孔隙水压作用下饱和砂岩蠕变特性试验研究

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三峡库区“消落带”处的岩石长期遭受库水位往复升降的循环作用,其力学特性逐渐劣化,对库区岩质边坡的稳定性产生了重大的安全隐患。根据库区水位变动,开展边坡岩体的蠕变力学试验具有十分必要的实际意义。本文受国家自然科学基金重点项目“复杂条件下库岸边坡变形破坏机理及防护”(51439003)资助,以三峡库区边坡砂岩为试验对象,开展饱和、孔隙水压、循环孔隙水压条件下的砂岩分级加载蠕变试验,对不同条件下的边坡砂岩蠕变力学特性变化规律进行研究,结论如下:1)在瞬时力学试验的基础上进行了饱和砂岩蠕变试验,探究了不同围压条件下饱和砂岩蠕变过程中变形曲线、变形特征、蠕变速率、长期强度等力学参数的变化规律。结果表明:瞬时应变、蠕变应变和蠕变速率随着应力水平的增加而增大,瞬时应变增量随着应力水平的增加逐渐减小;围压对砂岩应变的抑制效果随着围压的增大逐渐减弱,但长期强度却随着围压的增加逐步变大;环向蠕变比轴向蠕变提前进入加速蠕变阶段,在实际的工程应用中,应更重视环向蠕变变形的扩张。2)开展孔隙水压条件下的饱和砂岩蠕变试验,分析了不同围压下孔隙水压对饱和砂岩变形特征、蠕变速率等力学参数的影响程度。结果表明:孔隙水压的存在不会改变蠕变的变形规律,反而使初始蠕变应变、长期强度、粘聚力和内摩擦角均有所下降,其中粘聚力和内摩擦角的降幅分别为9.1%和5.6%;从有效应力变化的角度出发,采用端部效应理论对初始蠕变应变降低的现象做出了解释。3)通过循环孔隙水压作用下的饱和砂岩蠕变试验,获得了 5MPa围压下饱和砂岩的变形特征、蠕变速率和长期强度等力学参数。结果表明:第一次水压循环后,蠕变应变由于应力瞬时加载而达到该阶段最大值;随着水压循环次数的增加,蠕变应变、弹性模量和应变单次劣化度不断减小;弹性模量单次劣化度和蠕变速率随着应力水平的增加逐渐变大。将饱和状态、孔隙水压和循环孔隙水压条件下的变形特征和蠕变速率进行对比,发现:在循环孔隙水压作用下,饱和砂岩虽然最迟进入稳态蠕变阶段,却最早发生非线性加速蠕变破坏。4)根据饱和砂岩蠕变变形规律分析,以西原模型为基础,引进Weibull分布函数对黏滞系数η进行优化,构建新的非线性本构模型;在此基础上,考虑不同次数的循环孔隙水压对弹性模量和黏滞系数造成的损伤,引入损伤变量dEn、dηn,建立起考虑循环孔隙水压作用和力学累积损伤的饱和砂岩蠕变本构模型。采用L-M迭代算法对模型参数进行辨识和曲线拟合,拟合相关度较高,表明模型的合理性和准确性。
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