化学与环境论文提纲

论文题目：裂隙岩石在复杂水化学环境下力学特征的试验研究与理论分析

摘要：水岩耦合作用下岩石的变形破坏过程及其力学行为的研究是当前环境岩土工程领域最前沿的基础性研究课题之一。实际赋存环境中岩体内部包含着各种各样的裂隙,而对复杂环境下裂隙岩体的力学劣化行为及变形破裂机理等方面的研究尚处于初始研究阶段,特别是对化学腐蚀和冻融循环共同作用下、复杂化学环境和干湿循环共同作用下裂隙岩石的研究却鲜见报道,因此,有必要对上述问题展开进一步的研究。鉴于此,本研究选取水库地区典型的库岸边坡消落带的岩石为研究对象,依据其实际赋存的环境设计了水化学溶液长期浸泡、化学腐蚀和冻融循环耦合作用、干湿循环和化学腐蚀共同作用3种试验方案,开展了多种岩石在复杂环境下力学特性的试验与理论研究。首先,对不同水化学溶液作用下岩石的物理力学特性及水化学溶液腐蚀的时间效应展开试验研究,分析了不同化学溶液对岩石应力应变曲线各阶段变形特征和强度参数的影响,获得了不同化学溶液对岩石变形破坏过程中各个阶段的影响规律。采用无损探伤技术,通过岩石的纵波波速来间接计算岩石的孔隙率,给出了基于岩石孔隙率变化的岩石微细观结构化学损伤劣化计算公式,对岩石微细观结构的化学损伤进行定量化研究。基于水岩间相互作用的试验结果,从岩石的渐进破坏特征和能量机制进一步揭示其化学损伤劣化机制,研究了自然及化学腐蚀后岩石的应力特征值的劣化规律和腐蚀时间效应,以及岩石在加载过程中的能量积累、能量耗散和各部分应变能间的相互转化,同时,分析了岩石能量特征之间及其与化学损伤之间的内在联系。综合考虑应力和化学腐蚀对岩石的影响,提出化学损伤和应力损伤的概念,定义了两者引起的总损伤,拓展了损伤的内涵;同时,考虑岩石材料的非均匀性和复杂应力条件,分别建立了单轴和不同围压下岩石的统计化学损伤本构模型;通过所建立的化学损伤变量及其本构模型定量分析了岩石细观结构及其宏观力学特性的化学损伤劣化。第二,以铜川新区龙潭水库和三峡库区典型的岸边坡消落带的岩体为研究对象,通过快速冻融循环试验,开展了化学溶液和冻融循环共同作用下岩石物理力学特性的试验研究,研究了岩石在不同化学溶液中侵蚀30d后再经历冻融循环作用后其力学特征的变化规律:同时,研究了化学腐蚀和冻融循环共同作用下Ⅰ型裂纹岩石试样的物理特性、断裂韧度及其力学性能的变化规律,并借助于体式显微镜、扫描电镜（SEM）和能谱分析仪等检测手段,从微细观的角度对岩石的化学冻融损伤劣化机理进行了分析和研究,并对岩石的化学冻融劣化程度进行了定量化研究。第三,以水库库岸边坡消落带节理岩体的实际赋存环境为背景,采用在类岩石材料中预制裂隙的方法来模拟节理岩体。通过干湿循环试验,研究了不同水化学溶液和干湿循环共同作用下裂隙试样的力学特性和破坏特征,分析了不同裂隙倾角试样的力学特性随干湿循环次数的变化规律。同时,借助于高清摄像机对裂隙试样在加载过程中裂纹的起裂、扩展及贯通等过程进行了实时观测,分析、总结了不同裂隙倾角下裂纹扩展、贯通的方式及其破坏特征的变化规律。基于干湿循环作用前后裂隙试样弹性模量的变化建立损伤变量,得到了干湿循环作用后裂隙试样的化学损伤演化方程;考虑裂隙倾角对岩石干湿循环损伤劣化的影响,将完整试样的干湿循环损伤演化方程与裂隙试样的干湿损伤演化方程统一起来,建立了裂隙岩石干湿损伤演化方程的一般形式。给出了不同化学溶液下不同裂隙倾角试样变形特性与损伤特性的关系,并对其损伤机理进行了分析,为建立相应条件下裂隙试样的损伤演化方程及其本构关系提供了试验依据。第四,分别从化学腐蚀、荷载条件及干湿循环和受荷耦合损伤的角度对裂隙试样的损伤劣化机制进行研究,利用ANSYS对单裂隙试样的应力场进行有限元模拟,得到了单裂隙试样加载初期压缩应力场中各点的三个主应力,分析了单裂隙试样的破坏机理、裂纹起裂和扩展路径的变化规律,讨论了干湿循环和荷载耦合作用下单裂隙试样的破坏机制。同时,建立了干湿循环和化学腐蚀耦合作用下单裂隙试样的损伤演化方程,分析了裂隙岩石的化学干湿损伤劣化程度及其化学损伤演化规律,数值分析结果验证了理论模型的合理性。

关键词：岩石;裂隙试样;化学腐蚀;冻融循环;干湿循环;耦合作用;劣化机制;本构模型;细观机理;损伤演化;变形破坏

学科专业：岩土工程

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景与研究意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2 国内外发展现状及评述

1.2.1 水岩耦合作用方面的研究现状

1.2.2 岩石冻融循环方面的研究现状

1.2.3 岩石干湿循环作用方面的研究现状

1.2.4 岩石损伤本构关系的研究现状

1.3 本文的研究思路与内容

1.3.1 研究思路与方法

1.3.2 研究内容

1.4 技术路线

2 水化学作用下砂岩的力学特性及化学腐蚀效应分析

2.1 引言

2.2 试验材料与方法

2.2.1 砂岩的结构及成分

2.2.2 试样制备

2.2.3 化学溶液的配置

2.2.4 试验方法与过程

2.3 单轴压缩砂岩试样结果分析

2.3.1 水化学溶液对砂岩试样变形特性的影响分析

2.3.2 化学溶液对砂岩强度参数腐蚀效应分析

2.4 三轴压缩砂岩试样结果分析

2.4.1 水化学溶液对砂岩试样变形特性的影响分析

2.4.2 化学溶液对砂岩强度腐蚀效应分析

2.4.3 化学溶液对砂岩弹性模量、泊松比腐蚀效应分析

2.4.4 化学溶液对砂岩粘聚力、内摩擦角的腐蚀效应分析

2.5 本章小结

3 化学腐蚀过程中砂岩的物理化学性质及其细观结构化学损伤定量化方法的研究

3.1 砂岩的水化学腐蚀损伤的时效特性研究

3.1.1 砂岩质量随时间的变化规律

3.1.2 砂岩试样的纵波波速随时间的变化规律

3.1.3 化学腐蚀过程中溶液pH值的变化规律

3.1.4 化学腐蚀过程中溶液中Ca~(2+)、Mg~(2+)的变化规律

3.2 化学腐蚀后砂岩细观结构损伤的定量化方法研究与探讨

3.2.1 损伤变量

3.2.2 试验结果及其分析计算

3.2.3 计算结果分析验证

3.3 化学损伤对砂岩试样物理力学参数的影响

3.4 化学溶液对砂岩力学特性影响的机理分析

3.5 本章小结

4 水化学溶液下钙质砂岩渐进破坏特征及其能量机制的试验研究

4.1 引言

4.2 化学溶液下砂岩的渐进破坏过程的研究

4.2.1 破坏过程的应力特征及其计算方法

4.2.2 试验数据计算结果

4.2.3 水化学溶液对砂岩试样特征应力的影响

4.3 单轴压缩试验下砂岩试样的能量特征分析

4.3.1 能量特征公式与损伤机制

4.3.2 利用能量特征来分析试样损伤破坏过程

4.3.3 不同化学溶液对单轴压缩能量特征与损伤机制的影响

4.4 三轴压缩试验下砂岩试样能量特征分析

4.4.1 能量特征公式与损伤机制

4.4.2 砂岩试样三轴压缩能量特征

4.4.3 不同化学溶液对三轴压缩能量特征与损伤机制的影响

4.5 损伤变量

4.5.1 损伤变量定义

4.5.2 化学损伤对砂岩试样物理力学参数的影响

4.6 本章小结

5 不同化学溶液作用下砂岩的统计化学损伤本构模型

5.1 引言

5.2 单轴压缩条件下砂岩的化学损伤本构模型

5.2.1 自然状态下砂岩的损伤演化变量与本构模型

5.2.2 水化学作用下砂岩的损伤演化变量与本构模型

5.2.3 本构模型的应用与对比分析

5.3 三轴压缩条件下砂岩的化学损伤本构模型

5.3.1 自然状态下砂岩的损伤演化变量与本构模型

5.3.2 水化学作用下砂岩的损伤演化变量与本构模型

5.3.3 本构模型的应用与对比分析

5.4 本章小结

6 砂岩在经历化学侵蚀和冻融循环作用后力学特征劣化效应的试验研究

6.1 引言

6.2 试验介绍

6.2.1 试样选取与制备

6.2.2 试验仪器

6.2.3 溶液的配制

6.2.4 试验方法

6.3 单轴压缩试验结果分析

6.3.1 应力-应变关系曲线

6.3.2 峰值强度和弹性模量

6.3.3 峰值应变

6.4 三轴压缩试验结果分析

6.4.1 应力-应变关系曲线

6.4.2 强度特征

6.5 砂岩的损伤劣化机理

6.5.1 孔隙率和纵波波速

6.5.2 损伤变量

6.5.3 损伤对砂岩试样物理力学特征的影响

6.5.4 砂岩试样表面显微结构

6.5.5 砂岩内部的扫描电镜观察和能谱分析

6.6 本章小结

7 化学溶液和冻融循环共同作用下砂岩断裂力学特性及其物理特性的试验研究

7.1 引言

7.2 试验介绍

7.2.1 试验材料与方法

7.2.2 化学溶液的配制

7.2.3 试验方法与过程

7.3 砂岩试样物理特征试验结果分析

7.3.1 质量变化规律

7.3.2 孔隙率和纵波波速变化规律

7.3.3 化学溶液pH的变化规律

7.3.4 化学溶液溶出的离子浓度变化规律

7.4 砂岩试样力学特征试验结果分析

7.4.1 砂岩试样断裂韧度KIC试验结果分析

7.4.2 砂岩试样抗拉、抗压强度试验结果分析

7.4.3 砂岩试样断裂韧度KIC与抗拉、抗压强度相关性分析

7.5 化学冻融损伤劣化机理分析与探讨

7.5.1 砂岩的化学冻融损伤劣化规律

7.5.2 化学冻融耦合作用对砂岩力学特征的影响

7.5.3 微细观结构化学冻融腐蚀特征

7.5.4 化学冻融损伤机理分析

7.6 本章小结

8 干湿循环和化学腐蚀共同作用下单裂隙岩石单轴压缩破裂试验研究

8.1 引言

8.2 试验介绍

8.2.1 试样选取与制备

8.2.2 试验仪器

8.2.3 溶液的配制

8.2.4 试验方案设计

8.3 干湿循环和化学腐蚀共同作用下单裂隙试样单轴压缩试验

8.3.1 裂隙试样单轴压缩试验结果

8.3.2 裂隙试样单轴压缩应力应变曲线特征分析

8.4 干湿循环和化学腐蚀共同作用对裂隙试样变形特征的影响

8.4.1 干湿循环和化学腐蚀共同作用下完整试样变形特征

8.4.2 干湿循环和化学腐蚀共同作用下裂隙试样变形特征

8.5 干湿循环和化学腐蚀共同作用下裂隙试样强度损伤劣化效应分析

8.5.1 裂隙倾角对试样单轴压缩强度的影响

8.5.2 不同pH对裂隙试样单轴压缩强度的影响

8.5.3 溶液的化学成分对裂隙试样单轴压缩强度的影响

8.6 干湿循环和化学腐蚀共同作用下裂隙试样弹性模量劣化效应分析

8.6.1 不同裂隙倾角对试样弹性模量的影响

8.6.2 不同pH对裂隙试样弹性模量的影响

8.6.3 溶液的化学成分对裂隙试样弹性模量的影响

8.7 水化学作用下裂隙试样的破坏特征

8.8 本章小结

9 干湿循环和化学腐蚀共同作用下单裂隙试样破坏机制及其损伤本构关系

9.1 引言

9.2 干湿循环和化学腐蚀共同作用下单裂隙试样单轴压缩破坏机制

9.2.1 单裂隙试样的破坏过程和破坏方式

9.2.2 裂隙倾角对试样起裂位置和起裂方向的影响

9.2.3 破坏机理分析

9.3 单裂隙试样应力场的有限元分析

9.4 化学作用荷载耦合作用下裂隙试样损伤劣化机制分析

9.4.1 化学损伤劣化机制

9.4.2 受荷载损伤劣化机制

9.4.3 化学受荷载耦合损伤劣化机制

9.4.4 干湿循环和化学腐蚀共同作用的损伤演化方程

9.5 干湿循环作用下单裂隙试样损伤演化变量及其本构模型

9.5.1 单裂隙试样受荷载损伤演化变量与本构模型

9.5.2 干湿循环作用下单裂隙试样的损伤演化变量与本构模型

9.5.3 裂隙试样在化学和荷载耦合作用下的损伤本构关系

9.5.4 裂隙试样化学受荷载损伤模型演化曲线

9.5.5 本构关系的应用及对比分析

9.6 本章小结

10 结论与展望

10.1 结论

10.1.1 关于水-岩耦合作用

10.1.2 关于化学冻融耦合作用

10.1.3 关于干湿循环和化学腐蚀共同作用

10.2 创新点

10.3 展望

致谢

参考文献