酸性溶蚀作用下灰岩弱化力学效应的试验研究

1、    酸性溶蚀作用下灰岩弱化力学效应的试验研究    王越摘要：通过自制的自平衡岩石真三轴压缩仪（srt）对灰岩岩样在溶蚀作用下真三轴、常规三轴的压缩试验，探讨了试样在不同的应变条件下溶蚀作用对于轴向的抗压强度的溶蚀效应;真三轴实验2的初始应力高于常规三轴的围压但是其3未施加应力约束使得灰岩岩样的抗压峰值强度任低于常规三轴的抗压峰值;溶蚀作用对于灰岩力学性质发生改变机理在于溶蚀作用使得裂隙临界应力强度因子降低，其灰岩宏观力学特性不断弱化，但灰岩力学破坏机理并没有本质上的改变。从而对岩溶地区岩体工程的长期稳定性提供了科学依据。abstract： thro

2、ugh self-balanced true triaxial compression test （srt） of limestone samples under dissolution， the dissolution effect of dissolution on axial compressive strength of limestone samples under different strain conditions is discussed. the initial stress of true triaxial test 2 is higher than that of co

3、nventional triaxial confining pressure， but the stress constraint of 3 is not applied to make limestone samples compressive. the mechanism of the change of mechanical properties of limestone due to dissolution is that the critical stress intensity factor of fracture decreases and the macro-mechanica

4、l properties of limestone weakens continuously， but the mechanical failure mechanism of limestone has not changed essentially. this provides a scientific basis for the long-term stability of rock mass engineering in karst areas.关键词：真三轴;常规三轴;溶蚀;抗压强度;破裂特征key words： true triaxial;conventional triaxial;

5、corrosion;compressive strength;fracture characteristics：p618.13                                    文獻标识码：a                              

6、;    ：1006-4311（2019）07-0168-030  引言在我国岩溶面积超过300万平方公里，已经占国土面积近三分之一之多。岩溶是可溶性岩石（简称为可溶岩），特别是碳酸盐类岩石（如灰岩等）受水溶蚀而形成一类。岩溶地区主要是集中在西南地区，所以实施西部大开发战略过程中，遇到的挑战性问题之一就是如何解决岩溶对隧道等工程安全性的影响。国内研究学者进行一系列灰岩的力学特性的试验研究，主要集中在渗透作用下的强度特性研究、保水状态下的力学特性及能量机制研究以及灰岩的动态压缩力学特性研究得出了灰岩表现出应变率硬化效应和损伤软化效应等多方面的研究14;对岩石的破裂与

7、渗透耦合过程细观力学模型的建立、灰岩裂隙渗流-应力耦合的试验、溶蚀岩体的渗透性变异的研究以及对不同岩体渗透试验等研究得知一定的渗透率随着应变的增加变化的规律59;以及不同溶蚀条件对单轴试样的压缩破裂特征、溶蚀作用对于岩体的细观破裂过程1012，本文将要着重研究酸性溶蚀作用下灰岩在常规三轴状态以及真三轴状态下的应变裂隙的发育及力学特性，得到其相关结果对岩溶地区的岩体长期稳定性提供可靠依据。1  试验材料与条件的设定1.1 岩石矿物成分本试验所用的灰岩试样因地制宜就取自湖北省宜昌市黄花灰岩矿区，灰岩试样为青灰色，矿物成分鉴定为灰泥质内碎屑石灰岩，自形晶粒结构、生物碎屑结构岩石主要由方解石

8、及分布其间的微粒白云岩、水云母、石英及生物碎屑等矿物组成。主要矿物成分的含量为白云石70%，方解石 16%，水云母 6%，石英 2%，生物碎屑 4%。1.2 试样的制备本试验要从常规三轴跟真三轴两个方面进行试验研究，所以灰岩试样分为圆柱形试样和长方体试样两种，分别对应灰岩常规三轴力学压缩试验和灰岩真三轴力学压缩试验，圆柱形试样的标准尺寸为？准50×100mm，长方体试样的标准尺寸为50×50×100mm，由于灰岩硬度较大，边缘处较为容易破裂，所加工的灰岩试样尺寸误差能够保证在±0.1mm以内，试件端面平整度到0.03mm。另外所取的试样的层理方向均为近水

9、平状，制取的试样均是由同一块大岩样截取下来，故近似的认为每块试样的各项力学指标、裂隙的发育程度相同。1.3 溶蚀条件的设定由于溶蚀效应是一个长期的过程，所以针对长期的溶蚀效应有进行以下两点考虑：不考虑水的流动性、渗透压等因素对灰岩溶蚀特性的影响;采用等效方式来模拟岩溶过程，即通过提高水溶液的酸性（降低溶蚀时间）的方式来模拟实际岩溶过程（该过程中溶蚀时间长，但水溶液酸性程度较低）。基于以上的两点考量，进行了溶蚀效应的初步试验，选取一定量的常规三轴进行溶蚀，溶蚀条件设定为ph=4，6两组并分别进行酸性水溶液中溶蚀，对于批量的溶蚀试块随机取样选取6块常规三轴试样在浸泡14天过后得到溶蚀的质量损失比，

10、得出结果在ph=4的酸性水溶液中浸泡的试样的质量损失平均百分比为在ph=6.5的弱酸性水溶液中浸泡试样的质量损失平均百分比的23.8倍。通过上述方法确定出模拟岩溶过程的等效方式，并通过计算得到当ph=4的酸性水溶液浸泡30d的时候模拟实际环境中灰岩在大约2年的岩溶效应，即确定为本次试验的溶蚀条件。2  试验结果及分析本次试验是在自制的自平衡岩石真三轴压缩仪（srt）上进行，srt仪器能够通过更换三轴室内底座从而能够同时兼顾真三轴跟常规三轴的试验，从而消除因为试验仪器的不同对试验结果的影响，仪器的轴向（1）跟侧向（2）的压缩是由刚性压头进行施压，围压（3）则是依靠柔性介质（液压油）进行

11、施压，三个方向的压力均可单独控制并且保证实验在321的复杂应力条件下进行。在进行常规三轴压缩试验时由于2=3且试样形状为圆柱形，所以仅控制围压就可以完成环形的约束，轴向约束仍然由刚性压头完成。2.1 试验方法首先选取一定量完整性较好的灰岩岩样烘干称重，对试样进行预加载，常规三轴的初始应力条件为20mpa-5mpa，而真三轴初始三向应力为20mpa-20mpa-0mpa;在达到预定的初始三向应力后继续施加轴向应力，在预设试样应变峰值的0.10%、0.15%、0.20%、0.25%、0.30%、0.35%、0.40%、0.45%、0.50%、0.55%、0.60%处进行卸载，试验之前做好了无溶蚀状

12、态下相同初始压应力的压缩试验，该状态下的应力峰值在一定的范围，并以此作为基准;取出试样后将试样分别放入预设的ph值的酸性水溶液中进行浸泡，浸泡时间为一个月（浸泡过程每隔一定时间添加一定量盐酸并监测以保证试样在预设ph范围内进行溶蚀），浸泡完成后烘干并称重;对溶蚀后的试样处理再进行三轴压缩试验直至试样破坏，得到试验数据及试验现象得出试验结果。溶蚀条件具体上的选择ph值为4的酸性溶蚀条件，溶蚀时间为1个月进行试验来模拟长期溶蚀效应，并且选择一块试样放入ph=7的水中作为对照;初始应力方面选择常规围压为5mpa来与真三轴仅加一个侧向压力20mpa且大于常规三轴围压值作为对照。不同的环境对于岩石的溶蚀

13、效应是有所差异的，如图 14所示，试验结果表明，酸性水溶液对灰岩的溶蚀效应是不同的，这与岩样的初始压应力有关，以及岩石的应变程度（破损程度）、矿物成分特性、致密程度等物理性质的差异以及岩石形成的条件、温度、时间、地质构造和风化程度等因素都有所关联。因为酸性水溶液对岩石的结构组织进行改变，使得巖石变得松散脆弱，导致了岩石的力学特性发生了一些变化。图中的1a/1b、m为拟合曲线式，r2为相关系数平方。从图中可以看出，在垂直应力比值1a/1b来看初始压力越高影响越为明显;在预加载状态不同的条件下，溶蚀作用的影响不同，破裂程度越大溶蚀作用越为明显;随着应变程度越大，酸性水溶液的溶蚀效应越强，试样的质量

14、损失越多。2.2 破裂过程与特征岩石的破裂的实质是岩石在受力过程中细微裂纹的产生、扩展直到裂纹连通的结果，这个现象是岩石破坏的宏观现象。而灰岩主要由尺度较大的晶体颗粒以及晶体之间填充的胶结物组成，并且通常胶结物的刚度比晶体的刚度小，无溶蚀作用下，灰岩试样在受压状态下所产生的裂纹大多沿着晶体与晶体之间的交界面延伸。但是，溶蚀作用下，由于晶体和胶结物被溶解，晶体之间的内摩擦力改变，并且胶结物之间的粘结力被削弱，这是灰岩的细观方式，而此次的实验该特征反映在宏观上的表现为在溶蚀作用下的常规三轴和真三轴力学压缩试验中，表现为随着卸载点垂直应变的增加，即随着试样表面裂隙不断的发育和扩展，溶蚀作用对试样力学

15、性质的弱化作用不断增强。另一方面在破裂特征方面，灰岩试样的常规三轴压缩以及真三轴压缩条件下，它的破坏特征与方式基本是一致的（如图5所示），破裂是从试件的最薄弱的地方开始，在应变程度不同的情况下，应变的程度越大产生的细微裂纹越明显，在经历溶蚀过后裂纹边的扩展的更为明显，在主裂隙的扩展上不同应变的溶蚀后并没有明显的分别，但是随着应变的增加再溶蚀后的试样在破裂的速度有明显的增加。3  结论通过试样ph=4的溶蚀条件下进行常规三轴压缩试验以及真三轴压缩试验的溶蚀效应，结果表明初始压应力、溶蚀作用对灰岩的力学特性的影响是不可忽视的，总结为以下：不同三轴初始应力状态下，灰岩的抗压强度随着初始应力

16、的提高而提高，既使真三轴实验2的初始应力高于常规三轴的围压但是其3为零使得灰岩岩样的抗压峰值强度任低于常规三轴的抗压峰值，围压的约束即便是较低也要比仅施加单一方向的侧向压力使得灰岩抗压强度增加。溶蚀作用下的常规三轴和真三轴力学压缩试验中，溶蚀作用有着加速裂隙发展的作用，而随着卸载点垂直应变的增加，即随着裂隙不断的发育和扩展，溶蚀作用下灰岩力学性质发生改变机理在于溶蚀作用使得裂隙临界应力强度因子降低，其灰岩宏观力学特性不断弱化，但灰岩力学破坏机理并没有本质上的改变。参考文献：1王亚，万文，赵延林，罗世林，唐劲舟.渗透压作用下茅口灰岩的强度特性d，北京：矿业工程研究，2015.2郭佳奇，刘希亮，乔

17、春生.自然与保水状态下岩溶灰岩力学性质及能量机制试验研究j.岩石力学与工程学报，2013.3祝文化，李元章.损伤灰岩动态压缩力学特性的实验研究j.武汉理工大学学报，2006，28（7）：90-92.4丁梧秀，陈建平，徐桃，陈华军，王宏毅.化学溶液侵蚀下灰岩的力学及化学特性研究j.基础理论与实验研究，2015.5杨天鸿，屠晓利，於斌，张永彬，李连崇，唐春安，谭国焕.岩石破裂与渗流耦合过程细观力学模型j.固体力学学报，2005（03）.6王兴宏.茅口裂隙灰岩渗流-应力耦合试验研究d.湖南：湖南科技大学，2015.7张贵金，徐卫亚.岩溶坝区溶蚀岩体的渗透性变异研究j.岩石力学与工程学报，2005，24（9）：1527-1534.8zhang s， cox s f， paterson m s. the influence of room temperature deformation on porosity and permeability in calcite aggregatesj. j. geophys. res.， 1994， 99：15761-15775.9mordecai m， morris l h. an investigation into the changes of permeability occurring in a sandstone