第一章 绪论
1.1 研究背景和意义
岩石是由矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律聚集而形成的自然集合体。岩石是自然界中最复杂的材料之一，有其自身的矿物成分、结构和构造，同时岩石又是一种非均质、有缺陷的材料。自然界中的岩石在周围环境（温度场、力场、化学场、地下水）的影响下，其自身的物理化学性质也在发生不同程度的变化。在影响岩体变形和力学稳定性的诸多因素中，水岩相互作用一直占据着十分重要的位置，岩体受到化学腐蚀作用导致结构破坏而产生失稳的现象也是层出不穷[1]。化学作用通常可以降低岩石强度而加速岩石的破裂，这对岩体工程的稳定是不利的。实际岩体工程中，岩体总是存在裂隙的，岩体中的节理裂隙在地应力的作用下承受着拉伸、挤压、剪切等变形，裂隙面成为应力释放或集中的关键部位，其性质往往控制着整个岩石结构体的力学稳定性[2]。许多情况下，化学溶液对岩体的腐蚀也是从岩体的节理面开始的。由于岩石工程所处的温度环境各不相同，温度因素也在相当大的层度上决定岩石材料的许多方面物理力学性质，强烈影响到裂隙行为，在不同温度环境下裂隙岩体结构特性将发生极其复杂的变化[3]。温度升高将在岩体内产生热应力，进而加剧化学溶蚀和结晶过程，改变微结构，从而改变岩石的强度和变形性质[4]。鉴于裂隙岩体赋存环境的多样性，对裂隙岩体在温度-应力-化学耦合作用下稳定性、断裂机理和损伤特性的研究具有重要的理论意义。
广西桂林山体多以石灰岩为主，受常年风化和雨水冲刷的影响，节理裂隙十分丰富。带有节理裂隙的山体受到地震、地下水活动、人类活动和气候条件等因素的影响常常诱发危岩崩塌，危岩失稳崩塌尤其是拉剪型危岩失稳是一种突发性强、危害性大、覆盖范围广的山地自然灾害，桂林市每年均会发生多起危岩崩塌落石案例（如图 1.1），对居民日常生活、交通运输安全和旅游业的发展都造成了极大的影响。桂林境内气候温和，雨量充沛，热量丰富，且雨热基本同季。正常的降雨对人类和整个生态系统是必不可少的，然而近年来，随着工业化进程的不断发展，石油和煤炭等不可再生资源的大量消耗，使桂北地区的雨水呈酸性。常年湿热多雨，带有裂隙的危岩体在长期的化学侵蚀作用下更容易发生变形失稳。因此，困扰危岩预报治理的主要问题之一就是在自然环境中温度-应力-化学复杂条件耦合作用下裂隙岩体的劣化失稳问题。另外，裂隙岩体的多相场耦合过程研究也是国际岩石力学领域最前沿的课题之一，是隧道工程、地下工程、土石坝工程和边坡工程等众多与水相关的岩石工程的最基础性研究课题之一。因此，阐明力-温度-化学耦合作用过程及裂隙岩体劣化机制不仅是解决裂隙危岩失稳问题的关键，也对岩体工程的基础性研究具有重要的科学意义。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 岩体热-力-化学耦合研究现状
1.2.1.1 岩体热-力耦合试验研究现状
自然界中存在的岩石大多数是含有裂隙的，温度升高不可避免的会对裂隙的扩展贯通造成一定的影响，同时温度作用也会促使岩体产生更多的次生裂隙和孔隙[5]。裂隙和孔隙的存在决定了岩体的微观结构，进而对力学性能产生影响。近些年来，国内外学者对温度作用下的岩石力学性能开展了一系列的研究。蔡燕燕等[6]进行了花岗岩经历 25℃~900℃作用后的单轴压缩和三轴围压卸荷试验,研究温度作用对花岗岩变形特性、力学参数及破坏形态的影响。方新宇等[7]进行了不同温度作用后的花岗岩巴西圆盘劈裂试验，得出了花岗岩的劈裂破坏抗拉强度、荷载–位移曲线并观察了其劈裂破坏形态。赵亚永[8]分析对比常温~800℃高温处理后的砂岩、花岗岩和大理岩纵波波速、孔隙率、弹性模量、峰值应力及应变的变化规律,并讨论其与微观结构变化的内在联系。陈国飞和杨圣奇[9]进行了大理岩常温到 800℃的单轴压缩试验，分析了高温后大理岩峰值强度、峰值应变、弹性模量、变形模量以及应力-应变全过程曲线等随温度的变化规律。研究表明：温度升高使大理岩由脆性破坏向延性破坏的变化的趋势。郭清露等[10]进行了不同温度作用后的大理岩单轴压缩试验，对声发射的全过程进行监测，研究其声破裂模式、起裂应力，得出了损伤应力取值范围和损伤演化规律及应力–应变模型。研究表明：温度升高，峰值强度降低而峰值应力增大，热损伤效应会导致岩石的声发射信号在前期比较活跃，进入弹性阶段后比较稳定。李建林等[11]通过进行高温后砂岩三轴卸荷试验，研究了温度与纵波波速和力学特性的关系。刘石等[12]对不同高温冷却作用后的岩样进行动态劈裂拉伸试验，研究表明：大理岩经过高温冷却后的动态劈裂抗拉强度明显提高且有先增大后变小的趋势。秦严等[13]对闪长岩热处理前后的物理指标进行研究，发现高温对闪长岩的物理指标影响显著。Bresser J H P D 等[14]进行了水流作用下高温作用对大理岩变形强度和微观结构。Chaki S 等[15]通过超声波测试砂岩的孔隙率和气体渗透率来表征岩石的热损伤和开裂情况。Shirley P. Dutton 和 Robert G. Loucks[16]使用 200 至 6700 米的地下岩样进行测试，发现砂岩表现出稳定的孔隙率，从 38℃时的平均 33％降至 132℃时的 12％，几乎没有在较高温度下额外损失。到 132℃时，大多数原生孔隙已经通过机械损失和石英胶结作用压实或堵塞。Hong Tian 等[17]通过对砂岩热机械过程中的分析计算和数值模拟来研究砂岩抗拉强度、单轴抗压强度和机械参数与温度之间的关系。Becattini V 等[18]研究了六种阿尔卑斯山岩石对高温填充床热能储存的适应性。
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第二章 试验材料与试验方法
2.1 试验材料 试验所选用的岩石为桂林石灰岩。石灰岩英文名称为 Limestone，简称灰岩，是碳酸盐岩的一种，颜色多为黄、浅红、褐红、灰、灰白、灰黑等，具有不大的硬度。石灰岩的主要化学成分是碳酸钙（CaCO3），碳酸钙易受风化侵蚀和水溶蚀影响，所以石灰岩大量分布地区常常出现石林和溶洞等地质奇观，称为―喀斯特‖地貌。石灰岩作为工业生产中的重要原材料，广泛应用于生产水泥、炼制钢铁、生产玻璃和烧制石灰，石灰岩岩石力学参数见表 2.1。
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2.2 试件的制作 本试验所选用的灰岩选自桂林市郊区某山体（如图 2.2），利用水钻法取得岩石试样如图 2.3。
将野外采集回来的石灰岩利用岩石切割机（如图 2.4）加工成 50mm×50mm×50mm的立方体试样（误差控制在 1%以内），试样表面尽可能保证平整光滑，无缺角和溶孔等缺陷。预制裂纹深度为 20mm，宽度为 1mm，角度为 90°。为了保证施加在试样表面的荷载受力均匀，试样表面必须平整。由于要保证预制裂纹的宽度达到较高的精度，对于裂纹的加工采用了带有超薄金刚石切片的宝石切割机，金刚石切片的厚度在 1mm 以内，切口深度为 24mm-25mm，裂缝切割方式如图 2.5 所示。在进行岩石切割和预制裂纹的加工时，为了避免岩石与金刚石切片之间的摩擦产生较高的温度，需要在切割的同时不停地往刀片和岩石上浇水以达到冷却降温的效果。试样制作完成后利用非金属超声波检测仪通过超声法对试样进行密实度的检测。根据试验需要，选取若干个密实度均匀的试样作为备用试样。
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第三章 单裂隙灰岩 TMC 耦合作用拉剪断裂破坏形式 ................................. 19
3.1 引言 ............................... 19
3.2 试验方法及过程 ............................... 19
3.3 岩石裂纹扩展过程分析 ............................... 20
第四章 单裂隙灰岩 TMC 耦合作用拉剪力学性能 .................................... 27
4.1 引言 .................................... 27
4.2 PH 值对岩石拉剪强度的影响 ................................ 27
4.3 温度对岩石拉剪强度的影响 .................................. 30
第五章 单裂隙灰岩 TMC 耦合作用下的微观试验研究 ................................. 37
5.1 引言 .................................................................... 37
5.2 试样浸泡前后矿物组成成分的变化 ......................... 37
5.3 试样表面腐蚀特征分析 ................................ 39
第五章 单裂隙灰岩 TMC 耦合作用下的微观试验研究
5.1 引言
水岩相互作用在宏观上表现为物理形态和力学性能的改变，在微观上则表现为内部微观结构的改变。水岩相互作用取决于岩石内部结构和矿物成分，岩石在水化学环境下其内部结构和矿物成分都会发生变化，岩石宏观力学性质的改变受到微观层面内部结构的影响。水岩通过发生反应不断改变其内部结构和表面性质，使岩石产生劣化损伤，从而对岩石的变形、破坏形式以及强度产生影响。因此，对裂隙岩体多场耦合的宏细观研究将成为未来岩石领域研究的重点。
本章在第四章单裂隙灰岩温度-应力-化学耦合断裂损伤宏观力学研究的基础上从桂北地区灰岩的地球化学特性出发，研究灰岩在温度-应力-化学耦合作用下内部矿物晶体和微观形态的变化特征以及水溶液 PH 值和离子溶度的变化规律，分析其变化原因，探讨灰岩热-力-化学耦合作用的反应机制，从微观角度揭示岩石温度-应力-化学耦合对裂隙岩体断裂破坏的影响。
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第六章 结论与展望
6.1 结论
随着全球气候环境的不断变化，实际岩体破坏过程中的断裂、变形、结构损伤等问题正在变得愈加复杂。影响岩石变形破坏的因素多种多样，其中温度、化学和物理力学因素尤为显著，近年来温度-应力-化学耦合作用下的裂隙岩石断裂问题逐渐成为岩石工程界关注的焦点问题。本文根据桂林地区的气候特征和工程地质条件，针对桂林地区常见的拉剪型危岩地质灾害，进行了不同温度、不同 PH 值的酸性溶液浸泡后的预制单裂隙灰岩拉剪力学试验，分析了单裂隙灰岩拉剪破坏的裂纹扩展规律，探讨了溶液 PH 值和温度对预制单裂隙岩石拉剪变形和力学特性的影响。通过对浸泡前后的岩石试样进行矿物成分分析、扫描电镜观察、X 衍射分析、质量损失分析以及对浸泡后溶液进行离子浓度分析。从微观角度验证宏观现象，研究了 TMC 耦合作用对单裂隙灰岩微拉剪力学性质劣化和损伤机理的影响。主要得到以下结论：
（1）在不同温度、不同 PH 值的溶液浸泡后的岩石在拉剪作用下的裂纹扩展规律基本一致：从预制裂纹是最底端开始开裂，然后裂纹向受压一侧沿一定角度（约 40 度）延伸产生翼型裂纹，翼型裂纹受到拉剪应力的持续作用并不断向临空面扩展，最终裂纹全部贯通到底部，临空一侧岩体掉落，加载结束。裂隙岩石的拉剪破坏大致可以分为三个阶段：第一阶段为拉剪到开裂，第二阶段为卸荷，第三阶段为扩展到贯通。
（2）PH 值对裂隙岩石变形及力学性能的影响主要有：化学腐蚀能够改变岩石的内部微观结构，降低矿物晶体之间的粘聚力，使岩石变得松散脆弱，更容易发生变形，同时水岩反应的放热作用也对岩石的结构损伤具有一定影响。宏观上主要表现在力学性能的降低，相同温度条件下溶液 PH 值越低（酸性越强），岩石的峰值强度和弹性模量越低。
（3）温度值对裂隙岩石变形及力学性能的影响主要有：温度能够使岩石内部晶体矿物产生体积膨胀和热应力，同时温度升高也会加快化学反应的速率，加剧岩石结构损伤。宏观上主要表现在力学性能的降低，相同 PH 值条件下温度越高，岩石的峰值强度和弹性模量越低。通过拉剪试验数据对比发现：在中低温条件下，无化学溶液腐蚀温度不能单独对岩石的力学性能产生较强影响；PH 值对岩石拉剪力学性能的影响要大于温度。
参考文献（略）