饱和-风干循环过程中砂岩次生孔隙率变化规律研究

三峡工程竣工后,库水每年将在145 m和175 m水位之间或缓慢或快速的升降,在库水位大幅度涨落的情况下,库岸边坡部分岩体处于“饱和-风干”的循环动态,水-岩循环作用将造成岩体性质劣化。据此,以三峡库区库岸边坡变幅带的砂岩为研究对象,设计了“饱和-风干”循环作用试验。试验结果表明,与常规浸泡试验相比,水压力的升、降变化和“饱和-风干”循环作用对岩体的损伤有累积放大作用,浸泡时水压力变化越大,对离子浓度和次生孔隙的影响越大,而且,“饱和-风干”循环次数越多,岩体的损伤越严重。提出了基于离子浓度变化计算岩石中次生孔隙率变化规律的方法,与实测次生孔隙率变化规律基本一致。因此,可以把这种方法应用到现场监测中去,通过长期监测离子浓度的变化来推测岩体中水化学反应发生的程度,以及次生孔隙率的发育情况。分析成果为研究库岸边坡岩体在“饱和-风干”循环过程中的岩体性质劣化规律奠定了一定的基础。     

水-岩相互作用对库岸边坡稳定的影响研究

在三峡水库运营后,将按计划进行周期蓄、排水。对于构成库岸边坡的岩体来说,将受到库水“饱水-风干”水-岩循环作用造成的岩性劣化,进而对坡体稳定性构成严重危害。以砂岩为代表岩体,通过试验模拟了库岸边坡岩体在库水涨落情况下水-岩作用的过程,得出了砂岩受库水“饱水-风干”水-岩循环作用后抗剪强度的劣化规律。结合试验结果,运用FLAC进行了水-岩循环作用下岸坡稳定性的数值模拟,为库岸边坡的稳定性分析提供了有益的依据。     

浸泡-风干循环作用下砂岩动力特性劣化规律研究

在库水的长期浸泡-风干循环作用下,库岸边坡岩体的动力特性变化规律直接影响其长期稳定性能,其中,消落带是库岸边坡稳定的敏感地带。因此,特选取三峡库区库岸边坡消落带典型砂岩为研究对象,设计了考虑水压力反复升降变化和浸泡-风干循环耦合作用的试验方案,对不同浸泡-风干循环作用周期的岩样进行单轴循环加、卸载动力响应试验。研究结果表明：随着浸泡-风干循环作用次数的增加,相同次数加、卸载循环作用时对应岩样的轴向应变、动应力-应变曲线的滞回圈面积逐渐增大,计算得到砂岩的阻尼系数、阻尼比逐渐变大,动弹性模量逐渐减小,说明浸泡-风干循环作用对砂岩动力特性的损伤是一种累积性发展的过程。最后,基于岩样的微观结构变化,对浸泡-风干水岩循环作用下砂岩动力特性劣化机制进行探讨。研究成果对库区大量存在的库岸边坡在考虑地震作用下的长期稳定性评价具有较高的参考价值。     

水−岩作用下砂岩力学特性及微细观结构损伤演化

在库水位反复升降作用下,库岸边坡消落带部分岩体处于浸泡―风干循环状态,其力学特性的劣化将直接影响库岸边坡的变形稳定。以三峡库区库岸边坡消落带砂岩为研究对象,设计并进行了考虑浸泡―风干循环和水压力升降变化的水?岩作用试验。结合SEM电镜扫描,分析了水?岩作用对砂岩微细观结构的影响,采用PFC2D离散元软件对水?岩作用下砂岩的劣化过程进行了模拟分析。研究结果发现：（1）水?岩作用下砂岩的力学性能劣化效应明显,弹性模量和单轴抗压强度总体呈现先陡后缓的劣化趋势,其中前6次的浸泡―风干循环作用导致的劣化效应尤为明显。（2）水?岩作用下砂岩的微细观结构变化特征明显,由较致密的孔隙式胶结结构逐渐向不规则的蜂窝状结构发展,宏观上就导致了砂岩变形和强度特性的劣化。（3）由PFC2D离散元模拟分析发现：水?岩作用导致岩石内部颗粒强度和颗粒间黏结强度逐渐劣化,非均匀性增强,荷载作用下的应变局部化特征逐渐明显,整体承载能力逐渐降低,破坏模式由典型的张拉破坏逐渐转变为剪切破坏。     

水-岩作用对砂岩卸荷力学特性及微观结构的影响

库岸坡岩体在工程建设中不可避免要遭遇开挖卸荷作用的影响,以三峡库区典型岸坡的层状砂岩为试验对象,设计开展了模拟库水位升降变化和浸泡-风干循环的水-岩作用试验,重点分析了水-岩作用对砂岩卸荷力学特性和微观结构的影响。研究表明：在10次水-岩作用过程中,砂岩的三轴卸荷强度、抗剪强度总体呈先陡后缓的劣化趋势,前4次水-岩作用的劣化速度较快,占总劣化度的70%左右,而后,劣化趋势逐渐趋缓;随着水-岩作用次数的增加,同一围压下岩样卸荷前的变形模量逐渐降低,围压卸载过程中变形模量的线性缓变阶段逐渐变短,非线性突变阶段逐渐变长、变缓,岩样的脆性特征逐渐减弱,塑性逐渐增强;水压力的反复升降变化和浸泡-风干循环作用对岩样造成了不可逆的渐进累积损伤,微观上岩样微裂纹、裂隙、孔隙逐步发育、汇集,宏观上就表现为孔隙率增加、三轴卸荷强度、抗剪强度的劣化。相关研究结论可为库岸边坡岩体开挖卸荷变形稳定分析提供参考。     

水-岩和循环加卸载次序作用下砂岩动力特性损伤演化规律

库岸边坡消落带岩体处于长期水-岩作用和频发中低强度水库地震作用之下,岩体的力学特性劣化直接影响库岸边坡的动力响应及抗震能力。基于此,模拟库岸边坡消落带的环境条件,设计进行了模拟库水位周期性升降变化过程的水-岩作用试验,在试验过程中采用循环加卸载方式模拟地震作用的影响,并重点考虑了水-岩和循环加卸载的次序作用。研究结果表明:(1)在水-岩作用下,岩样的动力参数总体呈先陡后缓的指数形式变化,考虑水-岩和循环加卸载次序作用后,岩样动力参数的劣化速度和劣化趋势明显增大,说明频发中低强度水库地震对长期处于水-岩作用环境的岸坡岩体损伤发育有明显的促进作用。(2)在水-岩作用和循环加卸载作用下,岩样的微细观结构由密实状态逐渐趋于松散,对应的完整性劣化系数和次生孔隙率亦呈现先陡后缓的变化趋势,其中,周期性水-岩和循环加卸载次序作用下岩样的微细观结构变化最显著,含初始循环加卸载损伤的岩样次之,单独水-岩作用下岩样的变化趋势最小,不同方案下岩样微细观结构的变化及差别也决定了其动力特性的劣化规律。(3)在长期水-岩作用和频发中低强度水库地震作用下,库岸边坡岩体内部的损伤会逐渐累积发展,直接影响库岸边坡的动力响应特性及抗震能力,因此,在库岸边坡长期抗震性能分析评价中,应该比较系统地考虑岸坡岩体动力特性的劣化规律。     

水岩作用下砂岩劣化损伤统计本构模型

水库蓄水运行后,库水位反复升降变化对库岸边坡岩土体来说是一种疲劳作用,水岩作用下边坡岩体力学性质的劣化将影响整个边坡的稳定。基于此,在前期浸泡-风干循环水岩作用试验数据分析基础上,根据水岩作用过程中砂岩三轴压缩试验应力-应变曲线的特点,借助连续损伤力学和统计理论,将浸泡-风干循环水岩作用的损伤效应耦合到损伤统计本构模型中,并重点考虑了压密段的影响,分段建立了水岩作用下砂岩的统计损伤本构方程。对比分析表明,所建立的分段统计损伤本构模型计算与试验曲线符合较好,说明所建立的统计损伤本构方程可以较好地反映砂岩在浸泡-风干循环水岩作用的损伤效应,在水岩作用过程中,本构模型第2段的Weibull分布参数m和F_0均逐渐减小,反映了水岩作用下砂岩脆性逐渐减弱,宏观强度逐渐降低的力学特性。研究成果对大量存在的库岸边坡长期变形稳定分析具有较好的参考价值,同时,相关分析方法也可以为类似试验提供参考。     

饱水条件下千枚岩软化效应试验分析

水岩作用是造成水库岸边坡岩体强度劣化的主要因素,尤其对于千枚岩这类特殊性岩体,遇水时强度劣化现象尤为明显。本文以某边坡千枚岩为研究对象,设计了在不同饱水条件下的岩石常规三轴压缩试验,并综合分析试验结果随饱水时间变化规律。研究结果表明:千枚岩与水作用反应强烈,前60d岩石力学参数随饱水时间增加呈近线性降低,至70d逐渐趋于稳定,岩石变形逐渐由弹性变形为主演变为塑性变形为主;各参数劣化规律具有明显的时效性与非均匀性,随饱水时间增长,总体衰减幅度呈先增加后减小,最终趋于平稳的趋势;根据破裂面的剪切破坏模式,得出岩石饱水是一种从微观到宏观的累计损伤过程。该研究成果对于研究水库岸边坡岩体力学性质变化规律具有一定的参考价值。     

基于平行黏结模型的水-岩作用下砂岩蠕变模拟及损伤机制研究

为探明库水位周期性升降作用下消落带岩体蠕变损伤机制,基于PFC中的平行黏结模型(parallel bond model, PBM),考虑水-岩作用对黏结的弱化和材料特性随时间的变化,提出水-岩作用下砂岩蠕变的离散元模拟方法,并在室内试验基础上开展水-岩作用下砂岩蠕变模拟。研究结果表明：在破坏应力水平下,试样微裂纹扩展与蠕变应变规律相似,可分为衰减扩展阶段、稳定扩展阶段、加速扩展阶段,且随水-岩作用周期增加,加速扩展阶段的耗时占总耗时的比例增大;试样蠕变破坏时,随水-岩作用周期增加,剪切裂纹占比逐渐增加,微裂纹倾角分布逐渐分散,倾角分布在65°和115°附近的微裂纹逐渐增加,试样的张性破坏减弱,剪性破坏增强;水-岩作用下,试样能储存的最大胶结能不断降低,且储存相同胶结能时对应的应变不断增大,与实际岸坡在水-岩作用下岩体整体承载能力降低、变形增大的规律一致。提出的水-岩作用下砂岩蠕变模拟方法具有较好的可行性,为库岸边坡岩石在库水位升降影响下的模型研究提供理论基础。     

考虑不同影响因素的砂岩损伤特征及其卸荷破坏细观特性研究

实际赋存环境中损伤岩体普遍存在,选取典型砂岩进行蠕变、饱水损伤模拟,进行不同影响因素作用下的岩样损伤变量分析计算,并进行不同影响因素作用下的损伤砂岩卸荷破坏试验,利用ST400型三维表面形貌仪对损伤砂岩卸荷破坏表面进行形貌特征参数对比分析,探讨蠕变、饱水损伤对卸荷破坏面形貌变化影响机制。通过损伤变量分析表明:弹性模量法能较好地反映不同影响因素作用下的岩样损伤程度;而超声波检测法对水敏感性强,不能准确描述蠕变劣化岩样饱水后的损伤程度。不同损伤程度试样卸荷破坏面形貌高度特征参数及分形参数分析表明:蠕变、饱水损伤增加了破坏面的整体粗糙程度,使破坏面形貌的离散性和波动性较大;蠕变、饱水损伤导致试样破坏面形貌平整度较低、各向异性显著,且分形维数随着试样由负损伤向正损伤转化出现先减小后增大的趋势;对比分析两组试样可知,蠕变损伤后的饱水作用对试样破坏面形貌特征影响不显著,蠕变损伤仍起控制作用。     

蓄水对三峡库区土石混合体直剪

在三峡库区滑坡体中大量存在的土石混合体是一种不同于土和岩体的高度非均质不连续体。基于三峡库区水位涨落将引起土石混合体含水率变化的特点,研究了土石混合体在不同含水状态下直剪强度参数的变化规律,并在大量的试验基础上建立了c,φ值与含水率之间的关系式,得出了不同碎石含量下c,φ值随着含水率变化的弱化公式,为评价三峡库岸稳定与治理提供了量值依据。     

空隙特征对砂岩水致劣化规律的影响

针对南京秦淮东河开挖后的稳定性问题,选取黄马青组（T2h）砂岩为研究对象,对砂岩在吸水-干燥循环条件下的单轴抗压、抗拉特性进行试验研究。考虑到未来边坡运营过程中水的影响,试验时分别考虑自然吸水和饱和吸水两种情况。根据试验结果对所研究砂岩的空隙特征、水致劣化特征和劣化机制进行了详细分析。随着吸水-干燥循环次数增加,岩石的抗压、抗拉强度和凝聚力均呈劣化趋势,说明循环次数的增加对岩石的损伤有累积作用。岩石自然吸水条件下（小开空隙未进水时）强度和弹性模量下降速度较慢,而饱和吸水条件下（开空隙被水充满时）强度和弹性模量下降速度较快,表明岩石中小开空隙对岩石的劣化效果显著。微观结构分析结果表明,随着吸水-干燥循环次数增加,岩石中空隙率增大。结合抗剪强度特征分析认为,干-湿循环导致岩石的黏结强度不断下降,而摩擦强度变化较小,表明黏结强度劣化是岩石水致劣化的主要原因,干-湿循环导致水-岩反应,岩石颗粒胶结物发生松散,边缘发生开裂,宏观上表现为岩石劣化。该研究成果对于新开挖河道边坡稳定性分析具有较大的参考价值,为河岸边坡的长期稳定性分析提供了依据。     

基于岩体劣化顺层灰岩岸坡滑移-弯曲失稳机理和评价

三峡库区在高程145~175 m之间周期性水位调控,促使库区灰岩岸坡劣化损伤加剧、稳定性衰减。本文结合巫峡段顺层灰岩岸坡“滑移-弯曲”破坏实例,基于弹塑性板翘曲模型,考虑岩体动态劣化概念,结合广义H-B准则中GSI(t)岩体参数动态指标,推导得临界挠曲段平衡方程。与传统静态计算方法相比,适用性更广,可以考虑岸坡随劣化时间t动态演化过程,更加符合工程实际。结果表明:随着劣化进行临界挠曲段l_cr逐步降低,岸坡稳定状态变差,下滑推力F逐步增大,抗弯刚度K逐渐减小,也正是这两方面因素导致l_cr快速降低。由于岩体劣化函数GSI(t)为指数劣化形式,故l_cr呈现出快速降低并趋缓直至逼近一定值,该区段为岸坡防治的“关键区段”;随着岩层倾角α增大,l_cr与相对板长比RPL快速降低,随着岩层厚度h_i增大,l_cr与RPL缓慢变大,α对l_cr与RPL的影响明显大于h_i。且岸坡l_cr快速下降角α大约在40°~60°,可作为类似顺向岸坡是否容易滑移-弯曲失稳的地质判据。本文推导的考虑岩体劣化的临界平衡方程,以三峡库区青石6号岸坡为例进行了计算、论证。可为其他类似顺层岸坡损伤演化计算提供借鉴,不同之处在于确定具体岸坡损伤劣化的GSI(t)函数式。     

三峡水库碳酸盐岩区岩溶作用与斜坡破坏

三峡水库峡谷区矗立着大量岩溶不稳定库岸,危及长江黄金水道安全。采用野外勘查和力学分析,对三峡库区碳酸盐岩区岩溶作用与斜坡破坏关系进行深入研究。野外勘查发现,三峡库区碳酸盐岩库岸存在许多与溶洞、溶隙、溶蚀带、溶槽、溶沟等表层岩溶作用有关的斜坡不稳定现象。巫峡段库岸内共发育岩溶地质灾害及隐患点186处,其中滑坡隐患点37处,大型以上危岩体6个。岩体力学分析表明:强降雨、蓄水和岩体劣化会因为有效应力减少、强度下降而造成破裂的节理/裂隙逐渐扩大。同时,水位变动带岩体劣化的裂缝扩展速率比三峡的平均溶蚀率高出约1 300倍,极大地加快了已经进入屈服状态的不稳定岩体的演化进程。溶蚀作用是岩溶岸坡中最基本的作用,库水长期波动加快了岩溶岸坡演化。本次研究将为三峡库区峡谷段不稳定库岸识别和防灾减灾提供技术支撑。      

基于水-岩相互作用的泥岩库岸时变稳定性分析

为探寻云南省富宁港区泥岩库岸在水-岩相互作用下的稳定性演变规律,通过富宁港区一期工程现场采集泥岩试样,经过不同次数的干湿循环后,进行常规三轴压缩试验。将得到的岩石抗剪强度参数进行工程转换,经回归分析后构建泥岩岩体综合抗剪强度参数概率分布的时变模型。结合极限平衡法和可靠性理论,得到水-岩相互作用下泥岩库岸中值安全系数、可靠度及可靠安全系数的时变规律。分析结果表明,在水位反复升降作用下,综合二元指标的可靠安全系数能更合理地分析泥岩库岸稳定性;库岸整体稳定程度呈现出非线性衰变特点;库岸最危险滑动面表现为由内向外的渐进性破坏。以试验为基础,提出的泥岩库岸时变稳定性分析方法为研究水位周期性涨落下库岸的稳定性演变规律提供了一条有效途径。