酸性条件下石灰岩力学特性试验研究

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酸性环境对岩石强度及其工程稳定性具有深远影响,探究酸性条件下岩石力学性质是岩土工程领域的基础性研究课题之一,具有重要的理论和工程应用价值。本文在前人研究的基础上,依托西南科技大学研究生创新基金项目“酸性条件下石灰岩力学特性试验研究”,选取石灰岩作为研究对象,通过不同时间的强酸(硫酸)溶液浸泡石灰岩试样得到酸化岩石,开展了一系列酸化石灰岩细观和宏观试验;基于损伤力学理论构建了酸化石灰岩的损伤本构模型;并通过数值模拟手段分析了酸性环境下露天矿山边坡稳定性。采用X射线衍射技术,获得了石灰岩试样主要成分,分析了试样在酸性溶液中的主要化学反应;采用无损检测技术,分别对酸化石灰岩时域和频域下的声波信号进行了定量和定性化研究;借助扫描电镜(SEM)检测手段,从细观层面对酸化石灰岩的化学损伤劣化过程进行了研究,并基于分形理论对其损伤程度进行了定量化研究。通过不同时间梯度下酸化石灰岩的单轴压缩和巴西劈裂试验,得到了酸化石灰岩试样破坏模式的变化规律,探究了荷载作用过程中试样各个变形阶段及力学参数变化规律,从能量角度初步解释了酸化石灰岩试样化学损伤劣化机制,建立了细观表征参数与宏观力学参数之间的数学模型。基于应变等价假设和weibull函数分布理论,建立了岩石在自然状态下的损伤本构模型。基于分形-岩石力学理论,建立了岩石化学损伤变量与岩石孔隙分形维数之间的函数关系,进而构建了酸化石灰岩的三段式损伤本构模型,利用试验数据进行验证,吻合效果较好。依托江油地区酸性环境下某石灰岩露天矿山边坡,探究了酸性环境下长时效应对露天矿山边坡稳定性的影响,基于研究结果给出相应的工程建议措施。研究结果表明,酸性条件会劣化石灰岩的力学性能,进而弱化工程体的稳定性,给边坡岩体工程带来一定的安全隐患。通过本课题的研究可为酸性环境下的资源开发、安全生产提供一定的理论依据。
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