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河海大学博士学位论文 摘要 在本项研究中，为描述多孔岩石白垩岩的力学特性，我们进行了一系列的实 验研究。实验研究结果揭示白垩岩表现出两种塑性变形机理，孔隙塌陷的塑性变 形机理和剪切塑性变形机理。基于全面的实验研究，我们提出了一个新的弹塑性 模型，该模型反映了与多孔白垩岩的微结构相关联的两种塑性力学机理。我们研 究了水对多孔白垩岩的力学性质影响。在宏观尺度上，弹性模量和塑性参数，包 括对塑性孔隙塌陷机理和塑性剪切机理，被表达成水饱和度的函数。依赖时间效 应的流变变形被加入这一统一力学特性的模型中。流变变形被认为是颗粒间固体 胶结接触面的破坏过程的宏观表现。弹性模量和塑性参数受溶解过程的影响。进 一步，我们研究了白垩岩在不排水条件下三轴压缩的塑性力学特性。数值模拟的 结果与不同加载条件下的试验结果( 包括静水压力压缩试验和三轴压缩试验、以 及流变试验，用水和用油饱和试样在排水和不排水条件下的试验结果) 进行了比 较。比较结果的一致性显示出提出的模型能够正确描述多孔白垩岩的力学性质的 主要特征和水对多孔白垩岩的力学性质影响。 关键词： 白垩岩，水作用效应，流变，力学机理，微观结构，模拟，塑性，孔隙度 河海大学博士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sw o r k ，as e r i e so fe x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n sh a sb e e np e r f o r m e d a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t w op l a s t i cd e f o r m a t i o nm e c h a n i s m sh a v et ob e t a k e ni n t oa c c o u n t ：p l a s t i cp o r ec o l l a p s ea n dp l a s t i cs h e a r i n g b a s e do nt h ee x t e n s i v e e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n s ，an e we l a s t o p l a s t i cm o d e lh a sb e e np r o p o s e d ，t a k i n gi n t o a c c o u n tt h et w op l a s t i cm e c h a n i s m sr e l a t e dt ot h em i c r o s t r u c t u r eo fp o r o u sc h a l k s i n f l u e n c e so fw a t e ri n t e r a c t i o no nt h em e c h a n i c a lb e h a v i o u ro fp o r o u sc h a l k sh a v e b e e ns t u d i e d o nt h em a c r o s c o p i cs c a l e ，t h ee l a s t i cm o d u l u sa n dt h ep l a s t i c p a r a m e t e r sf o rb o t hp o r ec o l l a p s ea n dp l a s t i cs h e a r i n gp r o c e s s e sa r ee x p r e s s e da s f u n c t i o n so fw a t e rs a t u r a t i o nd e g r e e t h et i m ed e p e n d e n tc r e e pd e f o r m m i o nh a sa l s o b e e ni n c o r p o r a t e di nt h eu n i f i e dm o d e l t h ec r e e pd e f o r m a t i o ni ss e e na st h e m a c r o s c o p i cc o n s e q u e n c eo ft h ep r o g r e s s i v ed e s t r u c t i o no fc e m e n t e ds o l i dc o n t a c t s u r f a c eb e t w e e ng r a i n s t h ee l a s t i cm o d u l u sa n dt h ep l a s t i cp r o p e r t i e sa r ea f f e c t e db y t h ed i s s o l u t i o np r o c e s s f u r t h e r m o r e ，t h eu n d r a i n e dm e c h a n i c a lb e h a v i o ro ft h e p o r o u sc h a l kh a sb e e ns t u d i e d n u m e r i c a l s i m u l a t i o n sh a v eb e e nc o m p a r e dw i t h e x p e r i m e n t a ld a t af o rv a r i o u sl o a d i n gc o n d i t i o n s ，i n c l u d i n gh y d r o s t a t i ca n dt r i a x i a l c o m p r e s s i o nt e s t s ，a sw e l la sc r e e pt e s t s ，o no i la n dw a t e rs a t u r a t e ds a m p l e su n d e r d r a i n e do ru n d r a i n e dc o n d i t i o n i th a sb e e ns h o w nt h a tt h ep r o p o s e dm o d e ld e s c r i b e c o r r e c t l yt h em a i nf e a t u r e so f t h em e c h a n i c a lb e h a v i o u ro ft h ep o r o u sc h a l ka n dt h e j n f 】u e n c e so fw a t e ri n t e r a c t i o n k e y w o r d s ： c h a l k ；w a t e re f f e c t s ；c r e e p ；m e c h a n i s m ；m i c r o s t r u c t u r e ；m o d e l l i n g ；p l a s t i c i t y ； p o r o s i t y 河海大学博士学位论文 ) 1 一 刖舌 多孔岩石，尤其是多孔白垩岩的力学特性研究，在土木工程、采矿工程、隧 道工程、石油工程领域具有重要意义。不同多孔自垩岩的力学试验结果显示，白 垩岩是一种力学特性非常复杂的材料。 多孔白垩岩的非弹性特性主要由塑性变形控制。由于具有高的孔隙度，多孔 白垩岩同时具有两种不同的塑性变形机理。第一种塑性变形机理同孔隙的不可恢 复坍塌相关联，在高的静水压力状态下，多孔白垩岩产生强烈的塑性体积压缩。 第二种塑性变形机理就是对内摩擦材料的最经典塑性变形机理。这一机理实际上 就是剪切塑性变形机理。 对饱和流体的化学特性的敏感性是多孔白垩岩的另外一个典型力学特征。试 验研究显示其力学特性依赖于水的饱和度。同样，在大量的多孔白垩岩的力学特 性的试验研究中，观察到了明显的流变变形。在不排水条件下，揭示了孔隙压力 对多孔白垩岩的力学特性的影响。多孔白垩岩的力学特性研究需要清楚地认识白 垩岩的特性和力学特性的模拟。 本论文将由下面的四个部分组成。 第一部分为文献综述，包括如下的四点：( 1 ) 白垩岩的物理化学特征，( 2 ) 已有 白垩岩力学特性试验研究成果的概述，( 3 ) 孔隙度、流体和矿物组成成分对白垩岩 力学特性的影响，( 4 ) 已有描述白垩岩的弹塑性模型和粘弹塑性模型的文献概述。 第二部分主要介绍试验研究的结果。对于多孔白垩岩，我们采用两种饱和流 体( 水和s o l t r o l 油) 进行了四种类型的试验。这一部分的主要目的是为了揭示 白垩岩在不同的排水条件下、不同的饱和液体和不同的时间条件下表现出的基本 力学特性。 在第三部分中，根据已有的研究和试验结果，基于p i e t r u s z c z a k 准晰n g u r s o n 准则，我们提出一个描述多孔白垩短期和长期力学特性的统一本构力学模型。多 孔白垩岩被概化为由等价的固体基质和相连结的孔隙度组成的一种多孔材料。基 于此，我们首先导出了一个基本的弹塑性变形模型，这一模型反映了塑性孔隙坍 塌和塑性剪切两种力学机制。接着，我们考虑了水对白垩岩力学特性的影响。其 作用机理被认为是注水破坏其毛细连接和在压力条件下颗粒间的接触面的溶解。 河海大学博士学位论文 在模型中，我们认为水的饱和度被考虑作为一个控制参数。流变变形被认为是在 压力下颗粒间的固体胶结接触面的宏观溶解过程，所以，这一模型也被用来描述 白垩岩的流变变形。由此可见，水的作用影响多孔白垩岩的短期和长期力学特性。 在第四部分中，我们首先介绍了描述饱和孔隙材料的孔隙弹性和孔隙塑性力 学特性的基本要素，然后介绍多孔白垩岩的孔隙力学特性的模拟，以及描述白垩 岩力学特性的本构关系和确定参数的程序。最后，我们研究了多孔白垩岩不排水 条件下的力学特性。 本研究得到国家自然科学基金海外青年合作研究基金( 原杰出青年基金b ) ( 5 0 1 2 8 9 0 8 ) 资助，在法国国家科研中心里尔力学研究所完成。 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不 实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：卉黔号奄2 0 0 6 年5 月2 1 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：伽鲁惫 2 0 0 6年5 月2 1e l 多孔岩石力学性质实验研究和模拟 第1 章：典型多孔白垩岩力学特性综述 1 - 1 概述 白垩岩是一种细粒的石灰岩，由大量的颗石藻、有孔虫及其它生物碎片等组 成。它是一种主要的石油储集层，在中国的南海、欧洲的北海等地区存在这种石 油储集层。s c h r o e d e r ( 2 0 0 3 ) 列举了欧洲北海油田同多孔白垩岩力学性质相关的 工程问题：由于油井周围储油层白垩岩的大变形导致了油井孔坍塌和油井管道断 裂；由于白垩岩的渗入堵塞油井；由于孔隙压力的降低导致白垩岩储油层的压缩， 从而导致地面沉降现象出现。同时白垩岩也是一种常见的土木工程和采矿工程岩 组，如世界著名的英法海底隧道围岩就是白垩岩。 白垩岩是一类物理力学性质复杂的岩石：其高的孔隙率，其形成和产地，其 矿物成分及其微结构类型，其赋存环境包括地应力，地下流体和地温对白垩岩的 力学性质都具有重要影响。白垩岩的力学特性研究在土木工程、采矿工程、隧道 工程、石油工程领域中具有重要意义。本章着重介绍有关白垩岩力学特性研究的 相关成果，具体由四部分组成。第一部分介绍典型的多孔隙岩石一白垩岩的物理 化学特征，包括矿物成分、孔隙度、密度、含水量等；第二部分概述白垩岩力学 特性的各种已有研究结果；第三部分介绍不同条件对白垩岩力学性质的影响，包 括孔隙度，矿物组成以及不同饱和液体对白垩岩力学性质的影响；最后部分简单 介绍白垩岩弹塑性和粘弹塑性特性的一些力学模型。 1 - 2 白垩岩的物理化学特征 1 2 1 定义 白垩岩形成自白垩纪，并且通过在海底沉积还在继续形成。为大家所认识的 大部分白垩岩，包括将要研究的白垩岩，都形成在以下几个阶段：上白垩纪的赛 诺曼阶、土仑阶、康尼亚克阶、三冬阶、坎潘阶、马斯特里赫特阶以及第三纪的 丹尼阶。例如，比利时列日附近的l i x h e 白垩岩是坎潘阶上部岩层，欧洲北海的 t o r 白垩岩属于马斯特里赫特阶地层，而著名的e k o f i s k 白垩岩则产于第三纪底部 的丹尼阶地层。 r p1 i li。ri o l r i - lllrll-o。r。i 河海大学博士学位论文 表1 国际地层简表( 根据d e j o n h e ，1 9 9 8 ) 界代系纪统世阶期年龄( m a ) 全新统( 世) 0 0 1 第四系( 纪) 更新统( 世) 1 7 5 格拉斯阶 上新统( 世) 皮亚森兹阶 赞克尔阶 5 3 梅辛阶 新近系( 纪) 托尔通阶 塞拉瓦尔阶 中新统( 世) 兰哥阶 新 布尔迪加尔阶 生 界阿启坦阶 2 3 5 _ 、 代 夏特阶 、 渐新统( 世) 鲁陪尔阶 3 3 7 普利亚本阶 始新统( 世) 巴尔通阶 古近系( 纪) 鲁帝特阶 伊普里斯阶 5 3 坦尼特阶 古新统( 世) 寨兰特阶 丹尼阶 6 5 马斯特里赫特阶 7 2 坎潘阶 8 3 = 冬阶8 7 上白垩统( 世) 康尼亚克阶 8 8 土仑阶 9 2 中 赛诺曼阶 9 5 生 白垩系( 纪) 界阿尔布阶 1 0 8 代 阿普特阶 l1 3 一 巴雷姆阶 1 1 7 下白垩统( 世) 欧特里夫阶 1 2 3 凡兰吟阶1 3 1 贝利阿斯阶 1 3 5 白垩岩可以定义为一种白色或浅色，几乎由碳酸钙组成，多孔隙，易粉碎的 海相沉积岩。 考虑其起源和组成，k e n n e d y ( 1 9 8 5 ) 给出了白垩岩一个更精确的描述。 白垩岩是一种生物灰岩，它具有从易粉碎性到良好胶结等不同状态特性，主 多孔岩石力学性质实验研究和模拟 要由浮游生物或显微浮游生物海藻类碎片组成。这些碎片由含微量镁方解石组 成。其他组成包括碳酸盐，钙屑灰岩，以及其它非碳酸盐矿物，如粘土矿物、硅 酸盐矿物、硫酸盐矿物等。白垩岩还可以含有生物类碳酸盐或硅酸盐矿物：有孔 虫、海胆、箭石等。 根据方解石颗粒大小和粘土矿物的构成比例，白垩岩类沉积岩的命名规则按 微晶方解石一粒屑方解石一粘土矿物系列的岩石分类三角图表卜1 确定 ( s c h r o e d e r ，2 0 0 3 ) 。如果由显微浮游生物海藻类碎片形成的微品方解石组成，则 形成纯的白垩岩，由砂屑级( 1 1 6 m m - - 2 m m ) 的方解石则形成纯的砂屑石灰岩，如 果由纯的粘土矿物则形成粘土岩。如果为方解石与粘土矿物( 3 5 - 6 5 ) 混合则形成 泥灰岩。当粘土矿物含量5 3 5 时为泥质白垩岩或泥质砂屑石灰岩，当粘土矿物 含量6 5 9 5 时为白垩质泥岩或砂屑石灰质泥岩。 1 0 0 粘土矿物 1 0 0 方解石 ( 显微浮游生物) 1 0 0 砂届方解石 图1 - 1 ：白垩岩一泥质灰岩一粘土岩等沉积岩的矿物组成 ( 根据s c h r o e d e r ，2 0 0 3 ，m o r t i m o r e ，1 9 8 9 ) 1 2 2 组成 1 2 2 1 化石 白垩岩由浮游生物，主要由球石的骨架组成，在纯的白垩岩中，其含量为8 0 以上。这些显微浮游生物的骨架最后形成大小为o 1 至l u m 左右的方解石片。由于 显微浮游生物的、球石和邻近的种类的巨大差异，导致浮游海藻形成结构、形状 以及大小有巨大差异的方解石晶体。最常见的方解石片是沉积在3 1 5 u m 的环形球 石片。由球石片构成球状体形状被称为球石。这些直径仅数微米至十多微米的球 石片和球石，是在白垩岩中常见的钙质超微化石。完整的球石化石很少见，借助 1 河海大学博士学位论文 于扫描电子显微镜( s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ，s e m ) 可以精确而系统地观 察研究球石。照片1 - 1 显示出白垩岩中球石的一般的形态，之中可以发现一个完 整的球石。除超微化石以外，白垩岩中还包含微化石和宏观化石，例如海绵骨 针和菊石化石和腕足贝壳化石等等，不过，这些化石在白垩岩中所含比例很小， 基本对白垩岩的力学特性无影响( s c h r o e d e r ，2 0 0 3 ) 。 1 - 2 2 。2 矿物 白垩岩的矿物组成主要为方解石，由于形成环境条件的差异，还包含有不同 含量的石英和粘土矿物。矿物的组成对白垩岩的力学特性有重要影响。 ( 1 ) 方解石 白垩岩的主要矿物组成为方解石。然而，方解石矿物的化学成分不是完全纯 的c a c 0 3 ，其中包含微弱含量的镁的成分。环形球石片中的小片的矿物成分的化 学构成很稳定，这就解释了白垩岩的岩化作用弱的原因。 s i w a k ( 1 9 9 2 ) 分析研究了l i x h e 白垩岩的化学成分，按氧化物比例给出了 l i x h e 白垩岩的主要化学构成( 表卜2 ) ，结果显示，l i x h e 白垩岩的主要成分为 c a c 0 3 。 表1 2 ：l i x h e 白垩岩的主要化学构成r 根据s i w a k ，1 9 9 2 ) c 0 2 c a o s i 0 2m g ok 2 0f e 2 0 3 n 幻o p 2 0 5s 0 2t i 0 2a 1 2 0 3 4 4 5 3 5 1 7 0 3 痕量 0 1 痕量 0 2 痕量痕量 o 2 ( 2 ) 石英 影响白垩岩力学特性的次要矿物组成是石英( s c h r o e d e r ，2 0 0 3 ) 。白垩岩中 出现的石英可能来源于生物物质和或火山喷发物，例如燧石( a u b r y ，1 9 7 5 ) 。对 于白垩岩中的石英，通常以颗粒状石英出现，虽然一般白垩岩中的石英含量稀少， 但是在个别情况下白垩岩中石英含量能达到2 5 左右，甚至更高。通过电子探针 分析，可以确定石英颗粒在白垩岩的分布比例和状态。照片1 - 2 为欧洲北海 e k o f i s k 白垩岩的k e v e x 电子探针分析结果，照片上，白点显示为石英，可以看到， 石英颗粒分散和均匀分布在白垩岩中。 m o n j o i ee ta 1 ( 1 9 8 5 ) 按石英的含量，将白垩岩划分为微弱含石英的的白垩 岩( 1 0 ) 。力 学研究成果显示，白垩岩的力学强度特性随石英的含量增加而增强。 多孔岩石力学性质实验研究和模拟 照片i - i ：l i x h e 白垩岩的扫描电子显微镜( s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ，s e m ) 照片 ( s c h r o e d e r ，2 0 0 3 ) ( 3 ) 粘土矿物 方解石软泥和或粘土质软泥，有时包括残余超微化石，形成那些非典型的 白垩岩或粘土岩。粘土矿物对白垩岩力学特性的影响受到许多研究者的关注，例 如，d o r e m u s ( 1 9 7 8 ) 矛i h e n r y ( 1 9 8 9 ) 分别研究了粘土矿物含量对白垩岩的力学特性 的影响。在研究了不同粘土矿物含量的白垩岩的力学特性后，他们给出了按粘土 矿物含量的白垩岩划分：粘土矿物含量小于1 0 为弱含粘土矿物的白垩岩，粘土 矿物含量大于1 0 为强含粘土矿物的白垩岩。研究成果显示，对粘土矿物含量小 于l o 的白垩岩，基本上是由白垩基质材料来控制白垩岩的力学特性，而粘土矿 物对白垩岩的力学特性无重要影响。 根据s i w a k ( 1 9 9 2 ) 的化学成分分析结果，研究中采用的l i x h e 白垩岩含有1 7 石英矿物，按m o n j o i ee ta 1 ( 1 9 8 5 ) 的分级方案，属于微弱含石英的白垩岩。根 据这些结论，可以认为l i x h e 白垩岩是一种矿物成分非常纯的自垩岩，其次要矿 物石英的含量微弱，基本不含粘土矿物，次要矿物对岩石的力学特征无明显影响。 河海大学博士学位论文 照片1 - 2 北海油m e k o f i s k e t 垩岩的电子探针分析结果( m o n j o i e ，s c h r o e d e re ta 1 ，1 9 8 5 ) 1 2 2 - 3 结构与孔隙率 ( 1 ) 结构 白垩岩的结构是指其颗粒和集合体的大小和形状，表面特征，排列形式以及 它们间的连接特征。为研究白垩岩的结构特征，有效的方法是借助于扫描电子显 微镜。照片1 - 3 为l i x h e 白垩岩的扫描电子显微镜照片，它显示了l i x h e 白垩岩的 复杂结构特征，从中可以发现一个完整的球石环片，包括少量可能重新结晶的方 解石颗粒的菱形晶体颗粒以及一些球石环片的碎片。白垩岩的结构由固体基质颗 粒间的连接特点决定，同时由空隙和孔隙的构造决定。l i x h e 白垩岩的结构特征 显示其结构没有优势方向，即使是岩层的层理特征也没有显现( s c h r o e d e r ， 2 0 0 3 ) 。方解石颗粒间主要是由粘结或聚结联接( t a l l o n1 9 7 6 ) ，同样包括结晶或 重结晶形成的方解石颗粒间的连接桥，也称方解石桥( l er o u x1 9 7 3 ，d j e b b i 1 9 8 4 ) 。研究表明，白垩岩中方解石颗粒的密度约在2 7 0 5 口2 7 2 之间( t a l l o n ， 1 9 7 6 ，d o r e m u s h e n r y ，1 9 8 4 ) 。 扫描电子显微镜的图象同时也显示出白垩岩的孔隙形状和大小分布很分散。 依据不同的白垩岩，孔隙的组成包括大孔隙，直径范围为1 5 p m ，具有比较小的 连接通道的中等大小透镜状孔隙以及剩余孔隙，其尺寸大小按直径范围为1 2 p m ，其形状多变( 图卜2 ) 。 已有研究表明，白垩岩可以被认为是一种单一矿物组成的相对均质体 ( d o r e m u s1 9 7 8 ) 。s c h r o e d e r ( 2 0 0 3 ) 指出微观尺度下的局部杂质并不影响白垩岩 6 多孔岩石力学性质实验研究和模拟 材料宏观上的均质性。对于构造描述白垩岩力学特性的本构模型，这一认识非常 重要。 照片卜3 ：扫描电子显微镜下l i x h e 白垩岩的结构特征( r i s n e se ta 1 2 0 0 3 ) ( 2 ) 孔隙度 图卜2 ：孔隙类型和连接通道( 根据t a l l o n ，1 9 7 6 ) 河海大学博士学位论文 白垩岩是一类多孔岩石。白垩岩的孔隙度可以定义为岩石中孔隙的体积与岩 石总体积之比。白垩岩的孔隙度是描述白垩岩结构特征的一个重要且有代表意义 的量化参数。 白垩岩孔隙度的测定可以有不同的方法，根据s c h r o e d e r ( 2 0 0 3 ) 的研究总结， 被广泛采用来测定白垩岩孔隙度的方法主要如下： 一间接测定法，这一方法测定白垩岩的总孔隙度，由饱和岩样的总体积减去 干燥岩样的体积来推求； 一图象分析法； 一x 射线的断层摄影术； 一直接测定法，由高压水银孔隙仪测定： 一比表面积测定。 对于试验研究采用的l i x h e 白垩岩，其特征为高达4 0 的有效孔隙度。白垩岩 的干密度约在1 6 9 c m 3 左右。 1 2 2 4 白垩岩中的水 大量的岩石力学研究表明，岩石中的水对岩石的物理力学特征有重大影响 ( 谷德振，1 9 7 9 ，孙广忠，1 9 8 8 ，王思敬，1 9 9 0 ，s h a o ，1 9 8 7 ，h o m a n d ，2 0 0 0 ， s c h r o e d e r ，2 0 0 3 ，r i s n e se ta 1 ，2 0 0 3 ) 。基于大量的地质工程研究总结，孙广忠 ( 1 9 8 8 ) 指出地下水作为岩体赋存环境，影响着岩体的变形和破坏，影响地质工 程的稳定性。同时还指出，地下水具有双重属性，它既是岩体的赋存环境，又是 岩体的组成成分。在力学作用上，它既可以使岩体力学性能变化，又可以作为岩 体中应力的组成成分。 岩石中的水可分为矿物中的结合水和岩石孔隙中的水。矿物中的结合水仅存 在于矿物结晶格架内部或参与矿物晶格构成，称为矿物内部结合水或结晶水。只 在数百度高温下析出而与矿物颗粒分离，我们通常把它当作矿物颗粒的一部分。 岩石中孔隙中的水，按其所呈现的状态和性质及其对岩石力学特性的影响，分为 结合水和非结合水两种类型。 ( 1 ) 结合水 结合水是指矿物表面受弱的v a nd e rw a a l s 分子引力、静电引力、离子吸附 力，吸附于矿物颗粒表面的水。岩石颗粒不会吸附孔隙中的水，只有细小的岩石 颗粒才会把孔隙中的水分子牢牢吸附在自己周围，形成一层水膜。结合水愈靠近 多孔岩石力学性质实验研究和模拟 矿物颗粒表面，吸引越牢固，水分子排列愈紧密、整齐，活动性愈小。随着距离 增大，吸引力减弱，活动性增加。因此，一般又将结合水分为强结合水和弱结合 水，即吸着水和薄膜水。总之，结合水的性质不同于普通液态水，不受重力影响， 主要存在于细粒岩石中，岩石颗粒表面静电引力对水分子起主导作用。强结合水 具有固体的特性，我们把它归属于固相部分。弱结合水层( 也叫结合水膜) 的厚 度变化是影响岩石物理力学性质。随着距颗粒表面距离增大，静电引力减小，岩 石中水逐渐过渡到非结合水。 ( 2 ) 非结合水 非结合水是指矿物颗粒孔隙中超出矿物颗粒表面静电引力作用范围的普通 液态水，因而又称为自由水。当温度达至s j l 0 0 。c 时，岩石中的自由水可以完全排 除。这就是岩土工程意义上的含水量所包括的这部分水。自由水按其移动时所受 的力不同分为重力水与毛细水两种： 毛细水， 毛细水是在岩石的细小孔隙中，由毛细力作用( 岩石颗粒的分子引力和水与 空气界面的表面张力共同作用引起) 而与岩石颗粒结合，存在于岩石中的一种类 型水。其形成过程可用物理学中的毛细管现象来解释。水与岩石颗粒表面的浸湿 力( 分子引力) 使接近岩石颗粒的水上升而使孔隙中的水面形成弯液面，水与空 气界面的内聚力( 表面张力) 则总是企图将液体表面积缩至最小，使弯液面变为 水平面。但当弯液面的中心部分有所升起时，水面与岩石颗粒间的浸湿力又立即 将弯液面的边缘牵引上去。这样，浸湿力使毛细水上升，并保持弯液面，直到毛 细水柱的重力与弯液面表面张力向上的分力平衡时，水才停止上升。这种由弯液 面产生的向上拉力称为“毛细力”，由毛细水维持的水柱部分水称为毛细水。 毛细水主要存在于直径为0 0 0 2 0 5 m m 大小的毛细孔隙中。孔隙更小者，岩 石颗粒周围的结合水膜有可能充满孔隙而使毛细水不复存在。粗大的孔隙，毛细 力极弱，难以形成毛细水。故毛细水主要存在于粉砂岩，白垩岩中。 重力水 重力水存在于岩石较粗大孔隙中，具有自由活动能力，在重力作用下能自由 流动。重力水流动时，产生动水压力，能冲刷带走岩石中的细小颗粒，这种作用 称为机械潜蚀。重力水还能溶滤岩石中的水溶盐，这种作用称化学潜蚀。两种潜 蚀作用将使岩石的孔隙增大，增大岩石的压缩性，降低岩石的强度( 张年学等， 1 9 9 6 ) 。 9 河海大学博士学位论文 白垩岩中水的作用是本质性的。液体与岩石基质材料间的相互作用是影响岩 石力学特性的基本现象。岩石孔隙中的不同类型的水，对岩石力学性能产生不同 的影响。对于结合水，其作用主要包括：联结作用或水胶作用、润滑作用、水楔 作用。而对于非结合水，则主要为孔压作用和溶蚀及潜蚀作用。通常认为，前者 可以改变岩石的力学性质，后者可以改变岩石的应力状态( 孙广忠，1 9 8 8 ) 。 1 - 2 3 白垩岩的分类 自垩岩的分类有不同的的方法。其主要依据水对白垩岩强度的影响，结构分 析和孔隙度大小等来对白垩岩进行简单分类。 早期的白垩岩的工程与力学意义上的分类方法是m a s s o n ( 1 9 7 3 ) 提出了基于 干抗压强度与湿抗压强度的比值来进行白垩岩分类的简单方法( 表卜3 ) ，这种分 类方法将白垩岩分成了优质、良好、中等、极差四等。这种分类方法简单，直观。 表卜3 根据干抗压强度与湿抗压强度的比值对白垩岩的分类( l a s s o n1 9 7 3 ) r c ( 干) r c ( 湿)白垩岩分类 4 0 极差 借助于扫描电子显微镜，m o r ti m o r e 提出了另一种分类方法，该分类方法通 过半定量的白垩岩结构物理特性分析定义了一个结构指数( m o r t i m o r e ，1 9 8 9 ) 。 基于干密度的结构指数，白垩岩可以分为： 一极软的白垩岩： 一软的白垩岩： 一中等硬度的白垩岩： 一硬的白垩岩： 一很硬的白垩岩： 一极硬的白垩岩。 与其他类型的岩石相比，白垩岩具有孔隙度高的特点，白垩岩是一种典型的 孔隙材料，高孔隙度对白垩岩力学特性有重要影响。m o n j o i e & s c h r o e d e r ( 1 9 8 9 ) l o 多孔岩石力学性质实验研究和模拟 根据白垩岩的初始孔隙度和石英的含量，提出了一个白垩岩的分级方案。进一步， 根据侧限压缩试验，m o n j o i ee ta 1 ( 1 9 9 0 ) 提出了一个基于力学试验的结果的白 垩岩的孔隙度分级方案，如表卜4 所示。 表1 4 依据孔隙度的白垩岩分类( 据m o n j o i ea ta 1 ，1 9 9 0 ) 孔隙度白垩岩分类 小于3 2 超弱孔隙 3 2 - 3 7 弱孔隙 3 7 - 4 5 强孔隙 大于4 5 超强孔隙 此外，还存在着其他分类方法，女n s i w a k ( 1 9 9 2 ) 采用干密度与抗压强度之间 的关系以及干密度与天然含水量之间的关系对白垩岩进行分类。 白垩岩分级这类途径仅是对白垩岩力学特征的初步评价，鉴于不同的白垩岩 存在本质特征的差异，这类分级的结果必须谨慎地对待。为了精确模拟白垩岩的 力学行为，详细的白垩岩力学特征研究显的尤为必要。 1 - 3 白垩岩的力学性质 正如前面提到的，白垩岩的力学特征是很复杂的。它取决于众多的影响因素， f 特别是受自垩岩的孔隙度的大小，石英以及粘土矿物的含量，试样的饱和条件以 及时间等因素的影响。为研究白垩岩的力学性质，许多研究者，包括s h a o ( 1 9 8 7 ) 、 h o m a n d ( 2 0 0 0 ) 、c o l l i n ( 2 0 0 2 ) 、s c h r o e d e r ( 2 0 0 3 ) 等分别对白垩岩进行了大量 的试验研究，很好地揭示了白垩岩的力学特征。下面从两部分，即不考虑时间效 ，应和考虑时间效应这两部分来概述白垩岩的力学特征。 1 3 1 不考虑时间效应的白垩岩的力学性质 1 3 1 1 静水压力状态下的力学特征 对不同类型白垩岩的大量静水压力压缩试验研究( j o n e s ，1 9 8 5 ，s h a o ，1 9 8 7 ， m o n j o i ee ta 1 ，1 9 9 0 ，d a h o u ，1 9 9 5 ，h o m a n d ，2 0 0 0 ，s c h r o e d e r ，2 0 0 3 ) 揭示了白垩岩静水压力状态下力学特征的重要实验现象。图卜3 显示了白垩岩在 静水压力压缩试验下的典型力学特征。图卜4 为白垩岩静水压力压缩试验过程中 不同围压状态下加载一卸载效应的典型曲线。 河海大学博士学位论文 白垩岩的力学特性明显不同于多数具m o h r - c o u l o m b 特征的岩石，图 卜4 ( h o m a n d ，2 0 0 0 ) 给出了l i x h e 白垩岩的在不同围压状态下加载一卸载过程的典 型的静水压力加载试验结果( 试样用s o l t r o l 油饱和) 。从图可以认识到l i x h e 白垩 岩的静水压力条件下的力学特征，它清楚地表明，随着静水压力的增加，应力一 应变全曲线是光滑的。根据s h a o ( 1 9 8 7 ) 对法国北部h a u b o u r d i n 白垩岩的静水压力 加载试验结果研究分析，曲线可表现出三个不同的阶段： 第一阶段对应于准线弹性的力学特征，这一阶段表现出白垩岩的弹性和可恢 复变形的力学特征。 第二阶段对应于高的塑性压缩特征，这一阶段的出现是由于在颗粒之间联结 桥的断裂( 或其它力学机制) 造成多孔结构的坍塌过程的结果。这一阶段表现出材 料的压缩性的增加，由于颗粒之间联结桥的断裂导致白垩岩的多微孔隙结构的坍 塌过程和由于颗粒之间的接触面积增加。 第三阶段为塑性强化阶段，这一阶段表现出白垩的力学特性呈强化增长特 征。由于颗粒之间的接触面积增加导致白垩的力学特性呈强化增长，同时塑性压 缩率快速减少。 对于l i x h e 白垩岩，同样表现出典型的三个阶段( h o m a n d ，2 0 0 0 ) 。首先，出 现了一个压应力l o m p a 左右的线弹性区间；接着，出现了一个非常重要的具有大 的塑性应变率与平缓应变强化的不可恢复压缩区；最后，曲线表现为应变强化率 增加。 一般来讲，由于静水压力产生的塑性变形机制被称为孔隙坍塌。也就是说， 白垩岩的塑性体积变形实质上由孔隙空间的不可恢复的降低造成( 忽略颗粒骨架 的压缩性) 。 需要注意的是，静水压力状态下的各向同性的弹性压缩极限p 易，也称为白 垩岩孔隙结构坍塌的阀值，随不同白垩岩的初始孔隙度和饱和条件变化。以下为 一些典型的静水压力状态下的各向同性的弹性压缩极限p 易，例如，法国北部的 l e z e n n e s 白垩岩的静水压力压缩试验结果显示，它的弹性压缩极限p 曼大约为 1 3 m p a ( d a h o u ，1 9 9 5 ) 。而对于法国北部的h a u b o u r d i n 白垩岩，静水压力状态下的 各向同性的弹性压缩极限p 袅大约是i o m p a ( s h a o ，1 9 8 7 ) 。 多孔岩石力学性质实验研究和模拟 图卜3 ：典型的白垩岩静水压力压缩试验的应力应变曲线 o4 68 1 01 2 日 v , ：，| t j r f l d “cs t r a ij lp j ) 图卜4 ：白垩岩具有加载卸载过程的静水压力压缩试验的应力应变曲线 1 3 1 2 三轴压缩状态下的力学特征 研究结果显示( s h a o ，1 9 8 7 ，s i w a k ，1 9 9 2 ，h o m a n d ，2 0 0 0 ，s c h r o e d e r ，2 0 0 3 ) ， 各种不同白垩岩的力学试验结果是相一致的。通常，根据试验采用的围压不同， 白垩岩表现为两种不同的力学特征。对于低的围压，白垩岩表现为弹塑性弱化的 特征，出现一个强度峰值。而在高的围压条件下，应力一应变曲线表现为弹塑性 强化的特征。图卜5 为不同围压条件下l i x h e 白垩岩的几个典型的三轴试验结果 ( h o m a n d ，2 0 0 0 ) 。 河海大学博士学位论文 图卜5 ：l i x h e 白垩岩的几个典型的三轴试验结果( 根据h o m a n d ，2 0 0 0 ) 在应力空间的弹性域内，地质材料的变形是可以恢复的。这一弹性域由初始 的弹性极限界定。对于岩石的三轴试验，其弹性极限由试验测定的变形开始出现 不可恢复的变形时偏斜应力值来确定。对于大部分岩石，其初始弹性域是封闭的。 为确定材料的弹性域，许多研究表明( s h a o ，1 9 8 7 ，h o m a n d ，2 0 0 0 ，s c h r o