毛管浸潤技術(shù)研發(fā)及其在巖土損傷分析中的應(yīng)用.pdf

1、巖石損傷變量的測定是巖石損傷力學(xué)分析研究的基礎(chǔ)，巖石損傷理論付諸巖土工程實踐必須解決巖石損傷檢測的問題，當(dāng)前國內(nèi)外的巖石損傷檢測方法，可將其分為結(jié)構(gòu)分析方法和性能測試方法，具體包括SEM分析、CT檢測、應(yīng)力應(yīng)變測試、聲波探測、聲發(fā)射測試以及紅外輻射探測等。本文抓住巖石細(xì)觀損傷的孔隙率變化做為巖石損傷分析的著力點，開發(fā)了一種無損的定量分析巖土損傷的毛管浸潤技術(shù)。通過對孔隙土體的毛管浸潤試驗研究了浸潤速率、浸潤面積和浸潤深度隨孔隙率的變化規(guī)

2、律，基于毛細(xì)管束模型深入研究了毛管浸潤技術(shù)的機理。結(jié)合定層面的環(huán)狀分層精確CT掃描方法，將毛管浸潤技術(shù)應(yīng)用于巖石層進式損傷的定量分析中，并推導(dǎo)出了砂巖在凍融循環(huán)條件下層進式劣化模型。論文的主要研究成果如下：
　?。?）通過對定孔隙率土體的毛管浸潤參數(shù)分析，得到如下結(jié)論：
　　1)毛管浸潤技術(shù)的浸潤參數(shù)包括浸潤速率、浸潤面積和浸潤深度，浸潤面積可直觀反映表層孔隙及裂隙的分布和發(fā)展方向，浸潤深度與孔隙體表層及內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)，浸

3、潤速率反映了單位時間孔隙體主動吸收浸潤液的快慢程度，它與粘土樣的孔隙結(jié)構(gòu)有關(guān)，并反映了土樣參與浸潤的程度，即浸潤的面及浸潤深度，因此將浸潤速率作為浸潤試驗分析孔隙結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)。
　　2)浸潤參數(shù)定量地反映了孔隙體局部區(qū)域的差異性，綜合多點的毛管浸潤測試可完成不均勻土樣整體的孔隙結(jié)構(gòu)的定量分析。
　　3)不同孔隙率的粉質(zhì)粘土毛管浸潤試驗中
　　浸潤過程中浸潤速率并不是勻速的，而是伴隨浸潤過程逐漸減緩；平均浸潤速率呈現(xiàn)出

4、隨著土樣孔隙率的增大而單調(diào)遞增的變化規(guī)律；對于性質(zhì)均一的孔隙土體，其浸潤速率與孔隙率呈一一對應(yīng)關(guān)系，通過測試土樣的浸潤速率可以達(dá)到對土樣孔隙率的分析的目的。
　　（2）基于毛管束模型對浸潤機理分析結(jié)論如下：
　　1)毛管束模型中液體浸潤的主要主要動力來源于上下端的毛管力差值。
　　2)建立了毛細(xì)管束浸潤的柱狀模型，由上部液柱下降高度Δh以及表面浸潤面半徑a推算下部孔隙體中液體浸潤深度L；建立了毛細(xì)管束浸潤的球狀模型，由

5、上部液柱下降高度Δh和浸潤面半徑 a通過公式可推算下部孔隙體中液體浸潤深度L。并根據(jù)實際孔隙土體的浸潤參數(shù)對上述模型進行驗證計算，得球狀浸潤模型能夠更好地模擬實際毛管浸潤過程中液體的浸潤深度情況的結(jié)論。
　　3)基于毛細(xì)管束浸潤模型，對一定孔隙結(jié)構(gòu)的孔隙體，由浸潤速率及下部孔隙半徑分布可推導(dǎo)毛細(xì)管束浸潤模型中孔隙體的孔隙率和滲透率。
　　（3）毛管浸潤技術(shù)在巖石損傷分析中的兩大功能
　　1)對巖石同一部位的不同損傷階段

6、進行毛管浸潤試驗，通過毛管浸潤參數(shù)量化分析巖體各個階段的損傷程度，即巖體不同階段損傷變化的定量分析。
　　2)對巖石各不同部位進行多點測試，獲取某損傷狀態(tài)下巖體不同位置毛管浸潤參數(shù)，從而對巖石整體進行損傷程度區(qū)域劃分。
　　（4）為了能更精確的分析巖石內(nèi)部的不均勻性，得到反映所有點的平均CT值，進一步確定巖石的重點受損范圍，提出一種定層面的環(huán)狀分層精確CT掃描分析方法，將巖樣劃分成若干環(huán)狀區(qū)域，利用CT值與面積之間的關(guān)系得到

7、每一個環(huán)狀區(qū)域內(nèi)的準(zhǔn)確CT值，分析比較每一個樣環(huán)內(nèi)的CT值變化以達(dá)到對巖樣進行層進式損傷分析的目的。
　?。?）綜合毛管浸潤技術(shù)及CT掃描技術(shù)的巖石損傷分析結(jié)論如下：
　　1)砂巖浸泡試驗中，不同pH值酸性環(huán)境下巖石損傷部位相同，即浸泡損傷集中于從接觸面往內(nèi)的5mm厚度，不同酸液中參與浸泡損傷的巖石區(qū)域其損傷程度不同的變化規(guī)律，隨著浸泡損傷的加深，外層接觸面結(jié)構(gòu)破壞并發(fā)生剝落，將內(nèi)部新鮮巖體暴露出，酸液進一步加深，但主要參與

8、浸泡損傷的巖石厚度依然是5mm。
　　2)短期凍融循環(huán)條件下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，砂巖表面伴隨著裂隙孔洞的發(fā)生及發(fā)育，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，砂巖表面的裂隙孔洞進一步發(fā)育成為更大的裂隙，并且裂隙顯示出向巖石內(nèi)部生長的趨勢，同時巖石表面發(fā)生局部的剝落，歸納砂巖的劣化模式為剝蝕模式。
　　3)對凍融循環(huán)損傷砂巖的毛管浸潤試驗，其浸潤速率隨循環(huán)次數(shù)的變化過程反映出凍融循環(huán)兩個階段的損傷過程。定層面的CT掃描技術(shù)及毛管浸潤技術(shù)共

9、同印證凍融循環(huán)損傷過程中的層進式損傷變化，并建立了凍融循環(huán)損傷的層進式損傷模型：
　　階段一：損傷加深階段，掃描截面的1-4圈層損傷程度隨循環(huán)次數(shù)的加深而加深的變化規(guī)律，浸潤速率在此階段表現(xiàn)為浸潤速率隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而持續(xù)增加。
　　階段二：外層剝落損傷深入，最外圈層損傷達(dá)到一定程度后發(fā)生剝落，砂巖損傷圈層向內(nèi)部深入，且最外圈層始終未最大損傷層，浸潤速率此階段趨于穩(wěn)定值。
　　4)CT掃描和毛管浸潤技術(shù)對于巖石損傷