巖石破裂過程的化學(xué)-應(yīng)力耦合效應(yīng)

前言

　　巖石破裂過程的化學(xué)－應(yīng)力耦合效應(yīng)研究是巖石力學(xué)與工程學(xué)科的前沿課題，也是土木、水利水電工程等的建設(shè)以及核廢料地質(zhì)處置、能源地下儲(chǔ)存、二氧化碳地質(zhì)封存、地?zé)衢_發(fā)、石油開采、文物保護(hù)等需要回答的基礎(chǔ)問題。這是因?yàn)?，一方面，化學(xué)作用可以降低巖石的強(qiáng)度而增加和加速巖石的破裂，這對(duì)受化學(xué)作用的巖石工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定性是不利的，而對(duì)通過化學(xué)作用提高石油開采和地?zé)衢_發(fā)效率是有利的。另一方面，化學(xué)作用也可以抑制巖石的破裂，這對(duì)巖質(zhì)文物的保護(hù)等是有利的。在與應(yīng)力甚至滲流的耦合作用下，這種化學(xué)效應(yīng)將會(huì)變得更加復(fù)雜。這種化學(xué)一應(yīng)力耦合作用下巖石破裂過程的機(jī)理與規(guī)律需要深刻的揭示，其相關(guān)分析模型和理論有待建立。本書的作者將多年來在這方面的研究成果進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)，寫成了本書?！　∥覙O感興趣地研讀了這本書，書中的許多觀點(diǎn)和方法深深地吸引著我。它首先介紹了一些新設(shè)備，通過這些設(shè)備開展了化學(xué)－應(yīng)力耦合作用下巖石破裂過程的宏細(xì)觀試驗(yàn)，包括巖石試件表面破裂過程的顯微鏡與CCD攝像機(jī)實(shí)時(shí)觀察試驗(yàn)和巖石試件內(nèi)部破裂過程的CT實(shí)時(shí)掃描試驗(yàn)等，揭示了不同化學(xué)溶液及其離子濃度、pH值、孔隙水壓、滲透作用下，典型巖石（砂巖、花崗巖和灰?guī)r）的完整和預(yù)制裂紋試件在單軸壓縮、三軸壓縮或蠕變過程中的裂紋的萌生－擴(kuò)展一搭接直至試件破壞的全過程、孔隙度和微觀結(jié)構(gòu)的演化以及強(qiáng)度、彈性模量、泊松比、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角等力學(xué)參數(shù)的影響規(guī)律，對(duì)相應(yīng)的機(jī)理進(jìn)行了深入分析。從斷裂力學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方面探討了化學(xué)－應(yīng)力耦合作用下巖石的損傷變量和力學(xué)模型，提出了模擬巖石破裂過程的一種新的彈塑性細(xì)胞自動(dòng)機(jī)數(shù)值模擬方法，初步實(shí)現(xiàn)了化學(xué)－應(yīng)力耦合作用下巖石破裂過程的模擬。最后，根據(jù)化學(xué)提高巖石強(qiáng)度和抑制巖石破裂的機(jī)理，發(fā)明了一種新的化學(xué)材料，給出了基于這種新材料的防治巖石風(fēng)化的化學(xué)加固方法。研究成果為巖石工程、二氧化碳地質(zhì)封存、核廢料地質(zhì)處置等的長(zhǎng)期穩(wěn)定性評(píng)價(jià)以及為通過化學(xué)作用提高地?zé)衢_發(fā)效率和石油開采效率提供了重要的科學(xué)依據(jù)。

內(nèi)容概要

本書主要介紹作者在巖石破裂過程的化學(xué)一應(yīng)力耦合效應(yīng)研究方面所取得的最新成果，包括化學(xué)溶液作用下巖石孔隙度演化機(jī)理及模型，化學(xué)溶液及其水壓力和單軸壓縮作用下完整和預(yù)制多裂紋巖石變形破裂過程的細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)、機(jī)理、損傷演化變量和本構(gòu)模型，化學(xué)溶液及其水壓力和三軸壓縮作用下巖石破裂過程的CT實(shí)時(shí)掃描試驗(yàn)、機(jī)理和模型，化學(xué)溶液和單軸、三軸壓縮作用下巖石宏觀變形破壞過程試驗(yàn)與進(jìn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系，應(yīng)力一水流化學(xué)耦合下巖石單軸蠕變特征試驗(yàn)與模型，化學(xué)溶液作用下裂紋巖石變形破裂過程的彈塑性細(xì)胞自動(dòng)機(jī)模擬，典型圍巖的風(fēng)化特征與防風(fēng)化措施試驗(yàn)等內(nèi)容。    本書可作為土木、水電、隧道、巖土力學(xué)與工程、環(huán)境工程、地?zé)衢_發(fā)、石油開采、能源儲(chǔ)存、核廢料處置、二氧化碳地質(zhì)封存等相關(guān)專業(yè)高年級(jí)本科生和研究生的教學(xué)參考書，亦可供有關(guān)科研和工程設(shè)計(jì)人員參考。

書籍目錄

《巖石力學(xué)與工程研究著作叢書》序《巖石力學(xué)與工程研究著作叢書》編者的話序前言第1章 概論第2章 化學(xué)溶液作用下砂巖孔隙度演化機(jī)理及模型第3章 化學(xué)溶液和單軸壓縮作用下巖石變形破裂過程的細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)第4章 化學(xué)溶液和單軸壓縮作用下預(yù)制多裂紋巖石變形破裂過程的細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)第5章 化學(xué)溶液水壓力和單軸壓縮作用下預(yù)制裂紋巖石變形破裂過程的細(xì)觀力學(xué)試驗(yàn)第6章 化學(xué)溶液和三軸壓縮作用下巖石破裂過程的CT實(shí)時(shí)掃描試驗(yàn)第7章 化學(xué)溶液與單、三軸壓縮作用下巖石宏觀變形破壞過程試驗(yàn)第8章 巖石的化學(xué)損傷演化變量及本構(gòu)模型第9章 化學(xué)溶液作用下裂紋巖石破裂過程的彈塑性細(xì)胞自動(dòng)機(jī)模擬第10章 化學(xué)溶液作用下砂巖蠕變?cè)囼?yàn)第11章 化學(xué)溶液滲透作用下砂巖蠕變模型第12章 典型圍巖的風(fēng)化特征與防風(fēng)化措施初探參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　化學(xué)溶液浸泡后的飽和巖石試件的脆性明顯減弱，不同的化學(xué)溶液對(duì)白云質(zhì)石灰?guī)r脆延轉(zhuǎn)化的程度不同。初始離子成分和濃度相同時(shí)，不同pH的溶液對(duì)巖石脆延轉(zhuǎn)變的程度不同。在pH為2的溶液中這種轉(zhuǎn)化比較明顯（如圖7.18、圖7.22所示），即使在圍壓較低的時(shí)候，試件到達(dá)峰值強(qiáng)度之后應(yīng)力降比較小，還有一定的承載能力，各試件的塑性變形明顯增加；在pH為7、9、12的溶液作用下，白云質(zhì)石灰?guī)r的脆性特征有所轉(zhuǎn)變，但不如pH為2的溶液作用的試件明顯，個(gè)別試件仍表現(xiàn)很強(qiáng)的脆性特征?！　≡谧匀粻顟B(tài)、同種化學(xué)溶液及蒸餾水作用下，白云質(zhì)石灰?guī)r的強(qiáng)度均有隨圍壓增大而增大的規(guī)律.隨著圍壓的增加，白云質(zhì)石灰?guī)r也越來越表現(xiàn)出延性性質(zhì)，在變形很大時(shí)仍有較高的承載力。這表明，巖石的變形和強(qiáng)度受圍壓的影響較大?！　囊陨戏治隹梢钥闯?，化學(xué)溶液的侵蝕作用對(duì)白云質(zhì)石灰?guī)r由脆性向延性的轉(zhuǎn)變起著不可忽視的作用，而圍壓也起著重要作用。但這兩種作用機(jī)制不相同。圍壓的作用在于限制了側(cè)向變形的發(fā)展，改變了巖石內(nèi)部的受力狀態(tài)。而化學(xué)侵蝕作用在于對(duì)巖石本身力學(xué)性質(zhì)的改變?！　r石是一種較典型的非均質(zhì)材料，普遍包含著不同尺度的缺陷.在壓縮荷載作用下，微裂紋將在這些缺陷的周圍產(chǎn)生并且擴(kuò)展聚合，導(dǎo)致巖石材料的破壞。通常來說巖石的三軸試驗(yàn)結(jié)果表明：脆硬巖石的破壞主要有張拉破壞、拉剪破壞及剪切破壞等方式。當(dāng)圍壓較小時(shí)，試件以張性破裂為主，圍壓較高時(shí)試件表現(xiàn)為剪切破壞，當(dāng)圍壓進(jìn)一步升高時(shí)，試件將表現(xiàn)為延性破壞。　　三軸試驗(yàn)中巖石的破裂狀態(tài)與巖石本身的物理力學(xué)性質(zhì)、受力情況及受化學(xué)溶液作用狀況相關(guān)。由于所采用的巖樣強(qiáng)度高，且具有顯著的脆性特征，在不同的化學(xué)溶液中浸泡飽和后其破壞模式比較復(fù)雜。從破裂的力學(xué)機(jī)制可以分為3大類破裂方式：脆性張拉劈裂破壞，張拉和剪切混合破壞，剪切破壞。

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