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【ISCO】佳文速遞 | TOP 期刊 RMRE – 中國礦業大學(北京)孫曉明教授：水吸收微觀特徵與白雲岩降解機制研究

2025-09-23

文章訊息
文章標題
Study on Microscopic Characteristics of Water Absorption and Degradation Mechanisms in Dolomite
來源期刊
Rock Mechanics and Rock Engineering
文章作者
Fukun Shi, Xiaoming Sun*, Linsen He, Zhigang Tao, Yong Zhang, Chengyu Miao, Chengwei Zhao
合作單位
。中國礦業大學(北京)內蒙古研究院
。中國礦業大學(北京)隧道工程國家重點實驗室
。中國礦業大學(北京)力學與建築工程學院
。中國地質大學(北京)工程技術學院
。中國科學院武漢岩土力學研究所岩土力學與工程國家重點實驗室
DOI
https://doi.org/10.1007/s00603-025-04623-4

摘要譯文

為研究水環境作用下白雲岩的微觀演化及力學損傷規律，本研究以雲南滇中引水工程白雲岩地層為研究對象，探討了壓力吸水條件下白雲岩的微觀結構機制及失穩破壞特徵。研究揭示了不同圍壓下白雲岩微孔隙結構的演化規律，並基於能量耗散規律提出了飽和白雲岩失穩破壞的判據。此外，基於三維重建技術，獲得了水-壓共同作用下白雲岩裂隙分佈規律。相關實驗結果可為現場工程建設提供理論參考。

研究背景

岩石內部微觀結構在水的作用下發生變化，導致圍岩力學強度降低，引發隧道開挖過程中的塌方、突泥湧砂等工程問題，嚴重影響施工人員安全並阻礙工程進度。隨著中國西南地區水利工程建設加速，該區域碳酸鹽岩地層與水的耦合作用引發的工程災害受到廣泛關注。因此，研究水-壓共同作用下白雲岩微觀結構演化規律與力學特性對水利工程建設具有重要意義。

創新點

得到了不同圍壓下白雲岩微觀結構的演化規律
揭示了不同圍壓和含水飽和度下裂紋擴展模式
確定了峰值強度隨吸水時間變化的曲線函數
建構了應變-能量耗散比斜率值變化圖

研究方案

研究對象
取自雲南滇中引水工程小鋪隧道的白雲岩，埋深 80 – 240 m，主應力範圍為 2.4 – 7.8 MPa。
試驗方案
- 圍壓設定：0、2、5、8 MPa
- 含水飽和度梯度：0%、25%、50%、75%、100%
- 標準圓柱試體 (Φ 50 mm × 100 mm)
試驗設備
- 壓力吸水 – 核磁共振線上監測一體化實驗系統
- 多場耦合應力實驗系統
- CT 掃描設備
- DSZ – 2000 水 – 岩耦合三軸試驗機

研究內容

白雲岩吸水特性
透過核磁共振 T2 譜分析發現，白雲岩 T2 譜峰值主要分佈在 10 – 100 ms 範圍。隨著圍壓從 0 MPa 增加到 8 MPa，T2 譜峰值從 474.25 增加到 827.73，顯示壓力增加使水分子進入更細小的孔隙。質量增量與時間的關係符合公式：
Q = Ae^(-T/B) + C
隨著圍壓從 0 增加到 8 MPa，飽和吸水質量從 5.54 g 增加到 8.32 g，吸水速率加快。
不同含水狀態下白雲岩力學特性
應力-應變曲線顯示，與乾燥狀態相比，飽和狀態下白雲岩峰值應力降低達 52.27% – 66.33%。隨著圍壓增加，殘餘應力比逐漸增大，含水樣品表現出較小的殘餘應力衰減比。
峰值強度與含水飽和度呈線性關係，隨著含水率和應力增加，樣品抗變形破壞能力下降。
同含水狀態下白雲岩力學與微觀結構演化法則
透過歸一化曲線分析孔隙分佈：
0 MPa：中孔 (52.76% – 57.12%) > 大孔 (42.88% – 47.24%) > 微孔 (0%)
8 MPa：大孔 (44.49% – 49.27%) > 中孔 (43.78% – 45.98%) > 微孔 (6.36% – 8.31%)水分子進入孔隙的速率順序隨圍壓變化：
0 MPa：微孔 > 大孔 > 中孔
8 MPa：大孔 > 微孔 > 中孔建構了圍壓條件下白雲岩原生裂隙網絡吸水模擬圖，顯示水優先進入大裂隙網絡，其次是中裂隙網絡，最後是微裂隙網絡。
白雲岩能量演化分析
4.1 能量計算方法
總能量密度 u = 彈性能量密度 u^e + 耗散能量密度 u^d4.2 能量演化規律
隨著加載應力增加，白雲岩總能量密度、儲能極限密度和耗散能量密度均增加。含水飽和度增加導致儲能極限密度降低，如 5 MPa 圍壓下，含水飽和度從 0% 增加到 100% 時，儲能極限密度從236.70 kJ·m^-3 降至 93.59 kJ·m^-3。4.3 能量耗散失穩判據
定義能量耗散比 K^u = u^d/u^e，可分為四個階段：
I 階段 (壓密階段)：能量耗散比較高
II 階段 (彈性階段)：能量耗散比較低
III 階段 (塑性階段)：K^u 增大但仍小於 1
IV 階段 (峰後階段)：K^u 超過 1建構了應變-能量耗散比斜率值變化圖，發現隨著含水量和圍壓增加，斜率值整體呈現上升趨勢。
討論
CT 掃描和三維重建顯示：
- 0 MPa下破壞模式複雜，呈 X 型共軛剪切破壞
- 圍壓增加使破壞複雜度降低
- 含水飽和度增加也降低破壞複雜度
- 裂縫孔隙度與含水飽和度呈線性遞減關係。

關鍵結論

樣品 T2 譜峰值和質量增量隨圍壓增加而增加，建立了質量增量與時間的關係式。峰值強度與含水飽和度呈線性關係，獲得了峰值強度隨吸水時間的演化曲線。
利用歸一化公式分析了水-壓共同作用下微觀結構中水分子百分比含量的變化，確定了圍壓作用下水進入不同孔隙結構的大小。考慮不同尺度孔隙的吸水速率，建構了圍壓條件下白雲岩原生裂隙網路吸水模擬圖。
隨著施加應力和圍壓增加，白雲岩的總能量密度、儲能極限密度和耗散能量密度都增加。水的存在削弱了白雲岩的抗變形能力。隨著圍壓增加，白雲岩的裂縫孔隙度呈現減少趨勢。此外，裂縫孔隙度與含水飽和度呈線性關係，隨含水飽和度增加而增加。
比較分析了水-壓共同作用下樣品臨近破壞時能量耗散比的演化規律。透過分析能量耗散比差值與應變差值的比值 K^u_k，建構了水-壓共同作用下應變-能量耗散比斜率值變化圖。整體而言，樣品臨近破壞時，應變-能量耗散比的斜率值隨含水量和圍壓增加而增加。