温度-应力-化学(TMC)耦合条件下岩石损伤模型理论与实验研究

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在地下处理及边坡工程中,裂隙岩石所赋存的地质条件十分复杂,一方面裂隙岩体受地热膨胀开裂、另一方面岩石与水化学溶液发生反应后形成孔洞,使其力学性质发生很大变异,加剧损伤演化,严重影响岩土工程的长期稳定性。因此,TMC(温度-应力-化学)耦合作用研究已成为目前土木工程中的难点和热点。本文通过室内进行岩石TMC耦合条件下岩石抗压、抗拉、劈裂实验,研究了不同温度、不同浓度化学溶液腐蚀下温度-应力-化学对岩石强度变化影响。探讨分析了岩石力学效应的影响规律和作用机理。基于损伤力学理论,从化学动力学角度出发,研究了岩石在温度-应力-化学耦合作用下的损伤演化,提出了岩石损伤本构模型,并通过实验对损伤本构模型进行了验证。为复杂环境条件下对岩石的力学性能影响的研究提供了可借鉴的思路。主要研究工作及取得成果如下:(1)通过砂岩在相同温度不同浓度的盐酸溶液浸泡后的单轴压缩试验,立方体劈裂实验及斜剪实验分析了同温度条件下化学浓度的改变对岩石力学性能的影响,并通过反应后化学溶液离子成份鉴定,分析了化学溶液对砂岩力学特性影响的机理和规律。试验表明:化学溶液浸泡后,砂岩孔隙率增大,弹性模量,抗压强度,抗拉强度,c、Φ值都有不同程度的降低,降低程度随溶液浓度的增大而增大。(2)通过砂岩在相同溶液浓度不同温度的盐酸溶液浸泡后的单轴压缩试验,立方体劈裂实验及斜剪实验分析了同浓度条件下温度的改变对岩石力学性能的影响,并通过反应后化学溶液离子成份鉴定,分析了温度对岩石力学特性影响的机理和规律。实验表明:中低温环境下,温度不直接影响岩石的力学性能,而是通过改变溶液与岩石反应速率进而加速/减慢岩石的损伤破坏。随着温度的升高,化学反应速率加快,岩石加速损伤,砂岩孔隙率增大,弹性模量,抗压强度,抗拉强度,c、Φ值都有不同程度的降低。(3)通过岩石成份鉴定及反应溶液离子成份分析,总结出了砂岩TMC耦合作用下损伤机理,在损伤力学,化学动力学的基础上,利用温度与化学反应速率之间的关系建立了温度-应力-化学作用下岩石损伤本构模型,对岩石的单轴压缩过程中应力应变曲线进行了模拟,并与实验数据进行了对比,理论曲线与实验曲线吻合较好。
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