干湿循环作用下红土抗剪强度与微结构关系研究

针对云南红土型水库因水位升降引起库岸土体干湿循环的客观实际,研究干湿循环作用下库岸红土抗剪强度与其微结构的变化规律,揭示二者之间的内在联系,为研究红土型库岸失稳提供依据。通过红土试样的干湿循环试验,模拟水库蓄水和库水位反复升降引起的库岸红土干湿循环作用。结果表明:（1）在一定初始干密度条件下,红土的黏聚力、内摩擦角和抗剪强度均随干湿循环次数的增加而非线性减小,但在干湿循环次数约10次时趋于稳定。（2）干湿循环作用导致红土微结构发生变化。当初始干密度分别为1.2,1.3,1.4 g/cm3、干湿循环次数达10次时,试样红土颗粒数量降幅依次为45.4%,38.2%,35.7%;孔隙率增幅依次为52.6%,45.9%,40.4%;孔隙面积增幅依次为64.4%,58.2%,50.8%。（3）在干湿循环作用下,红土黏聚力与红土颗粒的定向度和平均圆形度呈正相关关系,相关系数R分别为0.985和0.923。内摩擦角与孔隙率和孔隙面积呈反相关关系,相关系数R分别为-0.936和-0.912。干湿循环作用导致红土微结构的改变,从而引起红土宏观力学性质的变化。     

干湿循环下滑带土强度特性与微观结构试验研究

库区水位周期性波动,巨大的水位变幅使库岸滑坡滑带土处于干湿循环变化之中,而干湿循环作用影响土体的强度特性。基于此,以三峡库区某典型库岸滑坡滑带土体作为研究对象,对经历不同干湿循环次数的土样进行环剪试验、扫描电子显微镜（SEM）试验和核磁共振（NMR）试验,分析干湿循环作用下滑带土强度特性和微观结构变化规律,并初步探讨干湿循环对滑带土强度影响的微观机制。试验结果表明：干湿循环作用下,滑带土残余强度的劣化特性十分明显,且前3次干湿循环导致土体强度衰减幅度较大,之后衰减趋势减弱,土体强度逐渐趋于稳定,同时,黏聚力的劣化效应大于内摩擦角;随干湿循环次数的增加,以叠聚状、凝块状为主的团粒逐渐分散、解体,颗粒间连接由面?面接触逐渐向面?边、面?角接触演化,表现为土体内孔隙数量增多,土颗粒形态变化,粒间距离增加,微小孔隙逐渐向大孔隙演变;干湿循环作用下,滑带土内亲水性黏土矿物吸水膨胀、失水收缩而引发土颗粒、孔隙及胶结物等微结构变化是导致滑带土残余强度劣化的内在原因。     

干湿循环下花岗岩残积土强度衰减试验研究

季节性的干湿交替循环作用可使边坡岩土体强度劣化,影响边坡安全性及耐久性。通过室内干湿循环模拟试验,探讨了干湿循环作用下花岗岩残积土抗剪强度随含水率、干湿循环次数的变化规律。试验结果表明:干湿循环下花岗岩残积土黏聚力前期衰减趋势明显,后期衰减趋势减缓,并逐渐趋于稳定;而花岗岩残积土内摩擦角在干湿循环下未呈现明显的变化规律,大小变化不定。在此基础上,采用S型曲线函数对花岗岩残积土强度衰减曲线进行拟合,拟合结果说明S型曲线函数能够较好地体现花岗岩残积土黏聚力随循环次数的衰减规律。研究成果对进一步揭示干湿循环下闽东南地区花岗岩残积土强度劣化机理具有重要的参考价值。     

二叠系炭质页岩软弱夹层剪切蠕变特性研究

以西南灰岩山区二叠系炭质页岩软弱夹层为研究对象,开展了原生软岩、层间剪切带和滑带3个演化阶段的矿物组成成分、微结构和不同正应力水平的剪切蠕变力学特性分析。结果表明：软弱夹层在演化过程中,矿物组分发生改变,黏土矿物含量在原生软岩中小于5%,层间剪切带中在5%～10%之间,滑带中大于10%。微结构由致密变得疏松,颗粒间连接力减弱;软弱夹层的蠕变位移和蠕变速率随着剪应力增加而增大,呈非线性关系。在相同剪应力条件下,蠕变位移和蠕变速率的关系为：滑带>层间剪切带>原岩。长期剪切强度逐渐降低,黏聚力的降幅大于内摩擦角,对时间的敏感程度较高。为受软弱夹层控制的层状基岩滑坡的发育发展过程、失稳机制研究提供了重要借鉴意义。     

干湿循环作用对岩溶区红黏土剪切强度的影响

以桂林雁山红黏土为研究对象,对经历不同干湿循环次数后的试样进行快剪试验,得到其剪切强度,研究自然状态下反复的降雨和干旱气候对土体强度的影响。试验结果表明,经历多次干湿循环后饱和状态下红黏土样无明显峰值,为应变硬化;干燥状态下土样出现明显峰值,为应变软化,且其曲线前部还出现"平台"状,随着干湿循环次数的增多,饱和状态下和干燥状态下的黏聚力均逐渐降低,而两者的内摩擦角则均呈现整体逐渐增大的趋势,干燥状态下土样的抗剪强度参数均较饱和状态下的土样大,黏聚力和内摩擦角的变化幅度都十分显著。为进一步研究干湿循环对土样抗剪强度及剪切强度参数的影响,量测了干湿循环过程中试样的体积变化情况后发现,随着循环次数的增多,试样体积先不断地减小,然后基本保持不变。     

压实膨胀土表面裂隙发育规律及与强度关系研究

利用PCAS裂隙图像处理软件对干湿循环条件下不同压实度膨胀土的表面裂隙发育变化进行动态、定量的测量,并对不同裂隙发育程度的膨胀土进行了直剪试验。试验结果表明:压实度越大,裂隙开裂程度越小;黏聚力随干湿循环次数的增加呈递减趋势,而内摩擦角则受干湿循环的影响小。循环次数相同时,压实度越大,黏聚力越大;黏聚力分别随裂隙条数、裂隙总长度、裂隙平均宽度变化的曲线具有明显的相似性,说明黏聚力与这三个参数存在一定的相关性;裂隙率和分形维数与黏聚力具有线性关系。     

膨胀土干湿循环效应及其对边坡稳定性的影响

膨胀土的干湿循环性状在膨胀土边坡的稳定性分析中占有重要地位。结合膨胀土边坡的现场含水率观测数据和南宁地区大气影响深度的计算结果,确定了室内试验的干湿循环幅度并进行了膨胀土强度干湿循环室内试验,对干湿循环引起膨胀土强度指标衰减的变化规律进行了初步探讨; 在此基础上,结合干湿循环效应对膨胀土边坡进行了稳定性分析。研究结果表明:(1)膨胀土的黏聚力随干湿循环次数递增而减小,第1~2次循环时黏聚力衰减程度最强,但经历2~3次循环后,黏聚力衰减程度减弱,最终趋向稳定; 干湿循环次数引起内摩擦角的波动变化极小,基本保持一恒定值。(2)干湿循环的强度稳定值与稳定时所需循环次数均随含水率变化幅度的增加而减小。(3)由于干湿循环效应,膨胀土的粒间联结产生了不可逆的损伤,致使土体微结构劣化、抗剪强度降低。(4)随着干湿循环次数的增加,边坡稳定性降低,安全系数递减; 结合当地大气影响深度对膨胀土边坡进行干湿循环分层的稳定性分析方法更符合工程实际,可为相关边坡设计和防护的计算参数选取提供参考。     

干湿循环下饱和红土不排水三轴试验研究

以云南红土为研究对象,考虑干湿循环次数、干湿循环幅度等影响因素,利用TSZ-2型全自动三轴仪,开展干湿循环下饱和红土的不排水三轴试验,研究干湿循环作用对饱和红土剪切特性的影响。试验结果表明:不固结不排水条件下,随干湿循环次数增加和干湿循环幅度增大,饱和红土的应变软化现象增强,应力-应变曲线的初始斜率、孔压峰值增大,剪切峰值、峰值轴向应变、黏聚力、内摩擦角减小;干湿循环次数的影响大于干湿循环幅度的影响。干湿循环下饱和红土剪切特性变化的实质在于红土与水之间的相互作用,包括脱湿过程中水的逃逸作用、红土颗粒的吸附作用、红土体的硬化作用及收缩作用和吸湿过程中水的楔入作用、润滑作用、软化作用及红土体的膨胀作用,干湿循环过程中上述作用不断加深加剧,严重损伤了红土体的微结构,最终改变了饱和红土的不排水剪切特性。     

石膏岩干湿循环细观模拟及损伤本构模型

为研究干湿循环作用下石膏岩劣化效应,并对其劣化损伤进行数学描述,采用颗粒流软件进行了细观力学模拟,并基于Weibull分布建立了统计损伤本构模型。研究表明:随着干湿循环次数的增加,试件裂纹数量不断增加,拉裂纹增加数量尤为显著;进行相同次数干湿循环时,随着围压不断增大,试件的拉裂纹数量逐渐减少,剪切裂纹数量不断增多。干湿循环作用对石膏岩细观强度参数影响效应大小不一,其强弱关系为:摩擦系数抗拉强度内摩擦角节理模量黏聚力。模型模拟值和试验值较为吻合,表明该模型能表征岩石破裂过程中的应力应变关系。     

大型层状基岩滑坡软弱夹层演化特征研究——以重庆武隆鸡尾山滑坡为例

软弱夹层经过长期地质历史演化,性质劣化后形成滑带,对大型层状基岩滑坡的稳定性起重要的控制作用。为了查清软弱夹层形成滑带的演化过程,以重庆武隆鸡尾山滑坡为例,对比研究了山体内软弱夹层的发育规律,将其划分为原生软岩、层间剪切带和滑带3个阶段,并通过岩矿组分含量、物理性质、微结构、物理化学性质和蠕变力学性质试验分析了3个阶段的演化特征。结果表明:从矿物成分演化过程来看,黏土矿物含量增加趋势明显,均值从4.4%增加到16.9%;从微结构演化过程来看,微结构由致密变得疏松,孔隙及节理裂隙增多,密度降低了5%~6%,孔隙率升高了108%;从物理化学性质演化过程来看,交换性盐基总含量在原岩中最高,其次是滑带,层间剪切带最低,有机质含量逐渐增大,整个演化环境呈弱碱性。从蠕变剪切强度演化过程来看,软弱夹层的内摩擦角由57.58°降低到29.63°,黏聚力由585 kPa降低到96 kPa。在此基础上,对鸡尾山滑坡驱动块体最大主剖面的下滑推力进行分析,下滑推力随着长期剪切强度参数的降低而增大,当内摩擦角φ < 25°,黏聚力c < 129 kPa时,下滑推力大于0,驱动块体失稳。该研究对受软弱夹层控制的层状基岩滑坡的发育发展过程、失稳机理研究提供了重要的借鉴意义。     

酸性环境干湿循环对泥质砂岩力学特性影响的试验研究

由于库水位升降及降雨等原因,岩体经常处于干湿交替状态,对岩体工程的长期稳定性不利。以三峡库区泥质砂岩为研究对象,进行了酸性环境干湿循环交替作用后的常规单轴与三轴压缩试验研究,获得了泥质砂岩在酸性溶液浸泡干湿循环后的相关力学参数。相对于没有经过干湿循环作用的干燥试件,经过不同次数的干湿循环作用后,泥质砂岩的弹性模量、单轴抗压强度、黏聚力与内摩擦角都有不同程度的降低。各个力学指标的总体变化趋势是在第一次饱水之后有大幅度的降低,此后随着干湿循环次数的增加其降低的幅度逐渐减小。同时,酸性溶液的pH值对力学指标的影响很大,存在对泥质砂岩力学性能影响较大的一个临界pH值,低于此值酸性溶液对泥质砂岩力学性能影响显著增大,高于此值酸性溶液对其力学性能影响较小。     

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。     

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。     

基于Hoek-Brown准则的冻融循环条件下露天煤矿边坡岩体力学系数修正

在露天矿边坡稳定性计算和评价过程中,边坡稳定性评价结果与岩体力学参数的选取密切相关。而在冻融循环条件下,岩石的物理力学参数随着冻融次数的变化而变化。首先通过室内模拟的方法对粗砂岩和细砂岩进行不同次数的冻融循环试验,然后进行一系列的单轴和三轴压缩试验,得到冻融循环条件下完整粗砂岩和细砂岩的物理力学参数;基于Hoek-Brown强度准则中的爆破扰动参数D,提出冻融循环劣化参数D_f,利用修正的Hoek-Brown准则得到冻融循环条件下岩体力学参数,并分析了边坡岩体的破坏模式。结果表明:随着冻融循环次数的增加,粗砂岩和细砂岩的单轴抗压强度、弹性模量和黏聚力降低减小,内摩擦角变化较小;而岩体的单轴抗压强度、整体抗压强度、抗拉强度、变形模量、黏聚力和内摩擦角均减小,这说明岩体在冻融循环环境中是不断损伤的,质量逐渐变差;随着冻融循环次数不断增加,岩体的抗剪强度劣化在不断加速,边坡的破坏形式主要为剪切破坏。修正的岩体力学参数为露天矿边坡稳定性分析提供更为准确的数据。      

砒砂岩化学成分特征对重力侵蚀的影响

本文以内蒙南部砒砂岩的重力侵蚀为例,研究岩石化学成分与重力侵蚀发育的主要控制因素抗剪强度的之间关系。通过对砒砂岩样品的化学成分、矿物组成、力学性质等参数的测试和试验结果,利用化学蚀变指数(CIA)阐明了岩石的风化程度,分析了岩石中不稳定的化学成分在水的作用下,对岩石的化学风化作用和岩石强度的影响。并对砒砂岩的化学成分含量与其内聚力进行两两相关分析和多元相关分析。这些对砒砂岩区基岩的重力侵蚀机理研究具有一定的参考价值。     

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。      

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。     

南京秦淮东河黄马青组(T2h)砂岩水致劣化特征分析

南京秦淮东河新开河道在铜家山地段穿越黄马青组（T₂h）砂岩,形成高度最大达70 m的高边坡。根据现场调查和钻探结果,在近地表处,岩石中裂隙发育,岩体完整性差,而在深部,根据钻孔取芯结果,岩体中结构面胶结强度高,岩体完整性好。钻孔取岩芯样进行干湿循环试验发现,样品在干燥-饱和循环条件下,一般循环5次以上就易发生崩解,而在自然吸水-干燥循环条件下,循环20次以上仍可以保持完整。分析认为,岩石中小开裂隙发育。根据扫描电镜（SEM）对微观结构分析结果发现,饱和条件下,岩石中小开裂隙进水后导致结构面胶结物软化,并可能造成岩石开裂、吸水膨胀,即水对岩石的劣化作用是物质软化和岩石结构破坏的双重机制;而在自然吸水条件下,小开裂隙中未进水,水对结构面的软化作用较小。矿物分析结果表明,岩石中含有较多的黏土矿物,是导致岩石浸水软化的重要原因。经过干湿循环后,岩石波速下降、致密程度降低,塑性特性增强。多次循环后岩石的单轴抗压强度和弹性模量均呈明显下降趋势,岩石破坏时的变形量随循环次数增大而下降,岩石的孔隙压密和弹性变形过程逐渐消失,加载后迅速进入塑性变形阶段,且破坏速度加快。     

库水波动带岸坡原位声波测试及劣化特性研究

为了揭示库水波动带内岩体在库水位周期性升降,干-湿循环条件下,其物理力学性质变化特征,掌握不同岩性的劣化改造过程和差异性。选择消落带内变形破坏强烈的侏罗系库岸斜坡,在宏观调查的基础上,运用单孔、跨孔声波测试方法进行原位试验测试,同时进行原位样品试件采集,运用干湿循环、力学测试、耐崩解等手段进行室内试验测试。原位单孔声波测试K_V值为0.2~0.51,跨声波测试K_V值为0.46~0.91,表明岩体横向完整性差,纵向完整性相对较好,并且消落带内岩体随着高程的降低,其岩体完整性呈下降趋势;试件力学测试结果表明,20次干-湿循环后其强度平均下降30%~45%,且摩擦系数和黏聚力参数均呈逐渐降低趋势;耐崩解性试验表明,干-湿循环条件下,岩石耐崩解性逐渐降低,5次干-湿循环后,试件耐崩解性指数降低量达3.1%~20.2%。试验结果均证实了消落带内岩体受库水影响强烈,岩体长期在干-湿循条件下,其物理力学性质呈降低趋势,不同岩性劣化程度不同,岩体总体向破碎、解体的趋势发展,并且具有渐进性和累积性。     

循环冻融条件下岩石物理特性的试验研究

新鲜岩石和风化岩石的力学性质有着较大的区别,特别是当岩石的风化程度很深时,岩石的力学性质会明显下降,而在实际工程中又常常将风化岩石作为工程的基础,因此,研究和认识风化岩石的力学特性是有必要的.温度的变化是引起岩石风化的主要原因之一,尤其是循环温度变化更容易使岩石风化.将采自焦作的大理岩和砂岩分成干燥和饱和两组岩样,进行了循环冻融试验来模拟岩石的风化.在冻融前、每10次循环冻融后,量测岩样的质量,利用NM-4B非金属超声检测分析仪对各岩样进行超声纵波无损检测,总共进行50次循环冻融.分析了循环冻融对岩石质量损失的影响并就纵波波速的改变进行了比较,据此归纳出岩石材料受风化影响的物理特性.