水岩作用下砒砂岩三元结构破坏力学机理研究

The Pisha Sandsone area is the core area of the coarse sediment source of the Yellow River. Pisha Sandstone has the characteristics of stone without water and mud when it meets water, which is closely related to its own characteristics. The project focuses on the general idea of “feature analysis-process identification-model construction-mechanism revelation”. Through indoor water-rock interaction simulation test, triaxial test, three-dimensional scanning technique, a uniform compression sphere model is introduced to analyze Pisha Sandstone. In this project, the microscopic stress of the Pisha Sandstone has been analyzed, and the structural characteristics analysis, the identification of the failure process and the construction of the ternary structure model are carried out. The influence of water transport on the chemical and physical properties was analyzed by identifying the ternary structure composition of corrosion element, corrosion resistance element and variable element of Pisha Sandstone. And finally, the ternary structure model of Pisha Sandstone was constructed. The variation of mechanical parameters such as compressive strength, cohesion and elastic modulus with water content under different water-bearing conditions need to be clarified, and the mechanism of structural failure under the action of water-rock need to be revealed. The project provides a theoretical basis for soil and water loss control and ecological restoration in the Pisha Sandstone area, and also has important practical application value for the resources of Pisha Sandstone.

砒砂岩是黄河粗泥沙来源的核心区，具有无水坚如石、遇水烂如泥的突出特性，究其原因与砒砂岩自身结构特性密切相关。本项目围绕“特征分析-过程辨识-模型构建-机理揭示”的总体研究思路，通过室内水岩作用模拟试验、三轴试验、三维扫描技术等方法，引入均匀受压球体模型，开展砒砂岩结构特征分析、遇水破坏过程辨识和三元结构模型构建等研究，辨识砒砂岩侵蚀元、抗蚀元、可变元三元结构组成，分析水运移对其化学和物理性质的影响，解析砒砂岩颗粒间微观应力，构建砒砂岩三元结构模型，明晰不同含水条件下岩石的抗压强度、粘聚力、弹性模量等力学参数随含水率的变化规律，揭示水岩作用下结构破坏力学机理；为砒砂岩区水土流失治理及生态修复提供理论依据，同时，对通过改性有效利用砒砂岩资源也具有重要的实践应用价值。

砒砂岩区域是黄河流域生态安全屏障最重要也是最脆弱的关键带，在我国西北乃至全国生态系统中占有举足轻重的地位。本研究针对砒砂岩遇水破坏机理的关键科学问题，按照“特征分析-模型构建-过程辨识-机理揭示”的研究思路，采用室内水岩模拟试验和力学试验相结合的方式开展研究。系统分析砒砂岩三元结构特征，构建砒砂岩三元结构模型，实现了三元结构水岩作用下的应力、位移解答，并通过辨识砒砂岩遇水结构破坏过程及宏观力学性能劣化规律揭示了砒砂岩遇水破坏力学机理，为砒砂岩区水土流失治理及生态修复提供理论依据。主要取得以下成果：.（1）系统研究了砒砂岩的成因、分布、矿物及化学组成等基本特征，扫描电镜分析（SEM）等测试表征手段及MATLAB数字分析软件等对砒砂岩矿物成分、颗粒排列、胶结方式、微孔隙及微裂纹的分布等结构特征进行定量和定性研究，进一步明确了砒砂岩的结构组成。.（2）结合弹性力学中压力隧洞模型，借助平面应变状态下统一强度理论和有效应力原理将抗蚀元和侵蚀元视为两相介质体，建立水岩作用下的砒砂岩“侵蚀元、抗蚀元、可变元”三元结构模型，并分析了水岩作用下抗蚀元及侵蚀元的应力、位移变化情况的理论解答，将复杂问题简单化，为进一步完善砒砂岩基础科学问题研究，推动砒砂岩岩石力学方向的研究具有一定的借鉴意义。.（3）开展室内砒砂岩水岩反应模拟试验，通过砒砂岩试件及反应溶滤水的变化过程分析了不同初始溶液及水岩反应时间作用下砒砂岩试件的质量损失情况、溶滤水pH变化情况及各离子含量变化规律，辨识不同初始溶液水岩作用下砒砂岩矿物成分及孔隙结构随反应时间的变化过程。.（4）开展不同初始溶液及不同水岩反应时间梯度下砒砂岩的单轴压缩试验和直剪试验，分析了水岩作用下砒砂岩的应力-应变曲线、单轴压缩破坏形态以及抗压强度、弹性模量和抗剪强度的变化规律，揭示水岩作用对砒砂岩宏观力学性质的影响，并结合砒砂岩微观结构破坏特征探讨了砒砂岩三元结构力学破坏机理。