干湿循环作用下节理砂岩力学特性研究及工程应用

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三峡水利枢纽运行后,库区水位每年在145m至175m之间升降变化,低水位运行时有间断性降雨,库岸裸露的库岸边坡将经受“干湿交替”的劣化作用,而天然岩体中往往分布着各向结构面,在干湿作用下劣化会更加剧烈,是库岸边坡的安全稳定影响因素之一。因此,本文以三峡库区库岸边坡新鲜砂岩为研究对象,预制0°、30°、45°、60°、90°五种非贯通节理砂岩,对预制的节理砂岩进行干湿循环试验、单轴压缩试验、三轴加卸荷试验和直剪试验,探讨节理砂岩在不同应力状态下力学指标劣化规律及破坏特征,并将研究成果应用于工程实践中,主要研究内容如下:  1)干湿循环试验结果表明,节理砂岩的质量和纵波波速随干湿循环次数的增加而减小,且质量和波速劣化量 n?m、 n?ν因结构面倾角而异,连通率越大劣化量越大;“浸泡-烘干”过程中砂岩端部边缘岩石颗粒逐渐剥落,节理填充物逐渐溶解。  2)单轴压缩试验结果表明,干湿循环作用对砂岩的变形、力学指标和破坏形态影响显著,随干湿循环次数的增加,完整试件和节理试件延性增强,抗压强度和弹性模量均逐渐减小,且可以用y?a?b ln(1?n c)来表示;干湿循环前期,抗压强度、弹性模量劣化幅度较大,后期逐渐减弱,且劣化量因节理倾角各异;各循环周期节理试件单轴压缩破坏模式以张拉劈裂为主。  3)三轴压缩试验结果表明,三轴压缩得到应力-应变曲线、变形参数、强度参数、破坏形态与单轴压缩试验结果有差异,且力学指标随干湿循环次数增加逐渐减小;三轴压缩得到的变形参数和强度参数因结构面倾角不同而表现各向异性特征,并随干湿循环次数的增加各向异性特征变弱;三轴压缩破坏模式以剪切破坏为主,且0°、30°、45°的节理试件的主破坏面以单一剪切面和“X”、“Y”型共轭剪切面为主,60°、90°节理试件和完整试件主破坏面为单一剪切面。  4)三轴卸荷试验结果表明,卸荷加载阶段应力-应变曲线特征、变形特征、强度特征的变化规律与对应三轴加载阶段变化规律基本一致。相同卸荷当量下各节理试件卸荷阶段变形模量随干湿循环次数的增加而减小,且节理试件卸荷阶段变形模量的降幅随卸荷当量的增加而增大,且卸荷当量在0~80%之间,变形模量减小趋缓,卸荷当量在80%~100%之间,变形模量加速减小;卸荷破坏模式与三轴加载破坏不同,且卸荷破坏以拉剪破坏为主,且主破坏面以单一剪切面和“X”、“Y”型共轭剪切面为主,破碎程度比同围压三轴加载高。  5)直剪试验结果表明,粘聚力和内摩擦角随着干湿循环次数的增加而逐渐减小,且可以用对数函数来拟合;粘聚力和内摩擦角的总劣化度随干湿循环次数的增加而增大。砂岩剪切为单一水平剪切面,随着法向荷载的增大,单一剪切面起伏变小,且剪切表面砂岩粉末增多。  6)通过对干湿循环作用下库区库岸边坡稳定性进行数值模拟,结果表明:干湿循环周期内,随着岩石力学参数的劣化,库岸边坡前缘拉应力增大,蓄水期库岸边坡变形较小,而库水骤降向坡外的变形逐渐增大,应加强库岸边坡监测。
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