三峡水库运行期间,消落带红砂岩在周期性“湿干”交替作用下,岩体力学强度参数劣化,其根本原因是:库水在渗透压作用下进入岩体内部与岩体内部成分发生的物理化学反应。本文通过对课题组已有“消落带软岩三轴试验系统”(主要实现物理环境模拟)进行改造,使改造后的仪器在原有功能的基础上增加了消落带红砂岩化学环境模拟的功能;在改造的仪器进行强度与吸水率试验,分析了加固前红砂岩在渗透压、岸坡应力和周期性“湿干”交替共同作用下(物理化学环境共同模拟)力学强度参数与吸水率变化规律;通过材料性能试验和BP神经网络-遗传算法优选出水库运行期消落带红砂岩的化学加固材料并对材料组分配比进行优化;通过进行加固后红砂岩强度与吸水率试验,对比分析出加固前后红砂岩强度参数变化规律与隔水性能提升效果;通过SEM微观测试分析了优选化学加固材料的加固机制。具体的研究内容和研究成果概述如下:(1)通过对课题组拥有的“消落带软岩三轴试验系统”(该系统可以模拟水库运行期消落带岩石在岸坡应力和周期性“湿干”交替共同作用的物理环境)的水流通道进行耐化学腐蚀改造,并增加提供渗透压的化学渗透加压装置,使之成为一套可以模拟水库运行期消落带岩石所处的渗透压、岸坡应力和周期性“湿干”交替共同作用下(物理化学环境共同模拟)的多功能试验测试系统——“水库岸坡消落带岩石宏观力学强度测试系统”。利用该系统进行消落带红砂岩“湿干”交替物理化学环境模拟试验,确定一个水库运行周期内中风化红砂岩的室内“湿化”时间为1小时、“干燥”时间为8小时;强风化红砂岩室内“湿化”时间为0.7小时、“干燥”时间为6.5小时。(2)加固前(天然状态)中风化红砂岩在0.15MPa渗透压、不同围压条件下经历8次“湿干”交替作用后,其峰值抗压强度、粘聚力及内摩擦角均随着湿干交替次数的增加而呈现先下降幅度较大,后下降幅度逐渐变缓直至稳定的趋势。吸水率变化趋势则完全相反,先不断升高,后趋于稳定。加固前强风化红砂岩在经历8次“湿干”交替作用后,其点荷载强度下降了 62.67%,吸水率上升256.60%;中分化风化红砂岩点荷载强度下降了 36.48%,吸水率上升134.70%。(3)确定改性聚氨酯-纳米复合材料做为优选消落带红砂岩化学加固材料,其优化配比为硅酸钠4.27%、三乙胺4.16%、邻苯二甲酸二丁酯4.94%、二异氰酸酯42.12%、聚丙二醇25.15%、硅烷偶联剂7.61%、纳米TiO212.56%。(4)采用改性聚氨酯-纳米复合材料组分优化配比对消落带中风化红砂岩进行加固后,其在0.15MPa渗透压、不同围压条件下,其峰值抗压强度、粘聚力、内摩擦角、点荷载强度及吸水率随着湿干交替次数的增加,变化趋势与加固前近似,但变化幅度明显减小。加固后中风化红砂岩在经历8次“湿干”交替作用后,其粘聚力、内摩擦角分别劣化了 13.06%、6.58%,吸水率上升27.16%,与加固前相比其劣化、上升幅度分别减小了 79.16%、61.13%、89.41%;加固后强风化红砂岩点荷载强度下降了 12.17%,吸水率上升41.58%,与加固前相比其下降、上升幅度分别减小了 66.63%、69.13%。加固前后数据对比表明改性聚氨酯材料对于消落带红砂岩强度与隔水性能具有良好的提升效果。(5)改性聚氨酯纳米复合材料涂抹在红砂岩表面后,表面孔隙裂隙减少明显,主要是由于该材料生成的硅氧烷分子在红砂岩表面形成一层隔水薄膜,能够阻止库水在渗透压作用下进入红砂岩体内;微发泡状聚脲使得薄膜具有一定的耐腐蚀性与韧性,阻止红砂岩内部粘土矿物在周期性湿干交替作用下发生微型收缩膨胀,从而防止红砂岩力学强度参数的进一步劣化;大量的碳酸钠晶体与硅氧烷分子结合使得薄膜内部结构密实,增强了薄膜力学强度;同时纳米TiO2的加入极大地提高了红砂岩表面抗老化性能,也使得整个薄膜结构进一步密实,从而进一步增强其力学强度与隔水性能。