1、研究耦合巖石溫度-化學(xué)耦合作用下力學(xué)性能及實驗論文格式范文網(wǎng)    摘要：目前，裂隙巖石的溫度-化學(xué)耦合過程研究已成為國際巖土工程領(lǐng)域最前沿的課題之一。在地下處理及邊坡工程中，裂隙巖石所賦存的地質(zhì)條件十分惡劣，所涉及的物理-化學(xué)過程復(fù)雜，主要有熱傳輸過程（T）、介質(zhì)應(yīng)力變形（包括斷裂、損傷）過程（M）、化學(xué)反應(yīng)（C）等幾個過程。一方面裂隙巖體受地?zé)?、水化學(xué)溶液侵蝕作用后，使其物理化力學(xué)性質(zhì)發(fā)生很大變異，另一方面，水溶液通過溶蝕巖體而將溶蝕物質(zhì)帶走，使巖體性狀變差，嚴(yán)重影響巖土工程的長期穩(wěn)定性。因此耦合過程研究是相關(guān)的巖石工程的最基礎(chǔ)性研究之一，具有十分重

2、要的科學(xué)意義和工程意義。 關(guān)鍵詞：力學(xué)性能 腐蝕 損傷 變量 單軸試驗一、化學(xué)損傷變量的定義（1）損傷機(jī)理巖石被浸泡在各種化學(xué)溶液里發(fā)生的化學(xué)作用，主要有溶解作用、水解作用和碳酸化作用等。而且?guī)r石中有很多礦物能溶解于水，如K+、Na+等氯化物，Ca2+ ,Mg2+等氯化物和碳酸鹽以及Fe3+ ,A13+等氧化物和硅酸鹽，所以巖石受到化學(xué)作用后，其中巖石中膠結(jié)物質(zhì)反應(yīng)掉而使剩余難溶礦物喪失相互膠結(jié)能力，使巖石變得松散脆弱，有效承載面積降低。 （2）化學(xué)損傷變量根據(jù)有效承載面積定義化學(xué)損傷變量：DC=（1）其中,R,V0, 分別是巖石初始有效承載面積，承載體體積,及質(zhì)量。，分別是化學(xué)腐蝕后巖石沒有

3、承載能力部分的面積，體積及質(zhì)量。二、化學(xué)損傷變量的計算 設(shè)化學(xué)溶液與巖石反應(yīng)的一般化學(xué)反應(yīng)方程式為：（2）其中A為與巖石反應(yīng)的溶質(zhì)，B為巖石中參與反應(yīng)的成份，G，H為化學(xué)反應(yīng)生成物由化學(xué)動力學(xué)方程得： （3）其中是A物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)速率，是化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)，,分別為A物質(zhì)與B物質(zhì)的濃度，是反應(yīng)級數(shù)。由Arrhenius (阿侖尼烏斯)公式可得 其中為前置因子，Ea 為反應(yīng)活化能，R為氣體常數(shù)取8.314，T為反應(yīng)溫度。故 化學(xué)反應(yīng)速率方程為 單位：（4） 設(shè)巖石在化學(xué)溶液中浸泡的時間為t,從0t時間，溫度變化函數(shù)為T(t),濃度變化函數(shù)為，溶液體積為V則經(jīng)過時間t, A物質(zhì)的消耗量為 N1= （5

4、）B物質(zhì)的消耗量為 N2= （6）設(shè)巖石中每種成份都是均勻分布的，反應(yīng)消耗掉的B物質(zhì)的摩爾質(zhì)量為MB ，B物質(zhì)質(zhì)量占巖石總質(zhì)量的比重為p，則化學(xué)腐蝕導(dǎo)致巖石結(jié)構(gòu)破壞喪失承載能力部分的質(zhì)量為 （7）則化學(xué)-溫度作用下的化學(xué)損傷變量為DC= = （8）三、試驗驗證本文取文獻(xiàn)45（“均質(zhì)砂巖酸腐蝕的力學(xué)性質(zhì)分析”霍潤科等著）中的實驗數(shù)據(jù)驗證常溫下本文本構(gòu)模型。原文實驗數(shù)據(jù)如下巖石成份：50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)鈣質(zhì)砂巖試件。巖樣的天然密度為2.47 g/cm3,孔隙率4.43%,其主要礦物成分為石英(450 g/kg)、長石(350 g/kg)、巖屑(=100 g/kg)，鈣質(zhì) CaC

5、O3(40 g/kg)和泥質(zhì)膠結(jié)率(膠結(jié)。實驗溫度:恒溫20 單個試件浸泡鹽酸溶液體積 2L，鹽酸濃度0.1mol/L 表1不同溶液中巖石各階段的單軸抗壓強(qiáng)度值(MPa)主要化學(xué)反應(yīng)方程式：2HCL+CaCO3=CaCL2+CO2+H2OT=293K時，化學(xué)反應(yīng)速率方程為 (13) 67 表 2時間t（天）05914根據(jù)表2數(shù)據(jù) 利用牛頓插值法求得鹽酸濃度隨時間變化函數(shù)為由(5)式，（13）式可得 浸泡 5天后消耗的HCl 量為 = =2.270mol浸泡 9天后消耗的HCl 量為=4.0385mol 浸泡 14天后消耗的HCl 量為=6.2024mol將上述數(shù)據(jù)分別代入（6）(7)(8)式可

6、得浸泡 5天后=28.375g 同理求得浸泡 9天后浸泡 14天后代入（11）式得同理可求得浸泡 9 天后浸泡 14天后當(dāng)時峰值損傷，抗壓強(qiáng)度計算值與實驗值對比見下表時間t（天）抗壓強(qiáng)度（Mpa) 時間t（天）峰值應(yīng)變（%) 浸泡5天時的本構(gòu)模型同理可得浸泡14天巖石的本構(gòu)模型： ）應(yīng)力-應(yīng)變對比圖形見下圖文獻(xiàn)實驗曲線圖5：浸泡5天應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖 浸泡14天應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖本文計算模擬曲線圖：浸泡5天應(yīng)力-應(yīng)變模擬圖浸泡14天應(yīng)力-應(yīng)變模擬圖四、結(jié)論本文在損傷理論的基礎(chǔ)上，利用化學(xué)動力學(xué)原理，建立了溫度-化學(xué)作用下下的巖石本構(gòu)模型，并利用文獻(xiàn)，中的已有實驗數(shù)據(jù)對本構(gòu)理論進(jìn)行了常溫下驗證，從實

7、驗和理論對比可以發(fā)現(xiàn)：峰值應(yīng)力前，實驗數(shù)據(jù)與計算值吻合較好，峰值應(yīng)力，應(yīng)變預(yù)測值與實驗值基本吻合。巖石破壞后，實驗曲線與理論曲線有所出入。對于水的物理作用對巖石力學(xué)性能的影響，比如溶解作用，水流作用，本文暫未考慮。不同溫度環(huán)境下巖石力學(xué)性能實驗正陸續(xù)展開，其計算結(jié)果尚需大量試樣的進(jìn)一步分析和驗證,以便對模型進(jìn)行修正和完善。參考文獻(xiàn) 董元彥，李寶華等，物理化學(xué)?？茖W(xué)出版社，2004 余壽文，馮西橋。損傷力學(xué)。清華大學(xué)出版社，19973 錢濟(jì)成，周建方，巖石混凝土的兩種損傷模型及其應(yīng)用。河海大學(xué)報，1989，3，40474 霍潤科，李 寧，劉漢東，均質(zhì)砂巖酸腐蝕的力學(xué)性質(zhì)分析西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2005.8，8(33)5 朱運明，李寧，酸性環(huán)境中砂巖強(qiáng)度、變形性質(zhì)的實驗研究，中國優(yōu)秀碩士學(xué)位論文，西安理工大學(xué)2001