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《武汉大学》 2010年
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库水变幅带水—岩作用机理和作用效应研究

邓华锋  
【摘要】:水-岩相互作用在自然界广泛存在,水是诱发各种地质灾害最活跃、最主要的因素。三峡工程竣工后,库水每年都将在145 m和175 m水位之间缓慢或快速的升降,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”的循环状态,水-岩循环作用将造成岩体性质劣化,很可能使稳定的库岸边坡向不稳定方向发展。因此有必要对变幅带水-岩循环作用机理和效应进行系统研究,确定岩土体力学参数的变化规律,并将此规律应用到岸坡稳定性分析中。 在理论分析的基础上,以试验为主要研究方法对此展开了详细的研究: (1)把超声-回弹综合法应用到岩石试样选择中,在正式试验之前,挑出那些可能会使试验结果很离散的试样,可以提高室内试验的测试准确程度。实践表明,这种综合选样方法具有较好的适用性,同时,超声-回弹综合法可以较好的预测岩石的抗压强度。 (2)试样本身存在的初始差异性决定了初始强度存在差异,采用超声-回弹综合强度预测公式,根据初始纵波波速、回弹值对每个试样的实测强度值进行修正,相当于把每个试样的初始强度修正到同一个标准,然后再进行比较分析,这样可以更好的反映试验规律。 (3)水-岩物理作用、化学作用和力学作用通常是不可分割的,库岸边坡的破坏,通常是三类作用的综合结果,在不同时期,各类作用所占的比例不一样,引起边坡岩体破坏的作用机理也不一样的,因此,对于库岸边坡岩体在库水位变化时水-岩作用机理的分析应该分三个阶段考虑:库水位上升期、相对稳定期和消落期,同时应该重点考虑“饱和-风干”的循环作用。把库岸边坡水-岩作用机制概括为五个方面:力学弱化机制、局部应力集中机制、物理弱化机制、化学弱化机制、“饱和-风干”循环作用累积损伤机制。 (4)采用分段的方法,详细分析了库水位升降对库岸边坡岩体的力学作用,从力学机理上解释了库岸边坡在水位上升或下降过程中安全系数先下降后上升变化规律的原因,也能很好的解释一些库岸边坡失稳的原因。 (5)从断裂力学角度分析了裂隙水压力对裂纹强度因子的影响,对考虑裂隙水压力作用的Ⅰ~Ⅱ型复合裂纹扩展进行了研究,结果表明Ⅰ~Ⅱ型复合裂纹的裂纹扩展角θ的变化,不仅与裂纹的闭合程度、斜裂纹倾角α、双向应力大小有关,还与裂隙水压力的大小、裂纹面的摩擦系数有关;并且,在相同情况下,未闭合裂纹的扩展角要大于闭合裂纹的扩展角:对于闭合裂纹,摩擦角φ越小,扩展角θ越大。 (6)从试验结果来看,单纯的静水压力对水-岩化学反应的影响较小,其差别在于物理和力学损伤作用促进水-岩化学作用的发生,水压力的升、降和“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,浸泡时间越长,“饱和-风干”循环次数越多,岩体的损伤越严重。 (7)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。 (8)岩石试样显微结构照片显示,经过浸泡和“饱和-风干”循环作用后,矿物颗粒均发生了不同程度的溶解、溶蚀,颗粒界限边缘变的模糊,不规则状变的趋向圆滑,颗粒之间的钙质胶结趋向松散,说明水溶液对砂岩的物理化学细观损伤作用较强。 (9)不同浸泡时期的砂岩试样的应力-应变曲线的形态基本一致,但曲线中压密段的长度差别较大,浸泡的时间越长,压密段的长度越大,弹性变形段的斜率越小,卸除荷载后的残余变形越大,岩石试样有明显“变软”的趋势,而且循环加卸载损伤试样“变软”的趋势更加明显。 (10)在“饱和-风干”循环过程中,砂岩试样的纵波波速、回弹值、抗压强度、粘聚力、摩擦角、弹性模量、变形模量均出现不同程度的劣化,而且浸泡时的压力变化越大,下降的趋势越明显,同时,强度下降趋势与试验时加载的围压有关,围压越低,下降的趋势越明显,与“完整”试样相比,循环加卸载损伤试样的各参数劣化的更为严重。 (11)随着围压的增大,弹性模量和变形模量有增大的趋势,而且随着浸泡时间(“饱和-风干”循环次数)的变化,这个差别越来越大。同时,随着围压增大,岩石试样张性破坏特征逐渐减弱,而剪性破坏特征逐渐明显,即由张性破坏过渡到张剪性破坏,由张剪性破坏过渡到剪张性破坏。 (12)从总体统计规律来看,随着围压增大,砂岩试样破坏时的剪切角逐渐变小;相同围压破坏的试样,浸泡时水压力变化越大,其剪切破坏角相对越小;随着浸泡时间(“饱和-风干”循环次数)的变化,砂岩试样的剪切破坏角有逐渐变小的趋势,这与砂岩试样强度参数劣化的规律是一致的。 (13)与“完整”砂岩试样相比,循环加卸载损伤试样破坏时的破碎程度要严重的多,各项力学指标也衰减的更快,说明损伤岩体对水软化作用更加敏感,长期浸泡“饱和-风干”循环作用后力学性质弱化明显,更易产生不稳定问题。 (14)通过不同级配、不同含水率情况下的土石混合体直剪试验,建立了天然级配和设计级配土石混合体的c-ω,φ-ω之间的关系,为评价滑坡在库水位变化条件下c、φ值的弱化提供了量化依据。 (15)建立库岸边坡数值分析模型进行了计算分析,计算结果和监测数据变化趋势基本一致,而且计算中的塑性区分布位置和宏观地质巡查发现的滑坡后缘和中部区域出现了的裂缝区域非常相似,但是计算结果偏小,说明在分析库水位升降循环作用时,必须考虑水-岩作用的长期时间效应;同时,降雨及库水位升降是滑坡加速变形的主要影响因素,滑坡表层土石混合体在“饱和-风干”循环作用下的力学参数变化规律同样值得进一步的研究。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TV223

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【参考文献】
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