酸性溶液环境下红层软岩崩解特性及损伤破坏机制研究

Under the actions of acid rain in southern China, the red-bed soft rock are subject to disintegrate，so we will study on the slaking Characteristics and damage failure process of red-bed soft rock in this region. Firstly, the type and chemical composition of acid rain will be investigated. Based on the result of the investigation, acid solution will be prepared. Then, slaking test of red-bed soft rock in prepared acid solution will be conducted, and the slaking characteristics of red-bed soft rock in acid solution are going to be researched. In addition, microstructure characteristics of disintegrated soft rock will be observed using EMS (electron microscope). Secondly, based on fractal theories，fractal feature in the slaking process of red-bed soft rock are going to studied and ion concentration analysis are used to study the acid solution for the slaking test of red-bed soft rock. Further more, degradation of material properties, damage mechanism and damage cracks are also target. The damage test of red-bed soft rock in acid solution will be conducted, using high-speed cameras and universal testing machine. Next, we will simulate the slaking process of red-bed soft rock in acid solution using PFC software and define the connection among the particles. Finally, compared analysis of water samples on site and in laboratory to adjust parameters of the PFC Model for simulating the real construction, we can provide the suggestions according to the result of the simulation.

本课题以华南地区常见的红层软岩为研究对象，结合华南地区多酸雨的现状，开展红层软岩在酸性溶液环境下崩解过程及其损伤破坏特性试验研究工作。首先，调研华南地区常见的酸雨类型及其化学成分；在此基础上，设计开展软岩在酸性溶液环境下的崩解试验，探索酸性溶液环境下软岩崩解过程的特点，并利用电子显微镜观察崩解过程中软岩微观结构特点；其次，利用分形理论分析软岩在酸性溶液环境下崩解过程的分形特征，并对崩解过程中浸岩溶液的离子浓度变化规律进行跟踪； 然后，利用数字图像测量技术和万能试验机等试验手段，开展应力-酸性溶液环境下软岩损伤破坏试验，以研究软岩在酸性溶液环境下的材料性能劣化特性，损伤破坏机制以及损伤裂纹发展过程及机制；接下来，利用PFC颗粒流软件，反演软岩损伤破坏试验结果，得到颗粒流模型微观参数，并模拟崩解试验结果；最后，根据工程现场水样成分，调整PFC模型参数，模拟工程实况，为工程建设提供参考和建议。

1）项目的背景.酸雨在华南地区分布广泛，在酸雨分布区域，岩石，特别是具有卸荷裂隙发育、遇水软化、崩解迅速的特点的红层软岩，其水-化学-应力作用显著。因此酸性溶液环境和荷载引起应力作用下红层软岩的崩解破坏过程，以及还酸性物质对软岩中某些矿物的腐蚀损伤作用，十分值得重视、研究。.2）主要研究内容.本课题以华南地区常见的红层软岩为研究对象，结合华南地区多酸雨的现状，开展红层软岩在酸性溶液环境下崩解过程及其流变特性试验研究工作，研究共分为红层软岩酸性溶液条件下崩解特性研究，酸性溶液环境下红层软岩损伤破坏试验研究，红层软岩酸性溶液环境下的崩解破坏过程的颗粒流模拟和工程应用等四部分。.3）重要结果及关键数据.在酸性环境下的软岩崩解试验中，项目组首先配置了10种不同类型的酸性溶液，每种酸性溶液浸泡5组样品，共50组样品开展红层软岩崩解试验，前后开展干湿循环崩解试验10轮，采取了500个试验浸出溶液样品和500个浸泡后的岩石样品。而后项目组利用分形理论对试验结果进行处理，得到了酸性环境对红层软岩崩解进程的影响。.利用前述酸性环境下红层软岩崩解试验得到的500个试验浸出样品，进行了离子成分分析试验，通过崩解试验中不同阶段离子成分的变化，得出红层软岩崩解对HNO3的响应比H2SO4的大，酸性环境会加快岩石崩解的结论。.C、利用电子显微镜，对崩解试验中采集的500个不同阶段的浸泡岩石样品进行微观观察，根据观察结果和粘土矿物微结构模型，特别提出在模型中加入酸性腐蚀栓的概念，模拟酸性环境下软岩的损失崩解破坏机制和裂纹扩展机制。.D、项目组基于颗粒流软件，建立了一个二维颗粒流模型，该模型为一长200mm，宽100mm的矩形，利用该模型模拟了软岩的崩解破坏过程。.该项研究结论水-化学-力对岩石的耦合作用研究有着重要的借鉴意义，对酸雨地区的红层软岩边坡治理工程和基坑支护工程的相关设计有参考意义。