不同含水条件下板岩力学实验研究与理论分析

以南水北调西线的板岩为研究对象,进行了不同泡水条件下的三轴压缩实验,通过引入相对吸水率的定义,分析了吸水率变化对岩石强度、弹性模量及泊松比等力学参数的影响,并从微观的角度分析了试样发生变化的机理,得出如下结论：(1)板岩在泡水后三轴抗压强度发生降低,最大降低辐度达46 %左右,抗压强度随相对吸水率的变化可以用函数式来有效的描述;(2)在泡水后,板岩的弹性模量与泊松比随着吸水率的增大而增大,但由于板岩自身各向异性明显,规律性不是特别明显,只能近似用关系式来模拟;(3)理论分析证实：实际泡水条件下的岩样,在受力挤压后,会经历排水与不排水两种过程,随着吸水率的提高,弹性模量与泊松比增大,验证了实验结果;(4)利用微观力学模型初步证实：泡水后板岩颗粒的吸水性与颗粒间毛细管力的减小是造成板岩泡水后发生软化的原因。     

软弱泥质砂岩地层中输水隧洞稳定性研究

泥质砂岩属于黏土岩,具有典型的遇水软化特征。在泥质砂岩富水地层中进行隧道开挖是地下工程的一个挑战性问题。研究了围岩软化与未软化条件下泥质砂岩地层中输水隧洞的稳定性和支护时间。首先,介绍了泥质砂岩遇水软化的力学试验结果;然后,采用基于Hoek-Brown强度准则的岩体参数评价方法,评估泥质砂岩在围岩软化与未软化条件下的力学参数;再后,以兰州水源地引水隧洞为依托工程,采用数值模拟方法对泥质砂岩隧洞软化与未软化工况的围岩稳定性进行了计算分析,得出泥质砂岩遇水软化对隧洞安全性存在显著影响;最后,采用位移收敛法,研究了泥质砂岩软化与未软化工况中,保障隧洞施工安全的合理支护时机。研究表明,泥质砂岩未软化工况中,可考虑隧道围岩初期支护在距掌子面4～5 m位置实施;而在泥质砂岩遇水软化工况中,初期支护建议在掌子面开挖后立刻支护。研究成果可为泥质砂岩地层隧洞的安全施工提供依据。     

板岩遇水软化的微观结构及力学特性研究

通过偏光显微镜、电子扫描电镜、粉晶X射线衍射,测定板岩泡水过程中吸水率、润湿角的变化,不同浸泡时间下的矿物颗粒微观结构、孔隙度的变化,并通过三轴压缩实验,研究了板岩泡水后发生软化的过程与机理。研究表明：板岩在浸泡后吸水率受板岩内层理面的产状、密度等参数的影响而改变,随着泡水时间的增加,吸水率在最初两天内变化较大,后期变化不太明显;板岩内部矿物颗粒在浸泡过程中产生体积膨胀,胶结变得松散,颗粒膨胀的时间稍滞后于吸水率的变化过程;三轴压缩实验结果显示,板岩浸泡后发生软化,峰值抗压强度随着吸水率增加按负对数规律降低;微观结构分析及润湿角的降低趋势表明,随浸泡时间延长,矿物颗粒之间的毛细管力、表面张力降低,使得板岩内部黏结力降低,宏观上则体现为岩石发生软化;在垂直于层理面方向更易发生体积膨胀,因此岩石在浸泡后更易沿着层理面产生破坏。