红山窑红砂岩膨胀变形和软化特性试验研究

以南京红山窑水利枢纽工程所提供的基岩红砂岩岩芯为例，采用MTS815．02型岩石刚性伺服试验系统和岩石膨胀测量仪，对风化红砂岩进行膨胀变形及力学特性试验研究。试验结果表明：红砂岩膨胀应变随吸水率增加而呈对数增长，红砂岩弹性模量、抗压强度随吸水率增加而呈对数减小，而泊松比随吸水率增加而呈对数增大，由于含水率的变化使膨胀岩发生了显著的软化现象。研究成果为工程地基稳定性分析提供了可靠的理论依据。     

南京红山窑第三系红砂岩膨胀变形性质试验研究

针对原状红砂岩具有自由膨胀率为3.5 %、而膨胀力高达270 kPa、干燥岩样峰值强度为5.85 MPa、饱和岩样抗压强度仅为0.20 MPa等这些特殊性质的膨胀岩,采用MTS815.02型岩石力学刚性伺服试验机与自行研制的岩石膨胀测量仪,进行了不同含水率红砂岩膨胀变形性质试验。结果表明：(1) 在低荷载状态下,红砂岩膨胀应变随着含水率增加而呈对数形增长;(2) 在高荷载作用下,红砂岩膨胀应变与吸水率之间存在着线性关系;(3) 红砂岩吸水膨胀应变在较短的时间内基本完成,随着时间的延长,膨胀变形将趋于稳定。在此基础上,提出了确定膨胀稳定时间的理想概化数学模型。研究成果对南京红山窑水利工程膨胀岩地基处理方案设计、施工具有重要的指导意义。     

红山窑风化红砂岩膨胀机制微细观分析

通过扫描电镜,将红山窑风化红砂岩吸水前后的颗粒组成结构图放大300倍,从微细观方面揭示了红山窑全、强、中、弱不同风化程度的膨胀红砂岩吸水膨胀的全过程：吸水→水化→体积增加→产生膨胀力→膨胀力超过极限→崩解。从这一过程可以看出,膨胀岩的膨胀变形特性主要是由于膨胀岩中的部分矿物具有亲水性,遇水后发生水化反应而导致体积增 大,并引起膨胀应力;当膨胀力超过胶结物的粘结力时,就发生崩解;对于不同风化程度的膨胀岩,随着风化程度的加深,其吸水膨胀的过程越快,达到崩解的时间越短。     

红砂岩风化土湿化特性的三轴试验研究

针对红砂岩风化土遇水易湿化、崩解,从而影响路基填筑体稳定性的问题,选取某高速公路红砂岩风化料,采用单线法,在两种密度条件下进行了三轴湿化变形试验,分析了密度、围压和应力水平对湿化轴向应变的影响规律,并对湿化后试样的后续剪切强度进行了研究。试验结果表明:随着围压的增大和应力水平的提高,红砂岩风化料的湿化轴向变形有明显提高;而随着密实度的增加,湿化轴向变形有所减小。同一围压下,湿化轴向应变随着应力水平的增长而增大,两者近似呈线性关系。湿化后试样的峰值强度随应力水平的增加略有降低,而且普遍低于饱和状态试样的峰值强度。     

红砂岩吸水软化及冻融循环力学特性劣化

水与温度变化是工程岩石物理力学性能劣化的典型风化因素。对不同含水状态及经受不同次数冻融循环损伤后的红砂岩岩样进行了单轴压缩、劈裂拉伸及变角剪切试验。结果表明,红砂岩抗压强度、弹性模量、劈拉强度、黏聚力及内摩擦角等主要力学指标随含水率和冻融循环次数的增大均有不同程度的降低,但降低规律有所不同。水对岩石有明显的软化作用,冻融循环累积损伤显著。利用微观电镜扫描分析了不同含水率及冻融损伤后岩样微观结构的变化规律,认为吸水及冻融循环过程中水对红砂岩的软化表现为溶蚀作用与介质作用,温度变化的作用表现在热变形不协调和相变作用。提出了冻融循环作用下红砂岩力学特性衰减模型,并据此分析了各力学指标的衰减速率和半衰期。该研究结果对涉水岩石工程及寒区岩石工程具有一定的意义。     

荆门非饱和膨胀土的变形与强度特性试验研究

通过压力板试验,对比分析了荆门原状膨胀土与石灰改良土持水特征的差异性;应用非饱和土三轴仪,开展了原状膨胀土、石灰改良膨胀土与重塑膨胀土的变形及强度特性试验。结果表明：①石灰改良膨胀土与原状膨胀土相比,其进气值有显著降低,残余含水率显著升高,土-水特征曲线两个特征点的斜率较为平缓,说明其水稳定性较好,土体性状更为稳定;②原状膨胀土和石灰改良膨胀土在非饱和与饱和状态的应力-应变关系曲线均呈应变软化型,随净围压的增大,应变软化的程度趋缓;随含水率的减小,峰值应力增大,应力峰值点有所提前,应变软化现象更加显著。饱和重塑膨胀土的应力-应变关系呈应变强化型,非饱和重塑膨胀土则呈现为应变软化型,但其应变软化的程度较前两类土大为趋缓;③经石灰改性后,膨胀土强度参数值有大幅度提高,即使在湿化饱和后,石灰改良膨胀土仍保持了相对稳定的力学性质和较高的抗剪强度参数值。相比之下,无论是重塑膨胀土,还是原状膨胀土,对湿化作用均十分敏感,其强度参数值或波动较大,或整体水平较低。     

西部弱胶结软岩细观结构及水理特性试验

为准确掌握西部弱胶结软岩的水理特性，对采自陕北矿区的红砂岩进行水理及力学特性试验，并基于电镜（SEM）扫描图像分析细观结构特性，建立岩石细观结构与其宏观水理特性间的联系。试验表明:红砂岩具有明显的饱水软化和吸水膨胀特性，其软化系数为0.64；无压力水侵蚀和干湿循环作用下饱水红砂岩性能将进一步劣化，宏观上表现为强度和弹性模量的减小和质量损失率的增大；细观上，红砂岩颗粒间的联系比较松散，具有明显的弱胶结结构特征。总体来说，亲水矿物溶解与弱胶结结构破坏的耦合作用，导致红砂岩特殊的宏观水理特性。研究结果可为类似地区软岩夹层工程治理提供借鉴。      

极弱胶结岩石物理力学特性及本构模型研究

极弱胶结岩石成岩时间晚,胶结差,强度低,易风化,遇水泥化崩解,特殊的成岩环境和沉积过程形成其独特的物理与力学性质。X射线衍射试验表明,极弱胶结岩石的黏土矿物成分以高岭石为主,其含量高达54%～69%。微观结构为蜂窝状、孔隙多且连通性好,整体结构性较差,遇水易发生水化反应,造成其孔隙率增加与强度降低,在自然条件下极易风化,短时间暴露即开裂。使用MTS 815岩石力学试验系统进行极弱胶结岩石的单轴与三轴压缩试验,获得极弱胶结岩石全应力-应变曲线,揭示了极弱胶结岩石峰后应变软化与扩容变形特性。试验结果表明,岩样破坏前后具有明显的体积膨胀特性,随着围压的提高,峰后体积膨胀特性逐渐减弱。基于裂纹体积应变模型,分析了极弱胶结岩石扩容大变形破坏机制,揭示了岩体强度与扩容参数随等效塑性应变的演化规律,建立了峰前损伤扩容与峰后破裂扩容屈服准则,构建了极弱胶结岩石扩容大变形本构模型。     

粗粒土料湿化变形三轴试验研究

在土石坝工程中,粗粒土料湿化变形是重要的但尚未很好解决的问题之一。利用改进的仪器,对某坝的粗粒土料进行了不同围压和湿化应力水平下保持应力水平不变的三轴湿化变形试验,研究了湿化变形量及湿化前后的应力-应变体变关系。试验结果表明,粗粒土料湿化变形随固结压力和湿化应力水平而变;随着湿化应力水平的增加湿化体变-轴变比逐渐减小;湿化后土体再加载时表现出先弹性后弹塑性的性状;与双线法相比,单线法得到的湿化变形更合理。同时根据试验结果,建议了计算湿化变形的改进的双线法,提出了最大湿化应力水平的概念,并利用该概念对试验结果进行了剖析,这些结论对湿化变形的进一步研究具有一定的参考价值。     

岩石力学性质的应变率效应试验

以玄武岩为试样,开展了中低应变率下的岩石单轴抗压试验。本次研究分析应变率对岩石抗压强度、弹性模量、泊松比等力学参数的影响,分别提出了岩石抗压强度、弹性模量、泊松比等参数与应变率之间的拟合关系式。以峰值应力对应的应变和峰值后的软化模量为脆性评价指标,分析加载应变率对岩石脆性的影响。研究表明:(1)岩石抗压强度、弹性模量均随应变率的增加而增加。(2)岩石泊松比随应变率增加而减小。(3)随着应变率增加大,峰值应力对应的应变增大,峰值后的应变软化程度减小,岩石脆性减弱。(4)应变率对岩石抗压强度影响较大,对弹性模量和泊松比的影响较小。(5)曲线拟合效果良好,提出的拟合关系式合理。     

岷江上游某水电站工程边坡软岩的崩解特性研究

工程边坡内软岩分布较广,可区分为泥化夹层、煤、炭质页岩、泥质粉砂岩等4种典型岩组。软岩的发育特征、空间展布形态、崩解特性直接关系到边坡整体稳定性和支护措施的方案设计。在重点研究F3断层、L9、L10、Lc、L11等软带内所发育的几种典型软岩岩组的崩解特性后,获知该类软岩极易吸水,遇水后发生泥化、软化和崩解。通过循环崩解试验,发现工程区内软岩的崩解度与泥质含量和崩解次数具有很好的相关性。同时,根据崩解度与崩解物形态,对软岩进行定性划分,分别定出Ⅴ类崩解岩和5种崩解破坏形式。最后就崩解机理作进一步地深入探讨。该成果为指导类似的工程边坡软岩的崩解性试验研究提供新的思路。     

三种红层岩石常规三轴压缩下的强度与变形特性研究

利用MTS815Teststar程控伺服岩石力学试验系统研究了川东地区一红层边坡中的砂岩、粉砂岩和泥岩围压为03MPa的应力-应变全过程曲线,建立了峰值强度、峰值强度前弹性模量以及峰值强度后的弹性模量和围压的关系。将低围压下红层的全应力-应变曲线概化成5个阶段,分别为压密段、弹性段、屈服段、应变软化段和塑性流动阶段。试验结果得出,红层弹性模量随围压的增加而提高且变化明显,砂岩和粉砂岩在此围压内为脆性破坏,泥岩为塑性破坏的规律。     

泥质膨胀岩崩解物粒径分布与膨胀性关系试验研究

崩解性是膨胀岩最基本的特性之一,但在膨胀岩膨胀性的快速判别指标中少见关于崩解性及崩解物的定量指标。因此,有必要开展膨胀岩崩解物粒径分布特征和崩解性与膨胀性之间关系的研究,以对膨胀岩的快速判别进行补充。以浙江台州黑洞、蛇蟠岛和新疆大阪隧洞泥质岩样品为例,进行了干燥饱和吸水率和干燥饱和崩解试验,并分析了干燥崩解物粒径分布特征、耐崩解性指数及其与基于干燥饱和吸水率的膨胀性判别结果之间的关系。结果表明,膨胀岩膨胀性的强弱与其崩解物的最大含量粒组颗粒粒径、有效粒径和耐崩解性指数呈反相关关系。膨胀岩崩解物粒径分布的差异性对其膨胀性具有一定的指示意义。     

冷生风化作用对边坡稳定性影响

The experiment shows that considerable influence on density rock properties are subjected by nival weathering conditions. The main parameter defining the rock suitability for solution various engineering and geological problems is its firmness limit on single axis pressing. The firmness properties of sandstone being in absolutely dry condition for Kabakta suite at the beginning of investigation was 64.7 MPa, for Nerungri suite sandstones it was 48. 7 MPa. The investigations showed how much the nival conditions of cryohypergenesis of rock sandstones in Kabakta and Nerungri suites have destructive influence in comparison with aquale and more over aerale conditions. In the aerale conditions sedimentary rock firmness of Kabakta suite decreased to 23.2 MPa, in aquale conditions to 16.5, and in the nivale conditions to 8.9 MPa. In Nerungri suite sandstones are according to 17.7 MPa, 11.1 MPa, and 6 MPa after 300 freezing and thawing cycles. The common sandstone firmness decrease of Kabakta suite was 25 %,of Nerungri suite it was 23.8%. Marlstone samples after 400 FTC decrease to 62% in the nivale conditions and to 33 % in the aerale conditions. After 3～5 years of exploitation marlstone will destruct due to structural and textural inhomogenesis up to gruss, i.e. it will not meet the requirements of durability.Judging by the results of carried out experiment it should be concluded that by cryogenic weathering the sedimentary rocks (sandstones) and rocks with schistose lithogenic texture (marlstone) are subjected to disintegration. The primary rock samples firmness considerably influences on the disintegration rate.     

卢氏膨胀岩湿胀软化特性研究

为研究卢氏膨胀岩湿胀软化特性,开展了膨胀性试验和常规三轴试验。并将泡水前后的膨胀岩进行扫描电子显微镜（SEM）试验和氮气吸附（NA）试验。为充分考虑膨胀岩内部颗粒之间的胶结作用和原始结构,试验样品采用原状膨胀岩。试验研究结果表明：膨胀岩吸水膨胀具有明显的各向异性,轴向膨胀率大于径向膨胀率且在1.5倍左右;随着相对含水率的增加,峰值强度呈先快速降低再缓慢降低的变化趋势,弹性模量和黏聚力呈增加趋势;在围压保持不变的情况下,随着含水率的增加,膨胀岩破坏形式由张拉破坏、张剪破坏向剪切破坏转变,并且膨胀岩破坏时表面裂缝增多。微观试验结果显示,泡水后膨胀岩微观结构裂隙比泡水前增多,孔隙发育明显,这是膨胀岩软化的根本原因。     

软岩崩解分形机制的数学模拟

膨胀性软岩是工程中常见的岩体,其特点之一是吸水膨胀崩解。通过研究软岩崩解物的粒度及其分形特征变化规 律,根据分形概念建立了模拟红层软岩崩解的数学模型,模拟与实测结果的发展趋势基本相同,表明软岩的崩解过程是一个分形。根据该成果,工程中可通过少量的崩解试验数据确定数学模拟模型的参数,从而计算得到软岩崩解物的分数维不再变化的临界值,并可对更长时间后软岩的崩解分数维进行预测。     

红层软岩崩解性路用控制方法研究

采用灰色关联度分析法对红层软岩的矿物成分、化学成分、崩解试验等数据进行了分析。分析表明, 水理特性不稳定的粘土矿物始终是影响软岩崩解的主要因素之一, 而不同的化学成分对红层软岩崩解性的影响程度不同。通过以纯水、MgCl2, FeCl3, NaCl, CaCl2盐溶液作为红层软岩岩块浸泡液的崩解试验, 说明纯水浸泡下软岩的崩解性最强, 而所选3种盐溶液对所选红层软岩样品的崩解性均有抑制作用, 其中又以CaCl2抑制作用最强。在此基础上提出公路施工中填筑前以浇水作为加快红层软岩崩解, 填筑压实中以掺入石灰作为抑制软岩崩解路用控制方法。