岩土力学 ›› 2019, Vol. 40 ›› Issue (2): 455-464.doi: 10.16285/j.rsm.2017.1450

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

水化学与冻融循环共同作用下砂岩细观损伤 与力学性能劣化试验研究

俞 缙1, 2，张 欣1，蔡燕燕1, 2，刘士雨1，涂兵雄1，傅国锋1   

  1. 1. 华侨大学 福建省隧道与城市地下空间工程技术研究中心，福建 厦门 361021； 2. 中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏 徐州 221008
  • 收稿日期:2017-07-11 出版日期:2019-02-11 发布日期:2019-02-13
  • 作者简介:俞缙，男，1978年生，博士，教授，博士生导师，主要从事岩石力学与工程方面的科研及教学工作
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(No. 51874144，No. 51679093，No. 51774147)；福建省高校新世纪优秀人才支持计划项目；福建省高校杰出青年科研人才培育计划项目；中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室开放基金项目(No. SKLGDUEK1701)。

Meso-damage and mechanical properties degradation of sandstone under combined effect of water chemical corrosion and freeze-thaw cycles

YU Jin1, 2, ZHANG Xin1, CAI Yan-yan1, 2, LIU Shi-yu1, TU Bing-xiong1, FU Guo-feng1   

  1. 1. Fujian Research Center for Tunneling and Urban Underground Space Engineering, Huaqiao University, Xiamen, Fujian 361021, China; 2. State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221008, China
  • Received:2017-07-11 Online:2019-02-11 Published:2019-02-13
  • Supported by:
    This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (51874144, 51679093, 51774147), the Program for New Century Excellent Talents in University of Fujian Province of China, the Program for Outstanding Youth Scientific Research Training in University of Fujian Province of China and the Open Research Fund of State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, China University of Mining and Technology (SKLGDUEK1701).

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摘要： 为研究水化学与冻融循环共同作用下岩石的细观结构损伤及力学性能劣化特征，分别对经酸性、中性和碱性水化学溶液浸泡和冻融循环处理后的砂岩进行核磁共振测试和单轴压缩试验，分析砂岩孔隙度和力学参数的变化规律，结果显示：随水化学溶液浸泡时间的增加，砂岩强度和弹性模量均有所降低，且酸性溶液下的降幅最大。随水化学溶液冻融循环次数的增加，砂岩强度和弹性模量均有明显降低，且中性溶液冻融循环下的降幅最大；水化学溶液浸泡对砂岩小孔径孔隙度分量影响不大，而水化学溶液冻融循环对其影响显著，且不同溶液下小孔径孔隙度分量增幅较接近；水化学溶液浸泡与水化学溶液冻融循环对砂岩大孔径孔隙度分量的影响均较显著，单纯浸泡下酸性溶液增幅最大，冻融循环下中性溶液增幅最大；水化学溶液冻融循环条件下砂岩小孔径孔隙细观结构以受冻胀损伤为主，大孔径孔隙则受化学腐蚀和冻胀损伤的共同作用，在孔隙度上综合表现为冻胀与腐蚀的叠加效应，且在砂岩大孔径孔隙细观结构上，酸、碱腐蚀对其与冻胀作用的叠加效应有一定抑制作用；砂岩初始裂隙体变与核磁孔隙度变化率相关性良好。

关键词: 砂岩, 水化学腐蚀, 冻融循环, 共同作用, 细观损伤, 力学性能劣化

Abstract: The aim of this study is to investigate the meso-damage and degradation mechanism of sandstone under the combined effect of water chemical corrosion and freeze-thaw cycles. Nuclear magnetic resonance (NMR) and uniaxial compression tests were conducted on the sandstone treated by acidic, neutral and alkaline solution immersion and freeze-thaw cycles, respectively. The variations of porosity and mechanical parameters of sandstone were analysed. With increasing immersion time in hydro-chemical solution, the strength and elastic modulus of sandstone decrease, and the maximum decrement occurs in specimens immersed by the acidic solution. With the increase of freeze-thaw cycles, the strength and elastic modulus significantly decrease, and the maximum decrement occurs in specimens immersed by the neutral solution. The porosity component of a small pore is trivially affected by water chemical corrosion, but significantly influenced by the freeze-thaw cycle. Moreover, the increase of small pore size porosity component in different solutions is close to each other. Both soaking and freeze-thaw cycle in hydrochemical solution greatly impact on the large pore-size porosity components of sandstone. Chemical corrosion has the greatest effect on the sandstone in acid solution, while the neutral solution largely affects the specimen under the interaction of chemical corrosion and freeze-thaw erosion. Under the condition of freeze-thaw cycle of hydrochemical solution, the micro-structure of small-pore sandstone is mainly damaged by frost heave, while that of large-pore sandstone is mainly damaged by chemical corrosion and frost heave. In terms of porosity, the superposition effect of frost heave and corrosion is manifested comprehensively. In the micro-structure of large-pore sandstone, the superposition effect of acid and alkali corrosion on the meso-structure of large-pore sandstone and frost heave is restrained to a certain extent. There exists a good correlation between initial fracture volume change and nuclear magnetic porosity change rate.

Key words: sandstone, water chemical corrosion, freeze-thaw cycle, combined effect, meso-damage, mechanical properties degradation

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