论文部分内容阅读
随着一些大型的水利工程的建设，一大批大型水库应运而生，由水-岩作用引起的一系列库岸边坡的稳定问题急需解决。三峡库区蓄水后，库水位常年在145m的防洪水位和175m的蓄水发电水位之间发生升降变化，形成30m高度的消落带。蓄水影响范围包括湖北省4个县和重庆市16个县（区），全程约600km。该受影响区域岸坡有多种类型的岩石，如砂岩，泥岩，石灰岩，角砾岩等，不同类型的岩质边坡在长期库水的作用下表现出不同的变形和破坏规律。三峡工程自从2003年6月蓄水至今，一些岸坡发生了大变形和破坏的迹象。而且，很多稳定问题是因为库水的反复升降变化引起的。监测资料显示，自三峡库区蓄水以来，多处库岸边坡一直存在着持续的变形，尤其在库水位升降和汛期，有的甚至出现了明显的破坏迹象。
库岸边坡的变形破坏往往是多因素耦合作用的结果，因此本文选取三峡库区典型滑坡砂岩为试验研究对象，开展模拟“消落带”库水位升降循环（周期性水-岩作用）和“消落带”以下长期处于水压力浸泡作用（应力-水压耦合作用）下的水-岩作用试验，综合岩样的宏观力学特性和微细观结构变化特征分析砂岩在两种不同的水-岩作用下的蠕变力学特性劣化效应和劣化机理，为研究大型水库库岸边坡防护以及地质灾害评价预测提供可靠的数据依据。上述研究过程中主要有以下的研究成果和结论：
（1）周期性水-岩作用下，通过砂岩的宏观力学特性劣化规律得出：①砂岩的瞬时破坏强度、蠕变破坏强度和长期强度劣化趋势明显，而且劣化幅度呈现先快后慢的的趋势，其中，前6期水-岩作用下，砂岩强度劣化幅度相对较大，第6期水-岩作用后，砂岩强度的劣化幅度逐渐变小；②不同水-岩作用周期下砂岩在各级应力水平下都表现出了明显的蠕变特性；破坏应力水平下，随着水-岩作用周期的增加，稳态蠕变阶段历时的占比渐渐减低，而加速蠕变阶段历时的占比例逐渐升高，说明周期性水-岩作用导致砂岩的延性渐渐增强，渐渐降低了破坏的突发性；③周期性水-岩作用前期，试样破坏的破裂面粉碎性破坏程度较高，周期性水-岩作用后期，试样破坏的破裂面以剪破坏为主，破裂面贯穿整个试样。
（2）周期性水-岩作用下，从微观层面展开砂岩的劣化机理研究主要得出了：①水-岩作用的前6个周期，Ca2+浓度、Na+浓度、K+浓度总体呈上升趋势，水-岩作用6个周期之后，Ca2+浓度、Na+浓度、K+浓度趋于稳定；②随着水-岩作用周期的增加，砂岩的次生孔隙率逐渐增大，6个水-岩作用周期后砂岩试样的孔隙率变化逐渐缓慢趋于稳定；③总结出了周期性水-岩作用下不同阶段砂岩微细观劣化模型，随着水-岩作用周期的增加岩样的结构由致密转变为松散多孔，岩样微观结构的变化导致了宏观力学参数劣化。
（3）应力-水压耦合作用下，通过砂岩的宏观力学特性劣化规律得出：①水压力的增大，砂岩试样的单轴抗压强度及弹性模量呈现减小趋势，说明水压力的增大会导致砂岩试样的瞬时强度降低和力学参数的劣化；②应力-水压耦合作用下砂岩试样分级加载蠕变曲线均产生明显的瞬时应变，低应力水平下，砂岩试样只发生衰减蠕变和稳态蠕变，只在最后一级应力水平下才出现加速蠕变特征；③水压力一定时，随着轴向应力的增大，砂岩瞬时应变和蠕变应变均呈增大的趋势；应力水平一定时，随着水压力的增大，砂岩的瞬时应变和蠕变应变呈增大趋势；④水压力一定时，随着应力水平的增大，会导致砂岩试样的初始蠕变速率的增大，稳态蠕变阶段的速率增加；应力水平一定时，水压力的增大，会导致砂岩试样的初始蠕变速率减小，衰减至稳定蠕变的时间增长，稳态蠕变的速率逐渐增加；⑤随着水压力的不断增大，砂岩的蠕变破坏强度和长期强度均不断降低，说明水压力的作用导致砂岩试样的力学性能下降，水压力的增大会导致砂岩试样更早的进入屈服阶段；⑥不同应力-水压耦合作用下，砂岩试样的蠕变破坏均呈现出明显的张拉破坏特征，随着水压力的增大，蠕变破坏后砂岩试样的破碎程度逐渐增加，试样表面的裂纹也是逐渐增多，破坏时主裂缝与轴向的夹角逐渐增大。
（4）应力-水压耦合作用下，从微观层面展开砂岩的劣化机理研究主要得出了：①轴向应力水平一定时，随着水压力的增大，各离子浓度的总体变化规律为Ca+浓度、Na+浓度、K+浓度均呈现上升趋势；②轴向应力水平一定时，随着水压力的增大，砂岩试样的次生孔隙率逐渐增大：相较于水压力为0时，0.5MPa水压力，次生孔隙率增加了0.58%；1.0MPa水压力，次生孔隙率增加了0.95%；2.0MPa水压力，次生孔隙率增加了1.32%；③应力-水压耦合作用下存在着应力、化学与渗流三场的耦合问题，是一个实时反馈、因循反复的过程；砂岩在长时间受到应力作用时，其内部的微观结构不断变化和调整，微裂纹和孔隙也会不断的累积和发展；同时岩石外部受到水压力作用，压力水会不断流入新产生的裂纹内，其中压力水产生的渗流作用和化学作用均导致岩石内部的孔隙增大、扩展甚至贯通，从而进一步改变岩石内部的微观结构，从宏观上就表现为岩石力学特性的劣化；轴向应力的增大和水压力的增大均会加速砂岩的宏观力学特性的劣化。
（5）引入损伤变量，提出非线性黏性元件，并利用应力和时间作为非线性粘性元件的触发条件，构建一个新的非线性加速蠕变模型，将其与西元体组合，建立了一个新的非线性黏弹塑性蠕变模型，同时考虑到水-岩作用对三峡库区典型砂岩的劣化作用，在上述蠕变本构模型的基础上引入水-岩损伤变量，建立了考虑水-岩作用劣化效应的蠕变模型；考虑水-岩作用劣化效应的蠕变模型拟合的结果与不同水-岩作用周期和不同应力-水压耦合作用下砂岩试样的蠕变曲线进行对比，拟合的相关系数高，说明此模型能够用于描述水-岩作用劣化效应下的砂岩蠕变变形特性。
（6）以范家坪木鱼包滑坡为例，通过数值模拟计算分析滑坡在水-岩作用下的演变过程，研究结果表明，水-岩作用对岸坡变形的影响十分显著，库岸边坡“消落带”区域的水-岩作用和“消落带”以下区域的水-岩作用均对岸坡变形产生了一定的影响。
库岸边坡的变形破坏往往是多因素耦合作用的结果，因此本文选取三峡库区典型滑坡砂岩为试验研究对象，开展模拟“消落带”库水位升降循环（周期性水-岩作用）和“消落带”以下长期处于水压力浸泡作用（应力-水压耦合作用）下的水-岩作用试验，综合岩样的宏观力学特性和微细观结构变化特征分析砂岩在两种不同的水-岩作用下的蠕变力学特性劣化效应和劣化机理，为研究大型水库库岸边坡防护以及地质灾害评价预测提供可靠的数据依据。上述研究过程中主要有以下的研究成果和结论：
（1）周期性水-岩作用下，通过砂岩的宏观力学特性劣化规律得出：①砂岩的瞬时破坏强度、蠕变破坏强度和长期强度劣化趋势明显，而且劣化幅度呈现先快后慢的的趋势，其中，前6期水-岩作用下，砂岩强度劣化幅度相对较大，第6期水-岩作用后，砂岩强度的劣化幅度逐渐变小；②不同水-岩作用周期下砂岩在各级应力水平下都表现出了明显的蠕变特性；破坏应力水平下，随着水-岩作用周期的增加，稳态蠕变阶段历时的占比渐渐减低，而加速蠕变阶段历时的占比例逐渐升高，说明周期性水-岩作用导致砂岩的延性渐渐增强，渐渐降低了破坏的突发性；③周期性水-岩作用前期，试样破坏的破裂面粉碎性破坏程度较高，周期性水-岩作用后期，试样破坏的破裂面以剪破坏为主，破裂面贯穿整个试样。
（2）周期性水-岩作用下，从微观层面展开砂岩的劣化机理研究主要得出了：①水-岩作用的前6个周期，Ca2+浓度、Na+浓度、K+浓度总体呈上升趋势，水-岩作用6个周期之后，Ca2+浓度、Na+浓度、K+浓度趋于稳定；②随着水-岩作用周期的增加，砂岩的次生孔隙率逐渐增大，6个水-岩作用周期后砂岩试样的孔隙率变化逐渐缓慢趋于稳定；③总结出了周期性水-岩作用下不同阶段砂岩微细观劣化模型，随着水-岩作用周期的增加岩样的结构由致密转变为松散多孔，岩样微观结构的变化导致了宏观力学参数劣化。
（3）应力-水压耦合作用下，通过砂岩的宏观力学特性劣化规律得出：①水压力的增大，砂岩试样的单轴抗压强度及弹性模量呈现减小趋势，说明水压力的增大会导致砂岩试样的瞬时强度降低和力学参数的劣化；②应力-水压耦合作用下砂岩试样分级加载蠕变曲线均产生明显的瞬时应变，低应力水平下，砂岩试样只发生衰减蠕变和稳态蠕变，只在最后一级应力水平下才出现加速蠕变特征；③水压力一定时，随着轴向应力的增大，砂岩瞬时应变和蠕变应变均呈增大的趋势；应力水平一定时，随着水压力的增大，砂岩的瞬时应变和蠕变应变呈增大趋势；④水压力一定时，随着应力水平的增大，会导致砂岩试样的初始蠕变速率的增大，稳态蠕变阶段的速率增加；应力水平一定时，水压力的增大，会导致砂岩试样的初始蠕变速率减小，衰减至稳定蠕变的时间增长，稳态蠕变的速率逐渐增加；⑤随着水压力的不断增大，砂岩的蠕变破坏强度和长期强度均不断降低，说明水压力的作用导致砂岩试样的力学性能下降，水压力的增大会导致砂岩试样更早的进入屈服阶段；⑥不同应力-水压耦合作用下，砂岩试样的蠕变破坏均呈现出明显的张拉破坏特征，随着水压力的增大，蠕变破坏后砂岩试样的破碎程度逐渐增加，试样表面的裂纹也是逐渐增多，破坏时主裂缝与轴向的夹角逐渐增大。
（4）应力-水压耦合作用下，从微观层面展开砂岩的劣化机理研究主要得出了：①轴向应力水平一定时，随着水压力的增大，各离子浓度的总体变化规律为Ca+浓度、Na+浓度、K+浓度均呈现上升趋势；②轴向应力水平一定时，随着水压力的增大，砂岩试样的次生孔隙率逐渐增大：相较于水压力为0时，0.5MPa水压力，次生孔隙率增加了0.58%；1.0MPa水压力，次生孔隙率增加了0.95%；2.0MPa水压力，次生孔隙率增加了1.32%；③应力-水压耦合作用下存在着应力、化学与渗流三场的耦合问题，是一个实时反馈、因循反复的过程；砂岩在长时间受到应力作用时，其内部的微观结构不断变化和调整，微裂纹和孔隙也会不断的累积和发展；同时岩石外部受到水压力作用，压力水会不断流入新产生的裂纹内，其中压力水产生的渗流作用和化学作用均导致岩石内部的孔隙增大、扩展甚至贯通，从而进一步改变岩石内部的微观结构，从宏观上就表现为岩石力学特性的劣化；轴向应力的增大和水压力的增大均会加速砂岩的宏观力学特性的劣化。
（5）引入损伤变量，提出非线性黏性元件，并利用应力和时间作为非线性粘性元件的触发条件，构建一个新的非线性加速蠕变模型，将其与西元体组合，建立了一个新的非线性黏弹塑性蠕变模型，同时考虑到水-岩作用对三峡库区典型砂岩的劣化作用，在上述蠕变本构模型的基础上引入水-岩损伤变量，建立了考虑水-岩作用劣化效应的蠕变模型；考虑水-岩作用劣化效应的蠕变模型拟合的结果与不同水-岩作用周期和不同应力-水压耦合作用下砂岩试样的蠕变曲线进行对比，拟合的相关系数高，说明此模型能够用于描述水-岩作用劣化效应下的砂岩蠕变变形特性。
（6）以范家坪木鱼包滑坡为例，通过数值模拟计算分析滑坡在水-岩作用下的演变过程，研究结果表明，水-岩作用对岸坡变形的影响十分显著，库岸边坡“消落带”区域的水-岩作用和“消落带”以下区域的水-岩作用均对岸坡变形产生了一定的影响。