水化-冻融耦合作用下大理岩单轴蠕变力学特性.pdf
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1、为探究岩石在水化 冻融耦合作用下的蠕变规律,以湖北地区某露天边坡大理岩为研究对象,设置酸性、中性、碱性种溶液环境浸泡,开展不同冻融循环次数条件下的单轴压缩蠕变试验,并对比分析大理岩宏观破坏形态和断口细观特征.结果表明:)在同一冻融循环次数条件下,酸性溶液环境中的瞬时、蠕变应变量及蠕变速率均最大,碱性溶液环境次之,中性溶液环境最小;)大理岩长期强度为瞬时强度的 ,长期强度折减较大;)酸性溶液对大理岩颗粒结构的损伤劣化程度强于碱性溶液,但随着冻融作用的增强,碱性溶液对岩石结构的损伤程度逐渐接近酸性溶液.关键词:水化学;冻融循环;大理岩;蠕变;损伤;断口d o i:/j c n k i j j u
2、e s e 中图分类号:TU 文献标志码:A收稿日期:作者简介:赵越(),男,副教授,博士,主要从事地质资源与地质工程方面的研究,E m a i l:z h a o y u e c o m基金项目:国家自然科学基金项目();辽宁省教育厅青年科技人才“育苗”项目(L J QN L );辽宁工程技术大学学科创新团队项目(L N TU T D )S u p p o r t e db yt h eN a t i o n a lN a t u r a lS c i e n c eF o u n d a t i o no fC h i n a(),t h e“N u r t u r i n gS e e
3、d l i n g s”P r o j e c to fY o u n gS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yT a l e n t so f t h eD e p a r t m e n t o fE d u c a t i o no fL i a o n i n gP r o v i n c e(L J QN L )a n dt h eP r o j e c tF u n d e db yt h eD i s c i p l i n e I n n o v a t i o nT e a mo fL i a o n i n gT e c h n i c
4、a lU n i v e r s i t y(L N TU T D )U n i a x i a lC r e e pM e c h a n i c a lP r o p e r t i e so fM a r b l eU n d e rH y d r a t i o nF r e e z e T h a wC o u p l i n gZ h a oY u e,L iL e i,Y a nH a n,X i a oW a n s h a n,S uY a n j u nM i n i n gI n s t i t u t e,L i a o n i n gT e c h n i c a l
5、U n i v e r s i t y,F u x i n ,L i a o n i n g,C h i n aI n s t i t u t eo fI n n o v a t i o na n dD e v e l o pm e n t f o rF u x i nT r a n s i t i o n,L i a o n i n gT e c h n i c a lU n i v e r s i t y,F u x i n ,L i a o n i n g,C h i n aL i a o n i n gP r o v i n c eR e s o u r c e B a s e dC
6、i t yS u s t a i n a b l eD e v e l o pm e n tR e s e a r c hB a s e,F u x i n ,L i a o n i n g,C h i n aL i a o n i n gT e a mo fG e o l o g i c a lS u r v e yC e n t e ro fC h i n aB u i l d i n gM a t e r i a l sI n d u s t r y,S h e n y a n g ,C h i n aC h i n aA r c h i t e c t u r eN o r t h e
7、 a s tD e s i g na n dR e s e a r c hI n s t i t u t eC oL t d,S h e n y a n g ,C h i n aA b s t r a c t:I no r d e r t oe x p l o r e t h ec r e e pl a wo f r o c ku n d e r t h ec o u p l i n ga c t i o no fh y d r a t i o n,f r e e z i n ga n dt h a w i n g,t a k i n gt h e m a r b l eo fa no p e
8、 n p i ts l o p ei n H u b e ia st h er e s e a r c ho b j e c t,t h eu n i a x i a lc o m p r e s s i o nc r e e pt e s t su n d e rd i f f e r e n t f r e e z e t h a wc y c l e sw e r ec a r r i e do u tb ys o a k i n gi na c i d,m e d i u ma n da l k a l i s o l u t i o n s,a n d t h em a c r o
9、f a i l u r em o r p h o l o g ya n d f r a c t u r em i c r oc h a r a c t e r i s t i c so fm a r b l ew e r ec o m p a r e da n da n a l y z e d T h er e s u l t s s h o w e dt h a t:)U n d e r t h es a m en u m b e ro f f r e e z e t h a wc y c l e s,t h ei n s t a n t a n e o u s,c r e e ps t r
10、 a i na n dc r e e pr a t ei na c i d i ce n v i r o n m e n tw e r et h el a r g e s t,a l k a l i n ew a st h es e c o n d,a n dn e u t r a lw a s t h es m a l l e s t )T h ea v e r a g e l o n g t e r ms t r e n g t ho fm a r b l ew a s o ft h e i n s t a n t a n e o u ss t r e n g t h,a n dt h e
11、l o n g t e r ms t r e n g t hw a sg r e a t l yr e d u c e d )T h ed a m a g ed e g r e eo fa c i ds o l u t i o nt o m a r b l ep a r t i c l es t r u c t u r ew a ss t r o n g e rt h a nt h a to fa l k a l i n es o l u t i o n,b u tw i t ht h ee n h a n c e m e n to ff r e e z e t h a w e f f e c
12、 t,t h ed a m a g ed e g r e eo fa l k a l i n es o l u t i o nt or o c ks t r u c t u r e w a sg r a d u a l l yc l o s e t ot h a to f a c i ds o l u t i o n K e yw o r d s:h y d r o c h e m i s t r y;f r e e z e t h a wc y c l e;m a r b l e;c r e e p;d a m a g e;f r a c t u r e引言随着我国基础设施建设的推进,水力水
13、电、矿山开发、地下存储等涉及寒区的工程建设日益增多.寒区岩石受地下水、酸雨、冻融、应力等作用,蠕变现象较明显.岩石蠕变受多因素的共同影响,单一因素下的岩石蠕变研究难以科学指导寒区岩石工程建设.目前已有部分学者开展了考虑水化学、冻融、应力等因素的岩石蠕变试验研究,取得了一定的成果.童庆闯、L i u等、刘新喜等、宋勇军等、L i等进行不同冻融循环次数、应力作用下的岩石蠕变研究,得到岩石蠕变随冻融循环次数和加载应力大小变化的规律;乔丽苹、吕宜美、J i a n g等、王艳春等、孙治国等 以水化学溶液环境中不同加载应力为控制条件,开展岩石蠕变试验研究,分析水化学和应力作用下的蠕变规律.以上学者在水化
14、学和冻融两种因素中,二者择其一进行了不同应力下的岩石蠕变研究.目前同时考虑水化学、冻融、应力种因素的蠕变研究较少,张峰瑞等 以石英岩和 石 英 砂 岩 为 研 究 对 象,配 置HC l、N a OH和N a C l 种溶液,冻融循环次数设为、次,完成三轴压缩蠕变试验,研究发现水化学、冻融作用均促进岩石蠕变损伤发展,二者耦合下加速岩石损伤;Y a n g等 配置蒸馏水、HC l、N a OH和N a C l种溶液,开展不同冻融作用下石英岩和石英砂岩三轴压缩蠕变试验,试验表明,岩石受酸性溶液腐蚀后弹性模量损失最大,其次分别是N a OH、N a C l和蒸馏水.鉴于目前同时考虑水化学、冻融、应力
15、种因素的蠕变研究较少,本文以湖北地区某露天边坡大理岩为研究对象,开展水化 冻融耦合作用下单轴压缩蠕变试验,探究不同工况下大理岩应变特征、蠕变速率和加速度及长期强度的变化规律,并对比分析大理岩宏观破坏形态和断口细观特征,最后探讨大理岩水化 冻融耦合作用下的蠕变机制,以期为大理岩在多场耦合作用下的蠕变特性研究提供参考.试验方案本文研究对象为湖北地区某露天边坡大理岩,钻探凿取新鲜岩样,制备成 mm mm的圆柱试样,并将试样断面打磨光滑.部分试样如图所示,岩 样干密度为 g/c m,天然含水率 为 ,吸水率为 .经X衍射,发现大理岩主要矿物由白云石()、方解石()和云母()组成.图试样照片F i g
16、S a m p l ep h o t o s吉 林 大 学 学 报(地 球 科 学 版)第 卷试验仪器采用R LW 型压缩蠕变仪,开展水化学 冻融循环作用下的单轴蠕变试验.为模拟地下水环境,水化学溶液采取p H值分别为、和 的酸性、中性和碱性溶液,溶液配置时首先采用 m o l/L的N a C l作为初始溶液,考虑到湖北地区酸雨成分以HS O为主,故通过加入一定量HS O和N a OH来调配p H值分别为和 的酸性、碱性溶液,中性溶液加入等量N a C l以保证离子数量不变.浸泡d至岩样饱和,每天检测种溶液的p H值变化,若有变化需及时补充离子溶液保证p H值不变.依据文献 ,将冻融循环次数设
17、为、和 次,冻结 融化温度设为 ,冻结和融解时间均为h.本文试验先在溶液中浸泡,浸泡完成后再进行冻融循环.单轴压缩蠕变试验采用逐级增量加载的方式.初始 轴 向 荷 载 设 为 k N(换 算 成 轴 压 约 MP a),轴向加载速率设为 N/s,每一级加载时长不低于 h,然后进行下一级加载,加载增长梯度为 k N(换算成轴压约 MP a),直至岩石屈服破坏.大理岩蠕变特性逐级加载蠕变曲线通过仪器数据采集系统,整理得到不同工况下的大理岩逐级加载蠕变曲线,如图所示.由图可看出,在种溶液环境中,大理岩的逐级加载蠕变曲线形态较为相似,应变“台阶式”递增.大理岩在轴向荷载作用下,首先表现出瞬时弹性变形;
18、接着岩石进入衰减蠕变阶段,该阶段应变率递减;当应变率基本恒定,进入稳定蠕变阶段,该阶段历时长,是岩体蠕变过程中最漫长的阶段,岩体变形缓慢累积;当外界荷载强度超过一定水平时,岩石还表现出加速蠕变行为,岩石在短时间内发生屈服破坏.当大理岩处于恒定溶液环境中,冻融循环次数越高,每一级的应变越高.当冻融循环次数为次和 次时,种溶液环境中的大理岩均在第五级加载发生蠕变破坏;当冻融循环次数为 次时,酸性、碱性溶液环境中的大理岩在第四级加载发生蠕变破坏,中性溶液环境中的大理岩在第五级加载发生蠕变破坏;当冻融循环次数达到 次时,种溶液环境中的大理岩均在第四级加载发生蠕变破坏.这说明当中性溶液环境变为酸性或碱性
19、溶液环境时,降低了大理岩发生蠕变破坏的难度,大理岩蠕变行为更为明显.a 酸性溶液;b 中性溶液;c 碱性溶液.图大理岩逐级加载蠕变曲线F i g P r o g r e s s i v e l o a d i n gc r e e pc u r v e so fm a r b l e分别加载蠕变曲线采用B o l t z m a n n线性叠加方式,处理图,得到不同溶液环境中的分别加载蠕变曲线,限于篇幅,以冻融循环 次为例(图).由图可看出,大理岩在每一级荷载作用下均表现出瞬时弹性变形,其中第一级加载下的瞬时弹第期 赵越,等:水化 冻融耦合作用下大理岩单轴蠕变力学特性性应变较大,高于之后的加载
20、等级.衰减蠕变阶段历时 h,该阶段的蠕变速率随时间增长而递减;稳定蠕变阶段的蠕变速率基本保持不变.最后一级加载下岩石表现出完整的衰减、稳定和加速蠕变三阶段.a 酸性溶液;b 中性溶液;c 碱性溶液.图冻融循环 次的大理岩分别加载蠕变曲线F i g C r e e pc u r v e so fm a r b l ew i t h f r e e z e t h a wc y c l e su n d e r s e p a r a t e l o a d i n g应变特征分析种溶液环境、种冻融循环条件下的蠕变试验结果,统计大理岩在每种工况下初始受力的瞬时应变,绘制不同工况下的瞬时应变对比曲线
21、,结果如图所示.统计岩石在种溶液环境每一级加载等级下的蠕变应变,限于篇幅,以冻融循环 次为例(图).图大理岩瞬时应变对比曲线F i g I n s t a n t a n e o u s s t r a i nc o m p a r i s o nc u r v e so fm a r b l e图冻融循环 次的大理岩蠕变应变对比曲线F i g C r e e ps t r a i nc o m p a r i s o nc u r v e so f m a r b l ew i t h f r e e z e t h a wc y c l e s由图可看出,在同一溶液环境中,瞬时应变随着冻融
22、循环次数的增加而近线性递增.这说明冻融循环次数越高,岩石内部损伤程度越高,弹性模量降低,岩石在同样荷载下更容易发生瞬时弹性变形.在同一冻融循环次数下,酸性溶液中的瞬时应变量最大,碱性溶液环境次之,中性溶液环境最小.当冻融循环次数达到 次和 次时,碱性溶液环境中的瞬时应变接近酸性溶液环境.这说明酸性溶液对大理岩内部结构的劣化效应最强,碱性溶液环境次吉 林 大 学 学 报(地 球 科 学 版)第 卷之,中性溶液环境最弱;随着冻融循环作用的增强,碱性溶液对大理岩结构的劣化损伤程度逐渐接近酸性溶液.由图可看出,在同一溶液环境中,大理岩蠕变应变在初次加载下较高,最后一级加载下最高,中间加载等级较低,岩石
23、蠕变应变随着加载等级的提升表现出先减小再增加的趋势.分析其原因可能为:大理岩经历冻融循环 水化学作用后,岩石结构发生损伤劣化,内部微裂隙、微缺陷发育,在初始外力荷载作用下,更容易也更快地发生变形.第二次加载时,由于第一次加载瞬时及蠕变变形充分发展,限制了第二次加载瞬时和蠕变变形的发展空间,故岩石蠕变应变随着加载等级提升首先表现出先减小的趋势.随着应力水平的抬升,岩石蠕变逐级发展,蠕变应变量随之增大,最后一级加载由于发生加速蠕变,故蠕变应变量剧增.总体上,在酸性溶液环境中大理岩蠕变变形最明显,碱性溶液环境次之,中性溶液环境最弱.蠕变速率及加速度以图蠕变数据点为基础,分别一阶和二阶求导得到蠕变速率
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- 水化 耦合 作用 大理 岩单轴蠕变 力学 特性
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