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在夏季期间,重庆地区岩层长时间处在高温高湿的环境中,依托重庆长寿长江二桥项目,针对西南地区较为发育的砂岩、泥岩岩层,研究高温高湿作用对砂泥岩的劣化影响。首先采用室内试验方法,分析砂泥岩宏观、微观与力学特性,得出高温高湿作用下砂泥岩的劣化机理,然后根据力学试验构建并验证了高温高湿作用下砂泥岩力学损伤本构方程,最后通过数值模拟的方法,得出高温高湿作用下砂泥岩岩层表层的劣化影响深度及其基坑锚碇侧位移的影响,为高温高湿作用下基坑施工防护提出建议。论文的主要成果如下:
①对砂泥岩分别进行时长15天和7天的高温高湿试验,对高温高湿作用后的砂泥岩进行宏观孔隙度、膨胀性、吸水性(砂岩)、崩解性(泥岩)试验,力学单轴试验与微观矿物分析试验,力学三轴试验与微观扫描电镜试验,分析得出砂泥岩各性质参数随高温高湿时长增加的变化规律。对于砂泥岩,宏观特性参数随高温高湿时长增长而升高;力学特性参数随高温高湿时长增长而降低;微观分形维数与三轴强度参数呈负相关关系;砂岩微观特性的钠长石含量占比与单轴强度参数呈正相关关系;泥岩微观特性的钠长石含量占比与单轴抗压强度呈正相关关系,黏土矿物含量占比与单轴抗压强度呈负相关关系。此外,围压对高温高湿作用后砂泥岩力学特性参数的降低起到抑制作用,低围压条件下抑制作用有限。
②根据砂泥岩室内试验参数变化规律,定义并计算高温高湿作用下砂泥岩的劣化度,分析得出宏观与微观劣化效应之间相互影响,两者又同时加剧力学劣化效应,然后通过对所有参数劣化度拟合结果的归一化处理和微分,得到高温高湿作用对砂泥岩性质的劣化影响序列,据此定义高温高湿作用下砂泥岩劣化阶段,得到高温高湿作用下砂泥岩劣化机理。对于砂岩,其力学抗压强度劣化度约为19%,抗剪强度劣化度约为9%;高温高湿作用对砂岩的主要劣化影响序列为:宏观参数>力学变形参数>力学强度参数>微观特性参数;砂岩劣化过程被划分为受热吸湿阶段、损伤过渡阶段、损伤扩展阶段和损伤稳定阶段四个阶段。对于泥岩,其力学抗压强度劣化度约为75%,抗剪强度参数劣化度约为41%;高温高湿作用对泥岩的主要劣化影响序列同砂岩;泥岩劣化过程被划分为受热吸湿阶段、损伤激增阶段和宏观破裂阶段三个阶段。
③基于高温高湿作用下砂泥岩常规三轴压缩试验,利用应变等价假定和统计强度理论,推导出高温高湿作用下砂泥岩的力学损伤演化和本构方程。用高温高湿作用下的弹性模量和分形维数,分别表征高温高湿引起的损伤变量和高温高湿作用下荷载引起的微元损伤变量,构建出砂泥岩的损伤演化方程,然后基于非线性弹性本构关系,代入推导所得两个损伤演化方程,得到高温高湿作用下砂泥岩损伤本构方程,对比试验曲线,理论拟合曲线还原程度较好,能够反映不同高温高湿时长作用下砂泥岩的力学损伤情况。
④首先通过声波试验验证了Ansys软件模拟高温高湿作用的有效性,然后利用Ansys软件,构建基坑实体模型,得出不同高温高湿时长作用对砂泥岩岩层表层的劣化影响深度,15天高温高湿作用下砂岩的劣化影响深度在0.308m,7天高温高湿作用下泥岩的劣化影响深度在0.252m。根据劣化深度模拟结果,分析了高温高湿作用对基坑锚碇侧位移影响,15天高温高湿作用下砂岩基坑锚碇侧位移比自然状态下增长了7.2%。综合高温高湿作用对砂泥岩的劣化影响结论,提出高温高湿作用下基坑施工的防护建议。
①对砂泥岩分别进行时长15天和7天的高温高湿试验,对高温高湿作用后的砂泥岩进行宏观孔隙度、膨胀性、吸水性(砂岩)、崩解性(泥岩)试验,力学单轴试验与微观矿物分析试验,力学三轴试验与微观扫描电镜试验,分析得出砂泥岩各性质参数随高温高湿时长增加的变化规律。对于砂泥岩,宏观特性参数随高温高湿时长增长而升高;力学特性参数随高温高湿时长增长而降低;微观分形维数与三轴强度参数呈负相关关系;砂岩微观特性的钠长石含量占比与单轴强度参数呈正相关关系;泥岩微观特性的钠长石含量占比与单轴抗压强度呈正相关关系,黏土矿物含量占比与单轴抗压强度呈负相关关系。此外,围压对高温高湿作用后砂泥岩力学特性参数的降低起到抑制作用,低围压条件下抑制作用有限。
②根据砂泥岩室内试验参数变化规律,定义并计算高温高湿作用下砂泥岩的劣化度,分析得出宏观与微观劣化效应之间相互影响,两者又同时加剧力学劣化效应,然后通过对所有参数劣化度拟合结果的归一化处理和微分,得到高温高湿作用对砂泥岩性质的劣化影响序列,据此定义高温高湿作用下砂泥岩劣化阶段,得到高温高湿作用下砂泥岩劣化机理。对于砂岩,其力学抗压强度劣化度约为19%,抗剪强度劣化度约为9%;高温高湿作用对砂岩的主要劣化影响序列为:宏观参数>力学变形参数>力学强度参数>微观特性参数;砂岩劣化过程被划分为受热吸湿阶段、损伤过渡阶段、损伤扩展阶段和损伤稳定阶段四个阶段。对于泥岩,其力学抗压强度劣化度约为75%,抗剪强度参数劣化度约为41%;高温高湿作用对泥岩的主要劣化影响序列同砂岩;泥岩劣化过程被划分为受热吸湿阶段、损伤激增阶段和宏观破裂阶段三个阶段。
③基于高温高湿作用下砂泥岩常规三轴压缩试验,利用应变等价假定和统计强度理论,推导出高温高湿作用下砂泥岩的力学损伤演化和本构方程。用高温高湿作用下的弹性模量和分形维数,分别表征高温高湿引起的损伤变量和高温高湿作用下荷载引起的微元损伤变量,构建出砂泥岩的损伤演化方程,然后基于非线性弹性本构关系,代入推导所得两个损伤演化方程,得到高温高湿作用下砂泥岩损伤本构方程,对比试验曲线,理论拟合曲线还原程度较好,能够反映不同高温高湿时长作用下砂泥岩的力学损伤情况。
④首先通过声波试验验证了Ansys软件模拟高温高湿作用的有效性,然后利用Ansys软件,构建基坑实体模型,得出不同高温高湿时长作用对砂泥岩岩层表层的劣化影响深度,15天高温高湿作用下砂岩的劣化影响深度在0.308m,7天高温高湿作用下泥岩的劣化影响深度在0.252m。根据劣化深度模拟结果,分析了高温高湿作用对基坑锚碇侧位移影响,15天高温高湿作用下砂岩基坑锚碇侧位移比自然状态下增长了7.2%。综合高温高湿作用对砂泥岩的劣化影响结论,提出高温高湿作用下基坑施工的防护建议。