e 印s a n d s t o n ea r e e s t a b l i s h e du n d e rc h e m i c a lc o r r o s i o n t h em o d e l sa r ev e r y f i e dt h r o u g hs a n d s t o n eu n i a x i a lc h e m i c a lc o r r o s i o nc r e e p e x p e r i m e n ta n du s i n gm a t l a bn o n l i n e a rl e a s t - s q u a r e se s t i m a t i o n t h er e s u l t si n d i c a t e t h a tt h ea p p l i c a b i l i t yo ft h em o d e l si sg o o d t h ef i t t i n gc u r v e so fe x p e r i m e n t a lf i n d i n g s a n dm o d e l sa n dc r e e pp a r a m e t e r so fd i f f e r e n tp hv a l u ea n ds t r e s sa r eo b t a i n e da tt h e 1 1 1 化学腐蚀对深部软岩蠕变特性的影响研究 s a m et i m e ac o n c l u s i o ni sd r a w nt h a tw i t ht h ed e g r e eo fc h e m i c a lc o r r o s i o ni n c r e a s i n g ， c r e e pd e f o r m a t i o na n dc r e e pv e l o c i t yi n c r e a s e s ，a n dt h ee x t e n to fe f f e c to fc h e m i c a l c o r r o s i o ni sd e p e n d e do nl o a d i n g a n e n g i n e e r i n gc a s ei ss i m u l a t e db ya n s y s ，t h ep h e n o m e n o no fc r e e po ft u n n e l a d j a c e n ti se s e n t e dv i s u a l l y , a n dt h ee x p e r i m e n tc o n c l u s i o ni sv e r i f i e da g a i n k e yw o r d s ：c h e m i c a lc o r r o s i o n p o r o s i t y e f f e c t i v es t r e s ss a n d s t o n e c r e e p m o d e l s c r e e pp a r a m e t e r 1 1 课题的提出1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 岩土介质微细观结构试验研究综述2 1 2 2 岩石蠕变本构模型研究3 1 2 3 考虑化学腐蚀的岩石力学研究8 1 2 4 存在的主要不足9 1 3 研究方案1 0 2 基本理论 1 1 2 1 软岩相关理论1 1 2 1 1 软岩的概念及分类1 1 2 1 2 软岩的孔隙度1 2 2 1 3 软岩的流变性1 2 2 1 4 软岩流变学的研究方法1 5 2 2 蠕变模型1 5 2 2 1 蠕变物理模型”1 6 2 2 2 蠕变数学模型1 8 2 2 3 黏弹塑性模型参数确定方法2 0 2 3 软岩的化学腐蚀2 0 2 3 1 软岩周围化学场一地下水2 0 2 3 2 化学环境下软岩的力学性质”2 1 2 3 3 化学成分分析理论与能量平衡变化理论2 2 2 3 3 1 化学成分分析理论2 2 v 化学腐蚀对深部软岩蠕变特性的影响研究 2 3 3 2 能量平衡变化理论2 3 2 4 多场耦合2 3 2 5 本章小结2 4 3 考虑化学腐蚀p h 值影响的多孔介质流变模型m ”2 5 3 1 将西原正夫体模型改进后的流变模型2 5 3 1 1 西原正夫体模型2 5 3 1 2 粘弹塑性体模型的改进”2 6 3 1 3 改进后的西原正夫体模型2 7 3 2 考虑化学腐蚀p h 值影响的多孔介质流变模型“2 9 3 2 1 考虑p h 值和固流耦合影响的砂岩有效应力一2 9 3 2 1 1 化学腐蚀下砂岩孔隙度的动态方程“3 1 3 2 1 2 渗流控制方程”3 2 3 2 1 3 有效应力方程求解3 3 3 2 2 化学溶液对砂岩蠕变本构的影响3 3 3 3 化学腐蚀对软岩蠕变的影响3 5 3 3 1 对蠕变及蠕变速率的影响3 5 3 3 2 对强度的影响3 5 3 4 本章小结3 8 4 化学腐蚀下砂岩单轴蠕变实验 3 9 4 1 砂岩的x 射线衍射实验3 9 4 1 1 实验简介3 9 4 1 2 实验分析3 9 4 2 单轴蠕变实验过程“4 0 4 3 实验数据及处理4 2 4 3 1 原始实验记录4 2 4 3 2 数据处理4 8 4 3 3 模型验证5 2 4 3 4 模型应用5 5 青岛科技大学研究生学位论文 4 4 本章小结”6 1 5a n s y s 仿真计算 5 1a n s y s 软件一6 2 5 1 1a n s y s 功能简介6 2 5 1 2 a n s y s 一般分析步骤6 3 5 2 工程背景及仿真计算6 3 5 3 本章小结7 7 结论与展望7 8 1 主要结论7 8 2 启示与展望7 8 参考文献 致谢 作者硕士期间成果 v 8 6 8 7 化学腐蚀对深部软岩蠕变特性的影响研究 v m 青岛科技人学研究生学位论文 1 1 课题的提出 1 绪论 资源短缺、人口爆炸、环境恶化、物种减少、土地衰退，人类赖以生存的 地球表面早已不堪重负i 。基于该情况，越来越多的地下工程陆续展开。虽然有 的科学家提出了2 1 世纪在空中或者海上建造大的城市，从而实现人类海市蜃楼 的梦想，但从现实情况来看目前比较可行的不是空中或者海上，而是“入地 。 从能源开采方面来说，据不完全统计，国外开采超过千米深的金属矿井数 量多于8 0 座，其中最多的是南非。我国的煤矿开采深度正在以每年8 m 一1 2 m 的速度持续增加，因此可以预计在未来2 0 年内很多矿井都将达到1 0 0 0 m - - 1 5 0 0 m 的深度。 地下空间的利用早己成为众人关心的热点。在某些发达国家，大城市的地 下铁道已基本形成网络。而现在的综合性城市建设也纷纷把重点转向地下，并 制定出相应的法律、法规及总体规划。日本新宿已初步建成一个地下城市，同 时还计划分别在东京的青山地区深度为l o m 、5 0 m 、l o o m 的地下建设三层球形 地下城，使地下可以和地上一样成为现代化大城市。并且，日本还计划在市中 心区5 0 m l o o m 的深处修建地下机场，使其成为新的交通枢纽。在美国的堪萨 斯市，政府利用矿山采空区建立了一个约3 0 万平方英尺的商业和工业中心。而 在明尼苏达、得克萨斯等地区，约有一万多户的中产阶级移居于地下。德国、 意大利等也有同样的行动。据估计，2 l 世纪末，约有l 3 的人类将重新“穴居 地下 。 在深部岩体工程的力学特点方面，国内学者基本上形成了共识，就是“三 高一扰动 ，即高应力，高围压，高温度。因为进入一定深度以后显现出来的高 岩溶压和高地压，会使得在浅部环境下原本不会发生显著塑性变形的硬度较大 的岩石转化为工程软岩，加上本来就存在的地质软岩，将会使得地下工程的进 行变得极不稳定。其地下工程中大变形和难支护等特点，对人员及设备安全均 化学腐蚀对深部软岩蠕变特性的影响研究 构成了严重的威胁，同时也会使得支护成本成倍的增加。 深部的化学腐蚀影响也不可忽略。岩石处在各种复杂的工程环境中，不同 的环境条件对其影响是不同的，在各种不同的环境条件中，尤其是不同酸碱性 的化学溶液会对岩石产生大的腐蚀作用。而这种腐蚀作用，将会改变岩石的微 细观结构，同时使得其宏观力学特性发生变化。因此本文将在化学腐蚀对深部 软岩工程的影响方面进行深入研究。 综上所述，在地下工程由浅部向深部推进之后，物理化学力学环境比起浅 部将更会加复杂，而且软岩将会进一步增多，化学腐蚀效应也显得不可忽略； 随着时间的推移，在化学溶液的侵蚀下，岩石的物理力学性质也将会发生改 变，从而导致岩体工程力学性能也随之发生改变。然而，迄今为止，在化学腐 蚀效应的岩石力学理论方面的研究仍不够深入，而且传统的支护设计也大都采 用工程类比，由于采掘工程直接关系到生产安全，因此这种状况的存在显然是 一种潜在的威胁。因此随着地下工程向深部的不断推进，化学腐蚀效应在岩体 工程中的影响作用的研究工作的深入开展已是势在必行。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 岩土介质微细观结构试验研究综述 岩石的微细观结构及空隙度、非均匀性、胶结物质、矿物成分等自身属性 是影响岩石宏观力学性质的综合因素，并且两者密切相关。通过对微细观尺度 的试验研究，可以在宏观试验结果的基础上提供物理依据与机理解释。随着科 学技术及学科交叉的迅速发展，电子显微探针、光学电子显微镜、扫描电镜等 仪器均被引入到岩石学术的领域，这些仪器可以用来研究了解岩体矿物表面、 结构的变化及内部成分，并且激光全息干涉测量方法随后也在该领域得到了广 泛应用。医用c t 技术也被用来研究岩体介质在各种应力状态下的内部断面裂纹 分叉、萌生、断裂、发展以及卸荷全过程的图像变化。各种技术的引进，可以 定性或一定程度上定量化来模拟化学溶液在岩体上的作用，从而找出水岩物理 化学作用与岩体的力学性质的内在联系，并且得出岩体宏观力学性质改变的原 因，从而为定量分析模式提供理论依据。 2 青岛科技人学研究生学位论文 在以上的分析方法领域，由于问题的复杂性，已经有相当的学者引入微细 观试验技术做了一定的研究。比如吴恩江等在实验中利用高分辨扫描电镜观 察，系统地分析了取自于充州矿区的2 5 1 块岩样，以岩样的微孔结构测试结果 为依据，在该基础上建立了红层孔隙中水岩相互作用下孔隙结构的演化模式 【2 1 。李晓峰等人利用了x 射线衍射仪对热液蚀变粘土矿物绿泥石和伊利石结晶 度、平均结晶大小和晶格应变做了测定，并研究了岩石变形对绿泥石和伊利石 结晶生长差异的影响作用i3 1 。朱义年等人利用离子色谱仪和光度计技术对批反 应器实验，研究了2 1 条件下花岗岩与蒸馏水之间的相互作用，并进一步探讨 了水一岩作用以及液相随这种作用时间的地球化学演化【4 1 。张梅英等人借助于扫 描电镜，获取了砂岩单轴压缩时随外载增加微结构变化全过程和其在三轴力学 试验后破坏断面各不同部位的微结构特征，用以探讨砂岩变形破坏的微观机制 【5 1 。刘冬梅等人在岩石全息干涉图的判读和统计分析的基础上，高精度定量获 取了单轴压缩情况下，变质砂岩、板岩和花岗岩岩样发生变形破坏各阶段的细 观裂纹演化及其与应力应变关系两者之间的对应关系，并分析了岩石微细观损 伤演化对于宏观变形的贡献作用1 6 l 。黄树华介绍了日本京都大学寺田等人用其 自己研制的x 射线c t 装置进行岩石断裂损伤力学研究的情况【7 1 。杨更社等早 在1 9 9 5 年就应用医用x 射线c t 机重点对岩石的初始损伤特性进行了研究【8 1 ， 这是在国内最早应用医用x 射线进行此方面研究的例子。研究结果给出了用c t 数表示的岩石损伤变量公式，并对单轴压缩时砂岩的损伤扩展机理进行了c t 实 时初步试验研究，同时，研究了三轴压缩情况下有预制裂纹的岩石的损伤扩展 特性。v e t h e l s t 等在1 9 9 5 年利用x 射线c t 机对岩样的微裂缝和不均一结构进行 了研裂9 1 。k a w a k a t a 在1 9 9 7 年利用x 射线c t 机，对w e s t e r l y 花岗岩三轴压缩 时的损伤扩展特性进行了研究【10 1 。1 9 8 9 1 9 9 1 年，r a y n a u d 、f a b r e 和v m e g a r d 等人分别利用x 射线c t 机对受轴对称荷载的岩石进行了研究，研究结果显示 初始非均匀性和局部密度变化事实上是由岩石内部破坏机理引起的【1 1 以3 1 。 1 2 2 岩石蠕变本构模型研究 在岩石力学研究领域，只有正确建立岩石流变本构关系，即应力、应变以 及时间三者之间的关系，才能准确充分地描述岩石的流变特性及其力学行为， 从而为实际得工程提供试验及理论依据。在长期的研究工作中，人们可以通过 3 化学腐蚀对深部软岩蠕变特性的影响研究 多种途径与方法，得到不同类型的岩石流变本构模型，用以描述岩石的三个蠕 变阶段，下文中对几种主要流变模型进行了分析。 ( 1 ) 经验模型 经验本构关系模型通常是根据所得试验数据建立岩石的应力、应变速率与 时间的函数关系式，它建立在岩石流变试验的基础上。常见的蠕变经验公式有 对数函数、幂函数、指数函数及多项式等类型。通常岩石总应变应该包括初始 弹性应变、初始蠕变、稳定蠕变和加速蠕变几个部分，可以用以下关系式来表 示： s o ) t 巳+ q o ) + 占2 ( f ) + 岛o ) ( 1 - 1 ) 式中： s ( f ) 总应变； g 。瞬时的弹性应变； q o ) ，6 2 0 ) ，占。( f ) 三个阶段的蠕变应变。 岩石加速蠕变的阶段时间非常短，一般很难在这个阶段得到完整的蠕变试 验资料，而且加速蠕变阶段的变形规律也相当的复杂，很难找到相应的函数表 达式，因此绝大多数经验模型都只在岩石的衰减蠕变和稳定蠕变性态方面进行 描述。对几种岩石进行单轴蠕变试验，研究人员在室温2 0 = 4 。c ，大气压0 1 0 2 士o 0 5 m p a 的条件下进行实验，根据所得实验数据进行数值模拟，从而得出干 燥白云质石灰、干燥砂岩和干燥钙质石灰岩的经验蠕变方程。利用伺服控制的 刚性试验机开始实验，并测得不同岩石的压缩蠕变全过程曲线，从而建立反映 岩石蠕变破坏全过程的非线性本构模型【1 4 】。在该模型中，将应变占分为瞬时弹 性应变毛和非弹性应变s ，两部分： q 1 c r e 叠2 j lg ( 盯) 幸f ( 6 2 ) 式中： 厂( 乞) = c i 乞一所+ c 2 + c 3 乞7 ；g ( 仃) 一仃“ 其中： 4 ( 1 2 ) ( 1 3 ) 青岛科技大学研究生学位论文 酽一杨氏模量； c 1 试验常数； c ，试验常数； c ，一试验常数； n 载荷速度效应参数； m 与应力应变曲线有关参数； ，与蠕变曲线形状有关参数。 c r u d e n 将岩石蠕变过程分为减速蠕变和加速蠕变两个阶段，建立了幂函数 型的经验方程： 叠；a t 一口+ c f d 右边第一项用来描述减速蠕变阶段，第二项用来反映加速蠕变阶段，a 、 b 、c 、d 均为试验常数。 丙勇勤对露天矿蠕动边坡中软弱夹层流变特性进行了研究，根据研究结 果，建立了软弱夹层的流变本构方程的表达式【1 6 】，如式( 1 - 4 ) 。 弘志r o + 4 ， 式中： 卜剪切历时3 厂切应变5 卜抗拉强度； 法向应力； f 作用在软弱夹层上的剪应力； a 广瞬时剪切模量； m 应变强化因子； 艿试验常数； 口试验常数。 根据流变试验所得到的经验模型自身有局限性。通常只能反映岩石流变的 外部表象，而无法反映其内部流变机理，因而大多数的经验方程尚处在实验室 5 化学腐蚀对深部软岩蠕变特性的影响研究 研究阶段。 ( 2 ) 微分方程法 微分方程法将岩石介质理想化来研究各种岩石的流变性质，将其归纳成各 种模型，并用理想化的具有弹、黏、塑性性能的元件组合成模型。模型的基本 元件主要包括牛顿粘性体( 用n 表示) 、虎克弹性体( 用h 表示) 和圣维南塑性 体( 用s 表示) 。将这些元件进行不同形式的串、并联，从而可以建立模型的本 构方程和描绘出有关的特性曲线。 较为著名的元件模型有b i n g h a m 体、k e l v i n 体、p o y n i i n g t h o m s o n 体、 m a x w e l l 体以及由前述几个元件体和基本元件组合而成的广义模型，如b u r g e r s 模型、k e l v i n v o i g t 模型、广义马克斯威尔模型掣1 7 1 8 1 。 鉴于线性流变模型的组合元件是线性的，因此无论组合形式多么复杂，都 无法正确描述岩石流变的非线性特征，同时也不能反映岩石的加速蠕变性状。 因此宋德彰、曹树刚、b o u l t h a r o v 等学者将组合模型中的线性元件改为非线性元 件，或者通过引入其它类型的非线性元件，构建不同的非线性流变本构模型， 从而可以更全面的描述岩石蠕变全过程所表现出的各种流变性态1 1 9 以5 1 。 ( 3 ) 积分形式的流变模型 积分形式的流变模型是以数学模型的形式出现的，本构方程、蠕变方程及 松弛方程均为积分方程形式，因此更加适用于描述应力变化情况下岩石的流变 规律。 在应力仃( f ) 随时间变化的情况下，岩石的一维积分型本构方程可用下列式 子来表示： 啪。扣m z 酢町) ) 如】 ( 1 5 ) 或表述为： 盯 l 印( f ) 一f o r ( t f ) 占( f ) 纠 ( 1 6 ) 式中： k p 一) 蠕变核； r ( t f ) 松弛核。 式( 1 - 5 ) 所表示的蠕变型本构方程，蠕变核k ( t f ) 根据试验资料确定，在 6 青岛科技人学研究生学位论文 数学上通常可分为指数函数、幂函数、双曲线函数等类型，应为可积函数。若 本构方程中盯( f ) 为线性，积分型流变模型反映的流变特性也为线性。仃为恒量 时，一维线性蠕变方程可以用下式来表示： 砸) 2 争f o r e 舭 ( 1 7 ) 张学忠【2 6 1 等根据辉长岩的蠕变试验数据，令蠕变核函数为幂函数，即： k ( t f ) 一万( f f ) 一4 式中： 反口试验常数。 对式( 1 7 ) 积分，得岩石蠕变方程： 啪2 e ( 1 + 击广口 ( 1 - 8 ) 通过对不同应力水平下的蠕变试验曲线拟合可得到式中的口和万。岩石的应 力与应变为非线性关系时，用应力函数厂( 盯) 对本构方程中的盯( f ) 进行修正，此 时一维非线性蠕变方程可用下式表示： s o ) = 兀p ) + f ( c r ) f o k ( f ) d r ( 1 9 ) 式中： 厶( 仃) f = 0 时的应力函数； 厂( f 0 时的应力函数。 通过对石膏角砾岩的蠕变试验结果进行分析【硐，可取： ( 仃) = 暑 加，= ( 竿) “ 蠕变和函数可采用如下形式： k ( f ) = b a t z 4 + 肛( 1 + 助 ( 1 1 0 ) 式中： s 、a 、j e i 、元、c 、试验常数。 7 化学腐蚀对深部软岩蠕变特性的影响研究 得到石膏角砾岩一维非线性蠕变方程： 即，2 暑+ ( 竿) ”舰肌m 上述蠕变方程可描述岩石的衰减蠕变、稳定蠕变和加速蠕变三个阶段的流 变性态。 ( 4 ) 损伤流变模型 岩体内部有从微观到细观并延续到宏观各种尺度存在的缺陷，这些缺陷， 严重影响和制约了岩体的变形与破坏。而采用损伤力学理论方法研究岩体的流 变力学行为，以及建立能反映岩体在时效变形过程中损伤不断累积、裂纹扩展 的本构模型是最近十几年逐渐发展的一个重要的学科分支。因此，损伤力学理 论方法在岩体损伤流变模型的研究与应用方面，取得了很大进展。杨延毅、徐 海滨、凌建明等人 2 7 3 8 均为此做了一定的研究工作。 ( 5 ) 其它 流变模型的发展过程中，除了上面提及的4 种岩石流变模型之外，另一种 流变模型建立在经典弹粘塑性势理论上【删1 1 ，在岩体工程数值分析中应用较 多。如t h e n 3 9 l 根据应力组合、应变迭加、应力一致和应变一致，建立一种包含 锚固件的加锚节理岩体流变模型，对节理、岩块和锚杆分别采用了不同的屈服 准则，推导出了弹粘塑性本构关系。岩石流变试验是在实验的基础上，建立岩 石的流变本构关系，通过建立应力、应变与时间三者之间的关系，做到充分、 准确地描述岩石的流变特性。 1 2 3 考虑化学腐蚀的岩石力学研究 近些年来，化学腐蚀在岩石的力学效应上的影响作用已引起越来越多的科 学工作者的重视，从而成为岩体工程开发领域中重要的研究课题。 早已有学者注意到水对岩石的作用不能仅从有效应力原理方面考虑，还应 考虑水中的各种离子对岩石的物理化学作用。目前，很多学者已经针对这个问 题做出了研究。比如a h u t c h i n s o n 掣4 2 】利用h c l ，h 2 s 0 4 等溶液模拟酸雨，研 究了酸雨对于石灰石的腐蚀作用；而谭卓英等【4 3 l 进行了酸化环境下岩石强度的 弱化效应试验模拟；x t f e n g 等人【似4 9 l 则对不同化学溶液作用下花岗岩、砂 8 青岛科技大学研究生学位论文 岩、灰岩力学特性进行了研究及分析，建立了损伤本构模型和损伤演化变量； 并采用细观加载仪对不同化学溶液下的岩石试件进行了压缩破坏试验，得出岩 石试件变形特征等；汤连生等【5 3 】对水岩相互作用下力学、环境效应进行了系 统研究；n i i i 等【5 4 ，5 5 】通过研究在不同p h 值作用下钙质胶结长石砂岩的主要胶 结物成分，建立了可用于酸性溶液的岩石化学损伤强度模型；王建秀等【5 钙7 】建 立了碳酸岩水化水力耦合损伤模型，并对围岩裂隙岩体中的应力强度因子和渗 透张量进行了计算；李汶国等【5 8 】对酸性介质下长石砂岩次生溶孔的形成机制进 行了系统的分析；乔丽苹等【5 9 1 通过试验研究，分析了砂岩在水物理化学作用下 的细观损伤机制，提出了砂岩水物理化学损伤变量表达式。 另外还有一些学者单纯从宏观或微观方面对岩石进行了研究【舢硐。 1 2 4 存在的主要不足 ( 1 ) 微细观试验方面 目前的研究主要针对岩石的宏观力学性质变化，因此从微细观层次进行岩 石水物理化学损伤机理的研究尚不多见，由于水物理化学腐蚀作用下岩石微细 观结构的改变正是引起岩石宏观力学性质变化的根本原因，因此，从微观层次 上进行损伤机理研究是需要引起重视的研究内容。 ( 2 ) 水物理化学作用下岩石蠕变特性及本构模型 迄今为止，开展的不同含水率及饱和水状态下岩石的蠕变试验，可以得到 水对岩石蠕变性质的影响效应，并可以获得典型的蠕变本构的岩石蠕变参数随 饱和度的影响规律。但是，在考虑循环水化学溶液作用情况下，岩石的单轴压 缩蠕变试验以及蠕变本构模型的研究并未见诸于报道。因此也是需要重点研究 的一项内容。 ( 3 ) 化学腐蚀方面 在化学腐蚀方面，复杂边界水岩系统的对流扩散反应过程的三维模型的数 值计算，砂岩中多种矿物同时发生化学反应或者水力冲蚀与水化学溶蚀耦合作 用对岩石孔隙率影响的试验研究和机制分析，这些均有待于在未来的理论研究 和试验研究中进行探索、补充、检验、发展和完善。 9 化学腐蚀对深部软岩蠕变特性的影响研究 1 3 研究方案 在深部软岩工程设计中，化学腐蚀影响因素不可忽略。因此本文需要就化 学腐蚀对于深部软岩蠕变特性的影响进行深入研究，主要研究方案如下： ( 1 ) 介绍应用化学腐蚀下砂岩孔隙度的动态方程、渗流域内控制方程和固 流耦合方程，求解有效应力公式的计算方法。并对化学腐蚀下砂岩的蠕变方 程，化学腐蚀下岩体蠕变的力学行为研究进行了新的探讨。 ( 2 ) 通过不同p h 值下的单轴蠕变实验，得出蠕变应变的大小随化学腐蚀 程度的变化情况。通过试验测试和对试验数据的拟合，得出了蠕变参数的变化 规律，进而建立适合于一定应力，任意p h 值、时间的蠕变方程，实现对变形的 预测。通过对实验数据进行最d - - 乘拟合，验证了本文蠕变模型的适用性，并 获得了一套新的预测蠕变变形的方法。 ( 3 ) 用a n s y s 软件对化学腐蚀作用下软岩巷道围岩蠕变进行仿真计算，进 一步验证了巷道围岩蠕变随化学腐蚀程度的增加而增加的结论。 1 0 青岛科技大学研究生学位论文 2 1 软岩相关理论盯3 2 基本理论 2 1 1 软岩的概念及分类 软岩是指在特定环境下具有显著塑性变形的岩石，通常将其分为地质软岩 和工程软岩。地质软岩多为页岩、泥岩和粉砂岩，孔隙度大、强度低、胶结程 度差；工程软岩通常指在工程力作用下产生显著塑性变形的工程岩体。 表2 1 软岩工程分类与分级表 t a b l e 2 1c l a s s i f i c a t i o na n dg r a d i n go fs o f tr o c ke n g i n e e r i n g 分类指标 软岩分类抗压泥质软岩分级分级指标 结构面 强度含量 仃 c 膨胀性弱膨胀性软岩 5 0 2 5 2 0 节理组数节理间距 节理化 较破碎 1 30 2 一o 4 低一中不含多组 软岩破碎 3o 1 加2 极破碎无序 o 1 复合型软 低一高含少一多根据具体条件进行分类和分级 岩 化学腐蚀对深部软岩蠕变特性的影响研究 表中： 纹干燥饱和吸水率； 矿单轴抗压强度，单位m p a 。 根据特性差异及其产生的显著塑性变形机理，软岩可分为高应力软岩、膨 胀性软岩、节理化软岩和复合型软岩，如表2 - 1 中所示即为软岩的分类及特点。 2 1 2 软岩的孔隙度 孔隙度是指岩石的孔隙体积与岩石总体积的比值。我们常说的岩石的孔隙 性是指岩石中存在孔隙和裂隙，它是岩石的的重要结构特征之一，对于软岩来 说，这种孔隙性更为明显，因此可以称软岩为多孑l 介质。通常来说，孔隙性用 孔隙度妒来表示。多孔介质的各种机制的变形，都会引起孔隙度变化，在传统的 岩土力学中，通常把孔隙度看作静态常数，而在近些年的有关流固耦合的问题 中，普遍认同孔隙度是动态变化的。 2 1 3 软岩的流变性 岩石的流变性即时间效应，是指岩石在不同的外界条件下表现的的与时间 有关的变形、流动和破坏等这些性质。主要表现为蠕变、流动、松弛、弹性后 效、长期强度等方面。 1 蠕变 蠕变是指材料在恒定载荷作用下，变形随时间而增大的过程。它是由材料 的分子和原子结构的重新调整引起的，这一过程可用延滞时间来表示。卸去载 荷时，材料的变形部分回复或完全回复到起始状态，这是结构重新调整的另外 一个现象。 蠕变可以用蠕变方程和蠕变曲线来表示。在单向压缩试件的微裂阶段加上 一个恒定载荷，那么试件将从加载开始产生持续变形，而且还存在持续微震活 动，这种活动的累积数与试件应变称为蠕变应型鹋】。 随着时间的延续，蠕变大约分为四个阶段，如图2 - 1 所示即为不同应力条件 下软岩的蠕变曲线示意图： ( 1 ) o d ：瞬时变形阶段，软岩加载后发生瞬时变形，该变形属于弹性应 变。 ( 2 ) d a ：衰减蠕变阶段，可以从图中看出，蠕变曲线的斜率在逐渐变小， 青岛科技大学研究生学位论文 而且应变率随着时间的增加迅速递减，变形以减速的形式出现。 ( 3 ) a b ：稳定蠕变阶段，a b 段蠕变曲线近似于倾斜的直线，应变速率大 致维持恒定不变，并且随着时间的增加在一定范围内维持不变。 ( 4 ) b c 加速蠕变阶段，可以从图中看出，应变率开始呈现快速增加的状 态，到达极限值后，岩石最终被破坏。 譬变形 d 氏瞬时变形 0 时绷t 图2 1 不同应力条件下软岩的典型蠕变曲线 f i g 2 - 1t h ec u r v eo ft y p i c a lc r e e pd e f o r m a t i o nu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n 2 流动 流动是指随时间延迟而发生的塑性变形，粘性流动是指在微小外力下发生 的塑性变形。 3 应力松弛 应力松弛是指在保持应变恒定时，应力会随着时间变化而逐渐衰减，可以 用松弛方程及松弛曲线来表示。 4 弹性后效 弹性后效是指加载或卸载后弹性变形逐渐增加或减少到某一极限值状态， 即弹性应变随时间变化的情况。 5 长期强度 长期强度是指岩石在长期载荷作用下，强度随受载时间变化而改变的特 性。 化学腐蚀对深部软岩蠕变特性的影响研究 从物理方面来说，岩石应力越大，达到破坏所需时间越短，应力越小，达 到破坏所需时间越长，即岩石的强度随着载荷作用时间延长而降低。若应力小 于某一临界值，则作用时间无论多长，岩石也不会发生破坏，这一临界值被称 为岩石的极限长期强度，简称为长期强度。 图2 2 表示的是岩石长期强度曲线。式( 2 1 ) 表示的是长期强度的指数型 经验公式： c r ( t ) 一s 。+ ( s o s 。) e 一甜 式中： a 经验常数； s 。长期强度； s 。瞬时强度。 s ( 2 1 ) 图2 2 岩石长期强度曲线 f i g 2 2t h ec u r v eo fl o n g t e r ms t r e n g t ho fr o c k 由相关材料可知，大部分岩石长期强度s 。与瞬时强度s 。比值( s 。s o ) 为0 4 加8 ，坚固岩石为0 7 加8 ，而软岩、中等坚固岩石为o 4 加6 。如表2 2 所 示为几种岩石的极限长期强度与瞬时强度比值对比。 表2 - 2 岩石极限长期强度与瞬时强度比值 t a b l e 2 - 2r a t i oo fu l t i m a t el o n gt e r ms t r e n g t ha n di n s t a n t a n e o u ss t r e n g t ho nr o c k 岩石名称黏土 石灰岩盐岩 砂岩 白垩 黏质页岩 s 。s o 0 7 40 7 3 0 7 0o 6 5o 6 20 5 0 1 4 青岛科技大学研究生学位论文 6 闭合和滑移 闭合和滑移就是指岩体中结构面压缩变形和结构面问错动，是塑性变形的 种。 岩体的结构和组成使软岩本身具有明显的流变性，而且在长期受力，且三 向应力状态下，流变性质尤为突出。因此必须在以后的工作中加强软岩流变学 方面的研究。 2 1 4 软岩流变学的研究方法 实验是研究流变学的主要方法，因为流变学是作为实验基础学科而逐渐发 展壮大的。 对于软岩的实验方法主要分为蠕变实验、应力松弛实验和动力实验三种： 蠕变实验一般分为以下几种： ( 1 ) 对软岩试件施加恒定拉力的拉伸法，可以研究软岩的拉伸蠕变性能； ( 2 ) 对软岩施加恒定的剪力，可以在专门的剪力仪中研究软岩的剪切蠕变 性能； ( 3 ) 对软岩试件施加轴向应力和静水压力，可利用三轴仪研究软岩的单向 或三向的压缩蠕变性能； ( 4 ) 对软岩试件施加恒定的扭力，利用扭转流变仪来研究软岩的扭转蠕变 性能； ( 5 ) 在粱形试件上施加恒定的弯矩的弯曲法，可以研究软岩挠度蠕变性能 等。 应力松弛实验是利用应力松弛试验仪，使软岩试件产生恒定变形后，测定 试件随时间变化应力的衰减情况，通过该实验可以研究软岩的流变性能，同时 也可以计算出软岩松弛时间的频谱。 动力试验是指对软岩试件施加一定频谱范围内的正弦振动，以此来研究软 岩的动力效应。通过动力试验可以测量能量耗散和频率的关系。 2 2 蠕变模型 蠕变模型分为数学模型和物理模型，数学模型用函数来表示，物理模型由 化学腐蚀对深部软岩蠕变特性的影响研究 元件组成。 2 2 1 蠕变物理模型 流变本构方程就是指描述岩石内部应变、应力和时间函数关系的方程。常 用的基本元件有三种i ( 1 ) 弹性元件：又称h o o k e 体，简称h 体，用一根服从h o o k e 定律的弹 簧表示，应力应变关系如图2 3 ( a ) 中所示。 ( 2 ) 塑性元件：又称s t v e n a n t 体，简称s t v 体，用一对摩擦片表示，应 力应变关系如图2 3 ( b ) 中所示。 ( 3 ) 粘性元件：又称n e w t o n 体，用一个充满牛顿流体的粘壶表示，应力- 应变关系如图2 3 ( c ) 中所示。 。枣 e a + ( a ) a ( c ) 图2 3 基本元件 f i g 2 - 3t h ep r i m a r ye l e m e n t s 对于软岩工程中的实际岩体来说，性质不是单一的，实验曲线也应该是几 种基本模型的组合。 将上面几个基本元件串、并联，可得到组合的各种模型。串联用u 表示， 并联用“”表示。串、并联规律如下： ( 1 ) 串联时总应力等于任一元件所承受应力，总应变等于所有元件的应变 之和。 ( 2 ) 并联时总应力等于任何元件应力之和，总应变等于任一元件的单个应 变。 图2 4 中所示为常见的几种流变体组合模型，均可用于模拟不同蠕变及松弛 1 6 叶t山甲量d to一j日甚p。o f 唾?五醐丫；毒 特征的各阶段蠕变曲线。 m 体( h n ) p t h 青岛科技大学研究生学位论文 图2 4 常见组合模型 l 毋 l k 馓h i 寺 0 f i g 2 - 4 t h ec o m m o nc o m b i n e dm o d e l s 图2 4 中组合模型相对应的蠕变曲线