特殊軟巖軟化機(jī)制與力學(xué)耦合效應(yīng)研究.pdf

1、水—巖耦合研究是國際上巖石力學(xué)與工程地質(zhì)學(xué)的學(xué)科前沿課題之一，軟巖與水相互作用及其軟化效應(yīng)問題作為其中的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題，已經(jīng)成為學(xué)術(shù)界與工程界共同關(guān)注的焦點(diǎn)?！凹t層”作為具有代表性的一類軟巖，在我國廣為分布，也是華南地區(qū)的基底地層，具有在天然狀態(tài)下較為完整、堅(jiān)硬，力學(xué)性能良好，但遇水后短時(shí)間內(nèi)迅速膨脹、崩解、軟化、力學(xué)性質(zhì)大幅度急劇降低的特點(diǎn)。軟巖所具有的這種特殊的工程性質(zhì)是許多重大工程災(zāi)害的根源之所在，迫切需要在其軟化機(jī)制與變形破壞規(guī)

2、律研究上取得突破?；诖?，本文選擇軟巖軟化機(jī)制與變形破壞過程力學(xué)效應(yīng)這兩個(gè)關(guān)鍵問題為切入點(diǎn)，以廣東境內(nèi)某供水改造工程為依托，首先在研究特殊軟巖分布規(guī)律及其基本性質(zhì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并開展了軟巖飽水軟化試驗(yàn)，探討了不同飽水時(shí)間下軟巖結(jié)構(gòu)、成分和物理力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律及應(yīng)用；接著，為了對(duì)實(shí)際賦存環(huán)境下軟巖與水耦合作用過程進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M，自行研制了“TAW-100水—應(yīng)力耦合軟巖細(xì)觀力學(xué)伺服三軸試驗(yàn)系統(tǒng)”，開展了軟巖力學(xué)效應(yīng)試驗(yàn)，包括：常規(guī)三軸試驗(yàn)

3、與飽水三軸流變試驗(yàn)；然后，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，從微觀與宏觀兩個(gè)角度出發(fā)，采用礦物學(xué)、微觀力學(xué)及非線性動(dòng)力學(xué)理論，深入研究了軟巖遇水軟化的微觀礦物學(xué)機(jī)制、微觀力學(xué)機(jī)制及非線性動(dòng)力學(xué)機(jī)制；在此基礎(chǔ)上，采用損傷力學(xué)、彈塑性力學(xué)及不可逆熱力學(xué)理論，開展了飽水軟巖的力學(xué)耦合效應(yīng)研究，探索了其塑性變形機(jī)理，提出了飽水軟巖彈塑性損傷本構(gòu)關(guān)系，并從材料微觀結(jié)構(gòu)演化的角度，考慮水—應(yīng)力耦合流變損傷效應(yīng)，建立了飽水軟巖損傷流變模型；最后對(duì)所建立的力學(xué)模型進(jìn)行了試

4、驗(yàn)驗(yàn)證，表明了模型的適用性與可靠性。本研究不僅可以豐富、完善和發(fā)展軟巖力學(xué)理論與方法，探索水—巖耦合作用研究的新途徑，而且，可為軟巖廣為分布地區(qū)的工程設(shè)計(jì)、施工提供十分有價(jià)值的指導(dǎo)。 論文的主要研究內(nèi)容包括： 1.在現(xiàn)場資料收集、整理與分析的基礎(chǔ)上，開發(fā)了復(fù)雜地層分布圖形化表征技術(shù)，利用該技術(shù)探討了依托工程場區(qū)內(nèi)軟巖的分布規(guī)律；選擇粉砂質(zhì)泥巖為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)并開展了特殊軟巖飽水軟化試驗(yàn)，研究了不同飽水時(shí)間下軟巖結(jié)構(gòu)、成分

5、和物理力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律，結(jié)果表明：軟巖中的粘土礦物成分以高嶺石、伊利石為主，同時(shí)含少量蒙脫石，屬中等膨脹性軟巖，天然狀態(tài)下其微觀結(jié)構(gòu)包括粒狀結(jié)構(gòu)與致密條狀結(jié)構(gòu)兩種類型；飽水條件下軟巖物理力學(xué)性質(zhì)、微觀結(jié)構(gòu)、礦物成分、化學(xué)成分以及水溶液離子濃度、PH值的變化均和時(shí)間存在良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，此即為軟巖軟化表現(xiàn)形式，而軟巖在一定水環(huán)境下產(chǎn)生的物理、力學(xué)和化學(xué)作用過程是導(dǎo)致其軟化的可能原因；通過將軟巖試驗(yàn)研究結(jié)果應(yīng)用于依托工程——金湖高邊坡的穩(wěn)定

6、性分析中，結(jié)果顯示：邊坡塑性破壞區(qū)的分布位置和范圍與實(shí)際滑坡發(fā)生的狀況十分接近，加固效果良好。 2.為了實(shí)現(xiàn)對(duì)工程環(huán)境下軟巖與水耦合作用過程的試驗(yàn)?zāi)M，通過對(duì)傳統(tǒng)巖石三軸試驗(yàn)機(jī)中加載系統(tǒng)、壓力室及顯微觀測部分的改進(jìn)，設(shè)計(jì)并加工了水壓與油壓兩套壓力室、實(shí)現(xiàn)了多種工作液體施加圍壓的雙向伺服加載系統(tǒng)以及三軸可調(diào)顯微觀測系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，研制了“TAW-100水—應(yīng)力耦合軟巖細(xì)觀力學(xué)伺服三軸試驗(yàn)系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜水—巖相互作用過程的試驗(yàn)

7、再現(xiàn)。基于該系統(tǒng)，在模擬實(shí)際軟巖賦存環(huán)境的基礎(chǔ)上，開展了特殊軟巖力學(xué)效應(yīng)試驗(yàn)，包括：常規(guī)三軸試驗(yàn)與飽水三軸流變試驗(yàn)，研究了飽水軟巖在三軸條件下的變形破壞規(guī)律及在水—應(yīng)力耦合作用下的流變特性，結(jié)果表明：飽水軟巖具有塑性變形特性、材料性能劣化特性以及流變特性等復(fù)雜的力學(xué)特性，水對(duì)增加軟巖流變的變形量、提高流變速率作用顯著。 3.在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，基于礦物學(xué)理論，分析了軟巖中主要粘土礦物的晶體結(jié)構(gòu)與物質(zhì)組成特征，指出：粘土礦物顆粒與

8、水溶液之間的物理力學(xué)作用，是導(dǎo)致軟巖宏觀性質(zhì)軟化的根本原因；在此基礎(chǔ)上，探討了軟巖軟化過程中三種變形力學(xué)機(jī)制：粘粒膠結(jié)膨脹機(jī)制、晶粒(化學(xué))膨脹機(jī)制以及毛細(xì)管力作用機(jī)制，并考慮所研究特殊軟巖中粘土礦物含量特征，研究了三種變形機(jī)制之間的耦合作用關(guān)系，提出了基于粘土礦物特征的特殊軟巖軟化機(jī)制，即：膠結(jié)作用為主，分子(化學(xué))膨脹作用機(jī)制為次，毛細(xì)管力作用為輔，三種機(jī)制相輔相成，共同作用，最終導(dǎo)致了軟巖宏觀性質(zhì)軟化。 4.結(jié)合軟巖微觀結(jié)

9、構(gòu)測試結(jié)果，考慮粘土礦物顆粒與(粉)砂質(zhì)顆粒的含量關(guān)系，提出了軟巖微觀結(jié)構(gòu)組合元件，建立了描述天然狀態(tài)下粒狀結(jié)構(gòu)軟巖以及致密條塊狀結(jié)構(gòu)軟巖的兩種典型微觀結(jié)構(gòu)單元；采用重整化群方法，分析了軟巖軟化過程微觀結(jié)構(gòu)演化的臨界判據(jù)，通過對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了兩類微觀結(jié)構(gòu)單元的合理性；建立了一類考慮微缺陷的軟巖網(wǎng)狀四邊形薄片結(jié)構(gòu)模型，并對(duì)水與荷載兩種條件分別作用下，軟巖微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律進(jìn)行了定性模擬，結(jié)果表明：該模型可以較好地描述軟巖飽水

10、軟化試驗(yàn)以及三軸力學(xué)試驗(yàn)規(guī)律，具有一定的合理性。 5.采用自組織臨界性、耗散結(jié)構(gòu)、混沌動(dòng)力學(xué)等非線性動(dòng)力學(xué)理論研究了軟巖軟化的非線性動(dòng)力學(xué)機(jī)制。首先總結(jié)了軟巖軟化過程的自組織臨界特征，接著綜合采用試驗(yàn)分析與數(shù)學(xué)模擬兩種方法，驗(yàn)證了軟巖軟化過程中時(shí)空降維特征，提出了軟巖軟化過程中耗散結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，從軟巖結(jié)構(gòu)分維研究出發(fā)，建立了軟巖軟化過程的分岔混沌模型。采用該分叉模型進(jìn)行的軟巖軟化計(jì)算表明：軟巖飽水過程中結(jié)構(gòu)演化具有

11、分岔混沌的特征，飽水1到3個(gè)月期間軟巖系統(tǒng)的變形演化趨于穩(wěn)定不動(dòng)點(diǎn)；飽水3到6個(gè)月期間，軟巖系統(tǒng)經(jīng)歷了多次倍周期分岔，一直演化到混沌狀態(tài)；在某個(gè)接近臨界狀態(tài)的時(shí)間點(diǎn)后，系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)了自組織現(xiàn)象，逐漸從無序向有序演化，并最終在漲落的觸發(fā)和推動(dòng)下形成了軟巖的耗散結(jié)構(gòu)。 6.在熱力學(xué)框架下，考慮塑性體積變形與塑性剪切變形兩部分所引起的能量耗散，建立了適用于軟巖材料的塑性摩擦屈服準(zhǔn)則；將其引入到軟巖塑性孔隙變形機(jī)理研究中，從基體材料屈服

12、準(zhǔn)則以及基體球形應(yīng)力與單元宏觀球形應(yīng)力關(guān)系兩個(gè)方面對(duì)傳統(tǒng)Gurson模型進(jìn)行改進(jìn)，建立了適合于多孔軟巖材料的塑性屈服準(zhǔn)則及孔隙演化模型，并通過引入損傷變量，探討了加載過程中軟巖損傷演化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，基于不可逆熱力學(xué)及彈塑性力學(xué)理論，搭建了飽水軟巖彈塑性損傷本構(gòu)框架，推導(dǎo)出兩種塑性變形機(jī)理共同支配的增量型塑性應(yīng)變表達(dá)，并結(jié)合飽水軟巖三軸試驗(yàn)結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明：本構(gòu)模型較好地描述了飽水軟巖在三軸壓力條件下的力學(xué)特性，包括：塑

13、性變形、性能損傷、力學(xué)性質(zhì)依賴圍壓以及塑性體積壓縮向體積膨脹轉(zhuǎn)化等。 7.基于Pietruszczak等關(guān)于流變現(xiàn)象源于微觀結(jié)構(gòu)演化的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)，結(jié)合本文建立的本構(gòu)關(guān)系，定義了兩類流變損傷變量，以反映水—應(yīng)力共同作用特點(diǎn)；研究了軟巖損傷演化規(guī)律，考慮水—應(yīng)力耦合的流變效應(yīng)，建立了飽水軟巖損傷的流變模型。數(shù)值模擬與飽水軟巖流變試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比表明：模型較好地描述了水—應(yīng)力耦合作用下的軟巖損傷流變特性，模擬結(jié)果得到了一類由衰減流變演化至