饱水-风干循环作用下砂岩强度劣化规律试验研究

库水位变幅带是库岸边坡稳定的敏感地带,饱水-风干循环作用下岸坡岩体的强度将如何劣化,以及由此引发的地质灾害问题都是十分严峻而又不可回避的。特选取三峡库区典型库岸边坡变幅带区域砂岩为研究对象,进行饱水-风干循环作用试验,试验结果表明,在饱水-风干循环过程中,砂岩试样的抗压强度、凝聚力和内摩擦角均逐渐劣化,变化趋势基本一致,而且,浸泡时水压力变化幅度越大,饱水-风干循环次数越多,损伤效应越明显,说明水压力的升、降和饱水-风干循环作用对岩样的损伤有累积作用。最后,基于砂岩试样的饱水-风干循环作用试验研究,对饱水-风干循环作用的水-岩作用机制进行了详细地探讨。研究成果对于把握库岸边坡变幅带岩体性质劣化规律具有较大的参考价值,为库岸边坡的长期稳定性分析提供了有益的依据。     

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。     

绿泥石千枚岩力学性质及其饱水劣化机制

针对工程中常见的千枚岩,进行了不同片理角度的压缩试验以及相关的SEM测试,分析了片理面和含水量对其力学性质和破坏模式的影响以及千枚岩的软化机理。研究结果表明:(1)不同片理角度千枚岩的应力-应变曲线大体一致,都经历了压密段、弹性段、屈服段和破坏段;饱水岩样的屈服段更加明显,峰值应变增加,应力-应变曲线跌落变缓。(2)千枚岩的各向异性显著,片理角度从0°到90°,弹性模量呈倒S型变化规律,变形模量和抗压强度呈先减小后增大的U型变化规律;饱水千枚岩的弹性模量和变形模量分别下降了41.63%～47.38%,37.44%～43.02%,强度软化系数为0.49～0.70,其中β=30°时软化系数最小。(3)千枚岩的破坏模式可分为3种类型:张拉劈裂破坏,剪切滑移破坏和张拉-剪切复合破坏。饱水试样的破碎程度低,脆性减弱,剪切破坏增强。(4)黏土矿物颗粒吸水膨胀、颗粒间胶结物溶解,使得黏土矿物软化、剥落,岩体结构变得松散,这些微结构的改变导致了千枚岩力学性质的劣化。     

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。     

鄂西北页岩饱水软化微观机制与力学特性研究

针对鄂西北页岩隧道施工中存在的地下水加剧软岩隧道大变形问题,进行页岩饱水软化的微观机制与力学特性研究。通过开展X射线衍射、自然吸水试验和SEM电镜扫描,探索不同饱水时间条件下页岩吸水率和微观结构的变化;进而通过开展单轴压缩试验,分析页岩强度和变形参数随其饱水时间的演化规律。试验结果显示,页岩吸水率随着饱水时间的增加呈对数规律增长,页岩饱水后峰值抗压强度和弹性模量均随着饱水时间的增加呈负对数规律降低;页岩力学性质在饱水20 d内变化迅速,50 d后趋于稳定。同时,随着饱水时间的增加,页岩中绿泥石和白云母矿物遇水产生膨胀,使片层状结构分散剥离出细小矿物颗粒,并产生大量松散多孔的絮状物;由于水化作用的影响,页岩原有的致密层状结构变得松散破碎,矿物颗粒之间的胶结逐步破坏,孔隙、裂隙增多,宏观上表现为页岩强度降低,抵抗变形能力减弱,破裂面更为密集,且贯通性增强。     

饱水裂隙岩石冻融变形特性研究

寒区岩体在裂隙水冻胀作用的影响下发生损伤劣化,严重威胁寒区工程建设安全。针对孔隙率不同的绿砂岩、红砂岩和花岗岩开展了饱水裂隙岩石的冻融循环试验,分析了不同裂隙长度、裂隙宽度和岩性的岩石在冻融循环过程中随时间和温度变化的变形规律,得到了饱水裂隙岩石冻融变形特征值的变化特征,探究裂隙长度、裂隙宽度及岩性对冻融应变特征值的影响,分析了裂隙岩石冻融变形特性和破坏机制。试验结果表明：（1）不同裂隙几何参数岩石冻融应变变化过程可分为7个阶段：冷缩阶段、冻胀阶段、冻胀趋稳阶段、热胀阶段、融缩阶段、融缩回弹阶段和融缩趋稳阶段;（2）饱水裂隙岩石冻融应变随温度变化的曲线为不能闭合的滞回环,出现“冻融滞回”现象,且随冻融次数增加,滞回环逐渐上移,残余应变逐渐增加;（3）饱水裂隙岩石冻融应变特征值包括最大应变、残余应变、冻胀幅值和融缩幅值,且应变特征值与裂隙长度、裂隙宽度和岩体岩性相关,裂隙岩石冻融破坏是残余应变逐渐累积的过程。     

千枚岩的剪切流变特性研究

蠕变性和时效特征是岩石的固有力学属性。岩石的流变特性是解释和分析一些地质构造现象、岩体变形破坏以及岩体长期稳定性预测的重要依据。通过对千枚岩沿片理面的剪切流变试验研究,建立千枚岩流变本构模型;并在此基础上,采用伯格斯体模型对该岩石力学参数进行了拟合分析,获取千枚岩沿片理面的长期强度及剪切蠕变本构方程,为该类岩体流变分析与计算提供了理论依据。     

自然与饱水条件下异性结构面的剪切特性研究

利用室内剪切试验装置,开展不同正应力、自然与饱水条件下岩体异性结构面的剪切试验,分析异性结构面的剪切变形和强度特性,利用JRC-JCS抗剪强度力学模型将试验结果与计算结果进行对比分析。结果表明,（1）异性结构面的剪切变形曲线属于弹塑性残余变形类型。相比自然状态试件,饱水试件的弹性区减小,较早进入峰值区或塑性区;（2）异性结构面的剪切刚度均随法向力的增大而增大,但同一正应力下饱水试件的剪切刚度要小于自然状态的剪切刚度,在低法向力下尤为显著;（3）水对岩体异性结构面剪切强度参数有不同程度的弱化,尤其对内摩擦角 的劣化明显;（4）只要计算参数选取得当,并考虑实际岩体的受力及水等情况,JRC-JCS计算模型可以为实际工程岩体的结构面强度提供较为准确的参数。     

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。     

川西北茂县群千枚岩各向异性力学特性

利用MTS815Teststar岩石力学试验系统,对川西北茂县群千枚岩开展单轴和三轴试验,研究千枚岩各向异性力学特性。研究结果表明：千枚岩在达到峰值强度50%以前就普遍出现很大的变形和局部破坏,表明围岩产生大变形或出现早期扩容并不意味着其丧失承载能力,如及时进行针对性支护或加强围岩保护仍具有较强的强度。损伤扩容是千枚岩变形破坏的典型特征,并对变形产生不同的影响,横向应变对损伤扩容比轴向应变更敏感,能更灵敏地反映岩石材料内部的屈服、弱化。千枚岩各向异性随含水率与围压水平表现出不同的变化规律,强度各向异性随含水率和围压水平提高而降低,弹性模量和泊松比则与加载方向和转化围压有关。不同含水状态下干燥千枚岩的单轴抗压强度各向异性最为显著,大部分千枚岩的强度各向异性率在0.80以下,其中绢云母千枚岩最强,为0.48,其强弱对比依次为绢云母千枚岩、绿泥石千枚岩、石英千枚岩、炭质千枚岩。千枚岩表现出不同的破坏模式,并随围压或含水率的增加而变化;剪切机制单独控制着各向异性力学特性,千枚岩统一沿软弱面剪切破坏。     

不同水化学条件下循环侵水砂岩劣化规律研究

岩石力学性质的损伤对于工程结构的稳定造成严重影响,尤其是废弃露天矿坑作为尾矿库使用,蓄水与排水导致库岸边坡岩体长期受到复杂水化学环境与循环侵水的耦合作用。为模拟复杂水化学环境与循环侵水的耦合作用对岩石损伤影响,设计了砂岩在酸、中、碱性三种环境下的循环侵水试验,并通过常规三轴压缩试验分析岩石力学参数的弱化规律。研究结果表明：（1）砂岩峰值强度随围压增大呈递增趋势,随循环侵水次数增加呈降低趋势,且峰值强度按pH值排序为7>10>4;（2）砂岩孔隙率随循环次数增加呈增长趋势,其变化率呈降低趋势,且孔隙率按pH值排序为4>10>7,pH=4和pH=10环境中孔隙率明显大于pH=7环境中的孔隙率,表明pH=4和pH=10环境中砂岩同时发生水解反应与化学反应两种劣化,使得孔隙率增大;（3）砂岩粘聚力c和内摩擦角φ呈劣化递增趋势,0次到5次循环阶段,c和φ的劣化程度最大,5次到20次循环阶段,c和φ劣化的趋势逐渐减缓,且c值和φ值按pH排序为7>10>4;（4）对砂岩粘聚力c和内摩擦角φ拟合方程微分后得到微分方程,归一化处理后定义其系数为砂岩劣化系数,得到c和φ的劣化系数按pH排序均为4>10>7,并分别建立c和φ与pH值、循环次数的双变量拟合函数表达式。     

基于尖点突变模型饱水边坡稳定性分析

为分析不同饱水条件下露天矿坑边坡稳定性,基于尖点突变理论,考虑矿坑水位变化对滑坡面岩体的劣化作用,构建饱水条件下边坡稳定性分析尖点突变模型。结果表明:不同饱水条件下对边坡岩石力学性质产生损伤,损伤演化方程符合负指数变化规律,并根据弱化规律建立非线性饱水弱化函数;对饱水滑面介质建立本构方程,引入饱水弱化函数,构建不同饱水条件下边坡稳定性分析尖点突变模型;根据尖点突变模型判别式得到,饱水作用对岩石损伤越大,判别值逐渐趋于0,边坡状态由稳定向失稳方向转变。研究成果可为边坡体内部含有的地质构造,如软弱结构等,以及受水位影响的库岸边坡稳定性分析提供有益思路。     

基于高应力下花岗岩卸荷试验的力学变形特性研究

进行了高应力条件下卸围压并增大轴压的花岗岩卸荷试验,描述了卸荷过程中岩石渐进破坏的应力-应变曲线和力学参数损伤劣化规律;分析了能较好反映岩石卸荷强度破坏特征的Mogi-Coulomb准则和强度参数变化规律;建立了岩石由压剪破裂逐渐过渡到张剪破坏的渐进演化体系。在此基础上,通过对岩石卸荷破坏起主要作用的横向变形将压剪Mogi-Coulomb准则和拉剪Mogi-Coulomb准则联系起来,建立了描述岩石卸荷渐进破坏的新强度准则。基于上述的卸荷试验成果,结合描述岩石卸荷渐进破坏的应力-应变曲线,在应变空间中推导了考虑岩石力学变形参数损伤劣化效应、横向变形作用、卸荷渐进破裂演化机制的力学本构方程。     

岭澳核电三期强风化角岩边坡岩体直剪试验研究

采用堆载法进行天然状态与饱和状态下强风化角岩边坡岩体的现场直接剪切试验,获得不同正应力水平下剪切应力-剪切变形关系曲线和剪切强度参数,对其剪切应力-剪切变形关系曲线特征和不同正应力作用下剪应力随正应力的变化规律以及水-力耦合作用对剪切强度与变形特性影响进行了分析。试验结果表明：岩体峰值剪切强度和屈服剪切强度均随正应力的增大而增大;天然状态和饱水状态下剪应力随不同正应力的变化趋势基本相同;岩体剪切强度随含水率的增大而减小,在低法向应力下尤其敏感;水对岩体强度参数中黏聚力c的弱化作用更加明显,同时加大了岩体变形量,延长了岩体变形过程;通过现场直剪试验测得的法向变形可以估算岩体的压缩模量,为边坡稳定性分析提供参数。     

基于开挖卸荷劣化的边坡岩体宏观力学参数USMR分析评价方法及验证

为研究锦屏某边坡岩体在开挖卸荷条件下的岩体宏观力学参数,对该区砂岩进行室内卸荷试验研究,结果表明：相对于加载试验,卸荷过程中岩样的强度及变形参数发生了劣化,低、高围压下岩石变形及破裂形式也有所不同。为此,在对SMR及CSMR修正的基础上,提出了考虑开挖方式、边坡形态及卸荷损伤的边坡卸荷岩体的评价体系USMR法。基于USMR法对研究区边坡开挖岩体宏观参数（变形模量Em、岩体抗压强度 、岩体抗拉强度 、岩体抗剪强度参数cm和 ）进行了动态分析,并分别考虑了不同围压 及卸荷损伤De条件下岩体参数的劣化规律。分析表明：开挖卸荷过程中岩体宏观参数发生了不同程度的劣化,拉应力区、低应力区和高应力区岩体参数的劣化规律有所不同,拉应力区及低应力区岩体力学参数对开挖卸荷更加敏感。研究结果对边坡开挖卸荷岩体的稳定性分析与评价具有一定指导意义。     

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。     

强风化角岩力学-变形特性的直剪试验研究

对深圳岭澳三期核电工程选址区域内的强风化角岩的直剪试验研究表明,强风化角岩的剪切变形存在一定的延性且呈塑性破坏,其岩体剪切强度随含水率的增长呈负指数下降趋势,水对岩体强度指标c、?具有一定的弱化作用;强风化角岩在饱水条件下只发生剪缩现象,而天然条件下先剪缩后剪胀。引入剪切刚度研究直剪试验的变形特性并考虑水对这一变形指标的影响,研究认为,强风化角岩的剪切刚度随法向应力的增加而增加,且随含水率的增加而降低,低法向应力条件下对水的作用尤其敏感,同时分析了剪切刚度的变化对边坡岩体剪切位移的影响,其结果对边坡的稳定性分析及坡体位移变化的预测具有一定的指导作用。     

长期浸泡作用下灌浆加固裂隙岩体劣化效应

为分析灌浆加固裂隙岩体在压力水长期浸泡作用下力学性能的劣化效应,在前期碳纤维水泥基复合灌浆材料加固裂隙岩体研究基础上开展了考虑水压力影响的灌浆加固裂隙岩体长期浸泡试验和在不同浸泡周进行直剪试验。研究结果表明,(1) 压力水长期浸泡作用下灌浆加固裂隙岩样的剪应力?剪切位移曲线形态变化趋势明显,剪切刚度逐渐减小,达到峰值抗剪强度时的剪切位移逐渐增大;(2) 随着浸泡周期增加,灌浆加固裂隙岩体的抗剪强度呈先陡后缓的劣化趋势,6个浸泡周期（150 d）后不同法向应力下峰值抗剪强度的劣化幅度为32.6%～39.9%,对应内摩擦角和黏聚力分别降低了19.3%、39.4%,其中前4个浸泡周期（0～90 d）抗剪强度参数劣化幅度占总劣化幅度的90%左右;(3) 水压力作用下裂隙岩样发生溶解、溶蚀、润滑、软化等物理化学作用,浆体中的凝胶体被进入浆体内部的水分子软化,导致裂隙岩体和灌浆体本身的力学性质逐渐劣化,浆体与裂隙面之间的胶结作用、浆体与碳纤维之间粘结性能逐渐减弱,使得灌浆加固裂隙岩体抗剪性能逐渐劣化,剪切破坏面逐渐发展到浆体与裂隙面之间的胶结面。相关研究成果可为灌浆加固裂隙岩体的长期稳定性分析评价提供参考。     

裂隙岩体等效力学参数结构效应的计算机模拟试验研究

为研究裂隙岩体结构效应对其等效力学参数的影响,引入基于离散元的合成岩体技术,通过可控的改变三维岩体结构网络中的结构参数,制作相应的合成岩体试件,开展计算机模拟试验研究。结果表明：随岩体中裂隙体积密度增大,裂隙的变形参数和强度参数随裂隙密度增加而减少,其中等效弹性模量对结构面密度变化最为敏感;随岩体中裂隙倾角增加,岩体等效弹性模量随之单调增加,且等效弹性模量的离散程度（标准差）随倾角增加而减小,而各强度参数指标则先减少而后增加,形成一个U形变化规律;岩体等效力学参数均随结构面尺寸增加而减小,同时等效力学参数的离散程度（标准差）随结构面直径增加而增加,其中单轴抗压强度指标变化最为敏感;岩体等效力学参数对裂隙尺寸和产状的离散程度不敏感。该研究结论可为其他结构效应研究提供一种新思路。