本文以株洲红砂岩作为研究对象,通过电镜扫描试验、X-衍射试验、自由膨胀率试验、侧限无荷膨胀率试验、膨胀应力试验以及侧限有荷膨胀率试验较为全面地揭示了红砂岩的微观结构、矿物成分、膨胀特性及其影响因素,并进而建立了红砂岩膨胀本构模型。本文的主要研究内容和主要结论如下:(1)通过扫描电镜试验,得到了其微观结构图像,进而分析了其微观结构特征,测定了红砂岩的微区元素分布以及某点的元素分布,以确定红砂岩的主要组成元素;随后通过对红砂岩进行X射线衍射试验,确定了其矿物成分。试验表明,红砂岩中存在着许多微裂隙和孔隙,且其结构主要呈现颗粒状结构,前者性状明显、结构完整,后者分布不均匀、较为碎散;红砂岩的组成元素主要以O、Mg、Al、Si、K、Ca、Fe为主,部分点为还包含有Na;红砂岩的组成矿物包含石英、方解石、高岭石、长石、绿泥石、云母、蒙脱石、伊利石。综合这些微观结构、组成元素及矿物组成的特征,研究了红砂岩膨胀的主要影响因素。(2)通过自由膨胀率试验、侧限无荷膨胀率试验、膨胀应力试验,获得了自由膨胀下的膨胀率时程曲线,侧向约束无荷作用下的膨胀率时程曲线,以及侧向约束下的膨胀应力时程曲线。试验发现,膨胀表现出流变、蠕变的特性,其过程大致可分为三个阶段,即等速膨胀阶段、减速膨胀阶段、膨胀稳定阶段。膨胀开始时,膨胀速率即达到最大,随时间推移膨胀速率逐渐降低,最终膨胀变形趋于稳定,不再增大,膨胀过程表现出非连续性变化,在稳定之前,变形增长时快时慢,同时其变形呈现出明显的衰减特性。随后,采用土壤高压固结仪,对株洲红砂岩试样进行了侧限有荷膨胀率试验。进而得到了侧向约束有荷膨胀膨胀率时程曲线、侧向约束有荷膨胀应力-膨胀率关系曲线。加载组试样A第一级荷载作用下,膨胀膨胀率时程曲线表现出等速膨胀、减速膨胀和膨胀稳定阶段。而且,膨胀率初始阶段最大,之后逐渐减小,最终保持为常数。此外,逐级加载组的膨胀率随每级荷载的施加而减小,且有瞬时变形,整个图形呈现阶梯状变化;逐级卸载组的膨胀率随每级荷载的施加而增大,且有瞬时变形,整个图形呈现阶梯状变化。(3)从试验角度出发:根据侧限有荷膨胀率试验数据,运用Matlab软件,对数据进行了拟合,得到了适用于本文红砂岩的侧限有荷膨胀率试验膨胀率-时间关系式。随后,对其有效性进行了验证,并与同类型膨胀本构模型进行了对比,结果证明了该关系式的优越性。之后,经过分析,选择了已被公认的HuderAmberg膨胀模型,并联立膨胀率-时间关系式,建立了考虑时间效应的一维膨胀本构模型。通过广义胡克定律将体积膨胀率、第一应力不变量引入,将一维模型成功的拓展到三维膨胀本构模型。该模型不再受侧限条件约束,适用范围更广。此即为本文提出的适用于该红砂岩的膨胀本构模型。该模型不仅适用于红砂岩侧限有荷膨胀试验的逐级加载试样A的试验数据,而且同样适用于逐级卸载的试样D的试验数据,更好的模拟了各种工况下膨胀岩的膨胀特性。