1、酸性環(huán)境對(duì)砂巖剪切破壞特性影響的試驗(yàn)研究,答 辯 人：馮丹 指導(dǎo)老師：許江 教授 2012年6月15日,畢業(yè)答辯,論文結(jié)構(gòu),巖石是自然界中各種礦物的集合體，在形成過(guò)程中產(chǎn)生大量微裂隙，是一種非均勻的各向異性材料。巖體是巖石塊體和非連續(xù)節(jié)理組成的地質(zhì)構(gòu)造體，工程巖體主要破壞方式之一就是：剪切力作用下相鄰節(jié)理擴(kuò)展、相互貫通。 砂巖是構(gòu)成重慶市眾多巖土工程的主要材料之一，工程巖體在運(yùn)行期間不僅受到復(fù)雜荷載的影響，還受到外界水化學(xué)環(huán)境等的影響，尤其是重慶的酸雨環(huán)境加速了工程巖體的破壞。成渝鐵路K442處邊坡，因地處重慶酸雨區(qū)，滲入坡體內(nèi)的地下水具有很強(qiáng)的侵蝕性，造成邊坡巖體內(nèi)大量濁沸石、長(zhǎng)石等鋁硅酸鹽

2、礦物的溶蝕，弱化了巖體的物理力學(xué)參數(shù)，對(duì)其穩(wěn)定性帶來(lái)重大隱患 。,1 緒論 1.1 研究背景與意義,1 緒論 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,1) 研究酸性環(huán)境不同pH值條件下砂巖抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律，并對(duì)砂巖在剪切荷載條件下裂紋的時(shí)空演化發(fā)展規(guī)律進(jìn)行宏觀和細(xì)觀觀測(cè)試驗(yàn)； 2) 研究酸性環(huán)境不同浸蝕時(shí)間條件下砂巖抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律，并對(duì)砂巖在剪切荷載條件下裂紋的時(shí)空演化發(fā)展規(guī)律進(jìn)行宏觀和細(xì)觀觀測(cè)試驗(yàn)； 3) 結(jié)合已有的理論知識(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究砂巖在剪切荷載作用下裂紋擴(kuò)展規(guī)律。,1 緒論 1.3 研究?jī)?nèi)容與技術(shù)路線,1 緒論 1.3 研究?jī)?nèi)容與技術(shù)路線,試驗(yàn)選用重慶地區(qū)三疊系上統(tǒng)須家河組砂巖，巖石試

3、件加工包括切割、粗磨和細(xì)磨三個(gè)環(huán)節(jié) ,將采集的砂巖加工成規(guī)格為40 mm40 mm40 mm的立方體試件。最后，利用紅色簽字筆在打磨后的巖石試件試驗(yàn)觀測(cè)面適當(dāng)位置標(biāo)記記號(hào)，以便試驗(yàn)觀測(cè)與圖像采集處理。,部分巖石試件,2 試驗(yàn)方法與步驟 2.1 巖樣的采集與加工,加載系統(tǒng),細(xì)觀觀測(cè)系統(tǒng),試驗(yàn)裝置示意圖,2 試驗(yàn)方法與步驟 2.2 主要儀器設(shè)備,2 試驗(yàn)方法與步驟 2.3 試驗(yàn)方案,2 試驗(yàn)方法與步驟 2.4 試驗(yàn)步驟,pH=2 pH=5 pH=7,3 不同pH值條件下砂巖剪切破壞特性,為研究酸性環(huán)境不同pH值化學(xué)溶液對(duì)砂巖剪切破壞特性的影響，選取pH=2、pH=5、pH=7三組氯化鈉溶液浸蝕后的

4、砂巖試件進(jìn)行剪切試驗(yàn)。,表3.1 不同pH值溶液浸蝕試件峰值剪切力,3.1 剪切變形特性分析,3.2 pH=2裂紋動(dòng)態(tài)發(fā)展及細(xì)觀形態(tài)特征,a,t=0s/,b,t=1657.5s/,t=1682.5s/,d,t=1688.5s/,e,t=1692.5s/,f,t=1693.5s/,a,c,b,3.2 pH=2裂紋動(dòng)態(tài)發(fā)展及細(xì)觀形態(tài)特征,t=2724s/,b,a,t=0s/,t=2733s/,d,t=2760s/,e,t=2820s/,f,t=2820.5s/,3.3 pH=5裂紋動(dòng)態(tài)發(fā)展及細(xì)觀形態(tài)特征,a,b,c,3.3 pH=5裂紋動(dòng)態(tài)發(fā)展及細(xì)觀形態(tài)特征,a,t=0s/,b,t=2219.5s

5、/,t=2236s/,d,t=2237s/,e,t=2237.5s/,f,t=2246s/,3.4 pH=7裂紋動(dòng)態(tài)發(fā)展及細(xì)觀形態(tài)特征,a,b,c,3.4 pH=7裂紋動(dòng)態(tài)發(fā)展及細(xì)觀形態(tài)特征,3.5 裂紋素描圖對(duì)比,pH=2，起裂角29,pH=5，起裂角21,pH=7，起裂角14,3.6 裂紋開(kāi)裂角度,4 不同浸蝕時(shí)間下砂巖剪切破壞特性,為研究pH=5的氯化鈉溶液不同浸蝕時(shí)間對(duì)砂巖剪切破壞特性的影響，選取浸蝕時(shí)間為7天，14天，21天三個(gè)條件下砂巖試件做剪切試驗(yàn)。設(shè)定加載位移速率為0.01mm/min。,浸蝕7天 浸蝕14天 浸蝕21天,表4.1 不同浸蝕時(shí)間試件峰值剪切力,4.1 剪切變形特

6、性分析,4.2 浸蝕14天裂紋動(dòng)態(tài)發(fā)展及細(xì)觀形態(tài)特征,a,t=0s/,f,t=3174s/,e,t=3171s/,c,t=3127s/,t=2514 s/,d,t=3160s/,b,c,4.2 浸蝕14天裂紋動(dòng)態(tài)發(fā)展及細(xì)觀形態(tài)特征,a,t=0s/,b,t=2122s/,t=2129s/,d,t=2158s/,e,t=2710s/,f,t =2719s/,4.3 浸蝕21天裂紋動(dòng)態(tài)發(fā)展及細(xì)觀形態(tài)特征,a,c,b,4.3 浸蝕21天裂紋動(dòng)態(tài)發(fā)展及細(xì)觀形態(tài)特征,4.4 裂紋素描圖對(duì)比,（a） 浸蝕7天裂紋開(kāi)裂角度,4.5 裂紋開(kāi)裂角度,5 結(jié)論與展望 5.1 主要結(jié)論,1）剪切試驗(yàn)獲得剪切力-剪切位

7、移曲線，剪切初期，剪切力增長(zhǎng)緩慢，曲線呈下凹型，主要是砂巖試件中孔裂隙壓密的結(jié)果；隨剪切力增加，斜率不斷增加，逐漸呈線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，表現(xiàn)為彈性；當(dāng)剪切力達(dá)到峰值后，曲線呈直線下滑趨勢(shì)，剪切力在很小的剪切位移內(nèi)就有相對(duì)較大的幅度降低；直至試驗(yàn)停止，試件仍保留一定程度的抗剪強(qiáng)度。 2）裂紋細(xì)觀形態(tài)特征圖與剪應(yīng)力-時(shí)間圖對(duì)應(yīng)分析，發(fā)現(xiàn)剪切裂紋一般在峰值剪應(yīng)力后出現(xiàn)，并在短時(shí)間內(nèi)擴(kuò)展貫通，貫通時(shí)對(duì)應(yīng)著曲線中的應(yīng)力降現(xiàn)象，最終試件失穩(wěn)破壞。 3）裂紋發(fā)展過(guò)程相互促進(jìn)相互影響，主要是裂紋出現(xiàn)使得該處強(qiáng)度弱化，應(yīng)力狀態(tài)也發(fā)生變化，裂紋發(fā)展受到影響而發(fā)生一定變化。,4）酸性環(huán)境下隨pH值減小砂巖抗剪強(qiáng)度逐漸降低，殘余抗剪強(qiáng)度與峰值抗剪強(qiáng)度比值減小，裂紋開(kāi)裂過(guò)程產(chǎn)生的次級(jí)裂紋越多，越復(fù)雜。主要是由于酸性程度越強(qiáng)，對(duì)巖石的腐蝕程度越大，巖石軟化現(xiàn)象越明顯，巖石強(qiáng)度越低。 5）酸性環(huán)境下隨浸蝕時(shí)間延長(zhǎng)砂巖抗剪強(qiáng)度逐漸降低，裂紋寬度擴(kuò)大，偏離預(yù)定剪切面角度變小。主要是由于隨浸蝕時(shí)間延長(zhǎng)，對(duì)巖石反應(yīng)時(shí)間增長(zhǎng)，巖石軟化、膠結(jié)程度降低、孔隙率增大，巖石強(qiáng)度降低。,5 結(jié)論與展望 5.1 主要結(jié)論,本文只研究了酸性環(huán)境飽和狀態(tài)砂巖剪切破壞，可以增加烘干狀態(tài)和自然狀態(tài)條件做對(duì)比試