酸溶液作用下岸坡基座泥质灰岩劣化特征颗粒流分析_李念.pdf

DOI：10.19645/j.issn2095-0144.2022.10.009收稿日期：2022-08-27作者简介：李 念（1996-），男，重庆人，硕士研究生，研究方向：地质灾害致灾机理与减灾技术，E-mail：。酸溶液作用下岸坡基座泥质灰岩劣化特征颗粒流分析李念1，马垚1，姚学文1，罗文杰1，夏万春2（1.成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059；2.重庆交通大学 山区公路水运交通地质减灾重庆市高校市级重点实验室，重庆 400074）摘要：为研究岸坡基座泥质灰岩在不同酸环境作用下力学特性的变化，以泥质灰岩为研究对象，利用颗粒流PFC3D软件进行三轴压缩数值模拟，结合室内试验结果对比分析酸腐蚀对泥质灰岩应力应变的影响、力学性能劣化及破坏形式等基本规律。研究表明：随着酸浓度的增加，同一围压下泥质灰岩峰值应力及应变均有所降低，泥质灰岩力学性能劣化度随着酸浓度的增加而增加；泥质灰岩在干燥、pH=7、pH=5、pH=3环境下，应变均呈软化变形，且随着围压的增加应变软化有向应变硬化发展的趋势；泥质灰岩在酸作用下呈张拉形式破坏，且数值解与试验结果吻合度较高，所建模型及细观参数具备工程可用性。关键词：酸溶液；泥质灰岩；三轴压缩；PFC3D中图分类号：TU45文献标志码：A文章编号：2095-0144（2022）10-0039-04第 58 卷 第 10 期2022 年 10 月GANSU WATER RESOURCES AND HYDROPOWER TECHNOLOGY甘 肃 水 利 水 电 技 术Vol.58，No.10Oct.，20221前言泥质灰岩作为一种由多种矿物胶结而成的、含有微裂纹和孔隙的材料，在外部荷载及多种复杂环境因素作用下，其力学特性及内部结构会发生一定变化。库区基座岩体常处于浸湿或干湿循环作用下，且随着水质的变化常被不同pH值的水溶液反复腐蚀，这些腐蚀作用会对库岸边坡岩石的力学特性从宏细观方面产生不同程度的损伤和劣化，这将对三峡库区工程建设及水库运营产生重要影响。在酸腐蚀作用下岩石力学性能的损伤劣化、破坏模式及裂纹扩展等宏细观方面，谢妮等1以重庆二佛寺红层砂岩为研究对象，通过开展室内三轴压缩分级蠕变试验，研究了酸腐蚀状态下砂岩的蠕变特性。苗子臻等2采用室内长期加速腐蚀试验，对pH=1、pH=3、pH=5的盐酸以及pH=7的蒸馏水腐蚀作用下砂岩的单轴力学劣化特性进行系统研究，认为浸泡溶液pH值越小、浸泡时间越长，则岩样损伤软化效应越明显。李光雷等3认为自然状态和腐蚀后灰岩的应变率响应规律基本一致：随应变率增大，破坏模式由典型的劈裂破坏向拉剪混合、剪切破坏过渡，直至粉末状破坏。诸多研究表明，岩石在酸溶液作用下其力学性能变化较明显，且酸性越强，损伤劣化度越高，破坏特征越复杂4-7。为研究岸坡基座泥质灰岩在不同酸环境作用下力学特性的变化，作者以三峡库区库岸边坡泥质灰岩为研究对象，基于颗粒流PFC3D软件对其进行三轴压缩数值模拟试验，从宏细观角度分析泥质灰岩在不同酸作用下力学特性的变化规律、破坏模式，最后结合室内试验验证模拟可靠度。2PFC3D模型建立2.1试样生成如图1所示，PFC3D数值模型尺寸与试验保持一致，建立H=100 mm，D=50 mm的圆柱形试样，在指定的域（Domain）内生成5621个粒径1.7 mmR1.8mm图1泥质灰岩试样PFC3D模型及胶结状态示意图100 mm50 mm392 MPa4 MPa6 MPa8 MPa4035302520151050应力/MPa0.00.51.01.52.02.53.03.5应变/%2 MPa4 MPa6 MPa8 MPa（b）pH=74035302520151050应力/MPa0.00.51.01.52.02.53.03.5应变/%（d）pH=3（a）干燥4035302520151050应力/MPa0.00.51.01.52.02.53.0应变/%2 MPa4 MPa6 MPa8 MPa2 MPa4 MPa6 MPa8 MPa4035302520151050应力/MPa0.00.51.01.52.02.53.03.5应变/%（c）pH=5图2围压2 MPa、4 MPa、6 MPa和8 MPa时的-曲线的颗粒，孔隙率取0.4，颗粒密度为2 300 kg/m3，阻尼系数为0.7。采用线性模型（Linear Model）和线性平行黏结模型（Linear Parallel Bond Model）。2.2边界伺服岩石三轴压缩试验模型边界是由侧向圆柱形墙体、上刚性墙体和下刚性墙体构成，利用伺服机制调整侧向圆柱形墙体的速度来对试样施加恒定的围压，而上墙体、下墙体被用作刚性加载板，通过上下相向缓慢移动对试样进行轴向加载，且加载中上墙体、下墙体的轴向移动速度均被设置为某个定值8-12。2.3宏细观参数标定在模型建立过程中，为更好地反映真实试件的力学特性，需将试验所得宏观参数与模拟所需参数匹配，从而对模拟试件的宏细观参数进行标定。3PFC3D模拟结果分析3.1应力-应变关系图2为泥质灰岩在不同pH环境下，围压分别为2 MPa、4 MPa、6 MPa和8 MPa时的应力应变曲线。从图2中可以看出，随着围压的增加，岩石应力应变随之增大，曲线变化过程可分为弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏阶段。由于PFC3D数值模拟过程中，球体是在达到初始应力平衡后再进行加载，因此在应力达到峰值前无压密阶段，而是一开始就直接进入弹性变形阶段。在弹性变形达到初始屈服后，应力应变曲线呈上凸形变化，切线斜率逐渐减小，该阶段伴随有微裂纹的产生，岩石进入塑性变形阶段。塑性变形达到峰值后，应力应变曲线快速下降，岩石进入破坏阶段，内部裂隙数量快速增加，持续时间随围压的增加而增加。2022年第10期甘肃水利水电技术第58卷40（c）6 MPa20181614121086420应力/MPapH=3pH=5pH=7干燥0.00.51.01.52.02.53.0应变/%pH=3pH=5pH=7干燥pH=3pH=5pH=7干燥pH=3pH=5pH=7干燥0.00.51.01.52.02.5应变/%（d）8 MPa2520151050应力/MPa应变/%应变/%35302520151050应力/MPa0.00.51.01.52.02.53.03.50.00.51.01.52.02.53.03.54035302520151050应力/MPa图3pH=3、pH=5和pH=7及干燥环境下的-曲线（a）2 MPa（b）4 MPa3.2酸溶液pH对劣化特征的影响图3为酸溶液pH对泥质灰岩劣化特征的影响曲线。由图3可知，泥质灰岩在干燥、pH=7、pH=5和pH=3环境下，应力达到峰值后，曲线呈上凹形态，应变均呈软化变形，且随着围压的增加，应变软化有向应变硬化发展的趋势，这说明围压的变化是应变软化向硬化过渡的影响因素之一。随着酸浓度的增加，同一围压下峰值应力及应变均有所降低，说明酸的腐蚀作用对泥质灰岩力学性能造成劣化，且劣化度随着酸浓度的增加而增加。泥质灰岩在不同酸溶液浸泡过程中矿物元素会以离子析出，导致水溶液矿化度增高，由于矿物元素具有活泼性，会与溶液中的H+及OH-等发生化学反应。反应过程中，某些离子向水岩界面运移，在水岩界面处与矿物元素进一步反应，反应完成后的生成物与水岩界面脱离接触，最后离子扩散且脱离岩石体。因此，岩石孔隙度将随化学腐蚀作用的进程而逐渐增加，最后导致岩石在压缩过程中的力学性能劣化。3.3不同pH下泥质灰岩压缩破坏特征图4为pH=3环境下泥质灰岩PFC3D三轴压缩破坏特性，图5为泥质灰岩破坏后的胶结状态。根据前文应力应变曲线及图4和图5中的破坏特征，结合室内试验，泥质灰岩破坏形式可判断为脆性张拉破坏，且破坏裂纹随围压的增大而增多。4对比试验分析图6为PFC3D模拟及室内试验结果应力莫尔圆对比图。根据破坏准则，应力莫尔圆与包络线相切时，岩石破坏，且包络线在y轴的截距则为岩石黏聚力c，倾角为内摩擦角。由图6可知，PFC3D模拟值c=2.79 MPa，=32.13，试验值c=2.71 MPa，=32.58。第10期李 念，等：酸溶液作用下岸坡基座泥质灰岩劣化特征颗粒流分析第58卷41（a）PFC3D模拟（pH=3）（b）试验（pH=3）图6应力莫尔圆对比2 MPa4 MPa6 MPa8 MPa包络线剪应力/MPa2520151050010203040正应力/MPa剪应力/MPa2520151050010203040正应力/MPa2 MPa4 MPa6 MPa8 MPa包络线5结论（1）选取三峡库区库岸边坡泥质灰岩为研究对象，基于颗粒流PFC3D软件对其进行三轴压缩数值模拟试验，模拟结果与试验值有较高的吻合度。（2）随着酸浓度的增加，同一围压下泥质灰岩峰值应力及对应应变均有所降低，酸的腐蚀作用对其力学性能造成劣化，且劣化度随着酸浓度的增加而增加。（3）泥质灰岩在干燥、pH=7、pH=5和pH=3环境下，应变均呈软化变形，且随着围压的增加，应变软化有向应变硬化发展的趋势，围压的变化是应变软化向硬化过渡的影响因素之一。参考文献：1谢妮，王丁浩，吕阳，等.酸腐蚀作用下川渝红层砂岩蠕变特性试验研究J.地质科技通报，2022，41（5）：141-149.2苗子臻，李曙光，霍润科，等.受酸腐蚀砂岩力学特性及其统计损伤本构模型J/OL.铁道学报，（2022-03-20）2022-08-27.https：/ MPa（b）4 MPa（c）6 MPa（d）8 MPa图4模拟试件破坏特征（a）2 MPa（b）4 MPa（c）6 MPa（d）8 MPa图5模拟试件破坏后的胶结状态（下转第48页）2022年第10期甘肃水利水电技术第58卷42比处理4高2272.90kg/hm2，比处理5高742.92kg/hm2。通过对模拟产量与水分利用率的综合考虑，将处理3玉米拔节期末的土壤储水量134.40 mm作为最优值，处理6玉米抽雄期末的土壤储水量164.73 mm作为最优值。4.2.3 各生育阶段期末土壤含水率图2呈现了遗传算法优化时处理3、处理6分别在拔节期末、抽雄期末土壤储水量的变化过程。由图2(a)可知，处理3中玉米拔节期末土壤储水量在135.0134.4 mm间变化；由图2(b)可知，处理6中玉米抽雄期末土壤储水量在 164.7163.2 mm 间变化。由于上述土壤储水量变化过程都是在不同灌水量下的最优值，所以将这一过程中的土壤储水量最大值作为玉米在该生育期末土壤最适宜含水量的上限，将模型对该生育期末土壤储水量的约束下限作为最适宜土壤含水量的下限。玉米拔节期最适宜土壤含水量的范围为134.4135.0 mm，抽雄期最适宜土壤含水量的范围为163.2164.7 mm。将土壤含水量范围用式(10)、式(11)转换为占田间持水率的体积含水率，则拔节期为70.0%70.3%，抽雄期为85.0%85.8%。5结论基于试验数据，利用水量平衡原理推求玉米各生育阶段的腾发量，并以Jensen模型为基础建立玉米的生产函数。同时以作物水分生产函数为目标函数，以灌水量和玉米各生育阶段末的土壤储水量为决策变量，运用遗传算法对土壤储水量进行优化，进而获得最优适宜土壤含水率范围，主要结论如下。（1）在玉米拔节期，当土壤含水率为 70.0%80.0%时，玉米的日腾发量为3.9 mm/d；在玉米抽雄期，当土壤含水率为85.0%95.0%时，玉米的日腾发量为9.6 mm/d。这两种情况下玉米产量较大，分别为15 004.990 kg/hm2、16 637.401 kg/hm2。（2）玉米作物水分生产函数中苗期、拔节期、抽雄期、灌浆期和成熟期的敏感指数分别为0.113 5、0.307 1、0.564 0、0.272 7和0.201 4。（3）根据遗传算法优化模型，玉米拔节期的最适宜土壤含水率范围为70.0%70.3%，抽雄期的最适宜土壤含水率范围为85.0%85.8%。参考文献：1渠志刚，薛晓琴.玉米节水灌溉试验研究J.山西水土保持科技,2001,38(1)：24-25.2李忠，于秀琴，陈艳，等.辽西地区玉米灌溉制度试验研究J.现代农业科技，2012，41(18)：21-22.3刘玉洁，李援农，李方红，等.膜孔灌溉条件下玉米灌溉制度试验研究J.中国农村水利水电，2006，48(6)：63-65.4罗金耀.节水灌溉理论与技术M.第2版.武汉：武汉大学出版社,2003.5沈荣开，张瑜芳，黄冠华.作物水分生产函数与农田非充分灌溉研究述评J.水科学进展，1995，6(3)：248-253.6郭元裕.农田水利学M.第3版.北京：中国水利水电出版社,1997.（a）处理3拔节期末土壤储水量变化拔节期末土壤储水量/mm135.1135.0134.9134.8134.7134.6134.5134.4134.3134.2134.1150 170 190 210 230 250 270 280 290 300 310 320灌水量/mm图2土壤储水量随不同灌水量变化曲线150190210250290320340360165.0164.5164.0163.5163.0162.5162.0抽雄期末土壤储水量/mm灌水量/mm（b）处理6抽雄期末土壤储水量变化三轴压缩变形破裂与声发射特征研究J.工程地质学报，2022，30（4）：1169-1178.11陈鹏宇，孔莹，余宏明.岩石单轴压缩PFC2D模型细观参数标定研究J.地下空间与工程学报，2018，14（5）：1240-1249.12谢世杰，林杭，陈怡帆，等.一种岩石在三轴压缩条件下的非线性经验强度准则（英文）J.Journal of CentralSouth University，2021，28（5）：1448-1458.（上接第42页）2022年第10期甘肃水利水电技术第58卷48