特殊軟巖軟化機制與力學耦合效應研究.pdf

1、水—巖耦合研究是國際上巖石力學與工程地質學的學科前沿課題之一，軟巖與水相互作用及其軟化效應問題作為其中的重點和難點問題，已經成為學術界與工程界共同關注的焦點?！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、堅硬，力學性能良好，但遇水后短時間內迅速膨脹、崩解、軟化、力學性質大幅度急劇降低的特點。軟巖所具有的這種特殊的工程性質是許多重大工程災害的根源之所在，迫切需要在其軟化機制與變形破壞規(guī)

2、律研究上取得突破?；诖?，本文選擇軟巖軟化機制與變形破壞過程力學效應這兩個關鍵問題為切入點，以廣東境內某供水改造工程為依托，首先在研究特殊軟巖分布規(guī)律及其基本性質的基礎上，設計并開展了軟巖飽水軟化試驗，探討了不同飽水時間下軟巖結構、成分和物理力學性質的變化規(guī)律及應用；接著，為了對實際賦存環(huán)境下軟巖與水耦合作用過程進行試驗模擬，自行研制了“TAW-100水—應力耦合軟巖細觀力學伺服三軸試驗系統(tǒng)”，開展了軟巖力學效應試驗，包括：常規(guī)三軸試驗

3、與飽水三軸流變試驗；然后，結合試驗結果，從微觀與宏觀兩個角度出發(fā)，采用礦物學、微觀力學及非線性動力學理論，深入研究了軟巖遇水軟化的微觀礦物學機制、微觀力學機制及非線性動力學機制；在此基礎上，采用損傷力學、彈塑性力學及不可逆熱力學理論，開展了飽水軟巖的力學耦合效應研究，探索了其塑性變形機理，提出了飽水軟巖彈塑性損傷本構關系，并從材料微觀結構演化的角度，考慮水—應力耦合流變損傷效應，建立了飽水軟巖損傷流變模型；最后對所建立的力學模型進行了試

4、驗驗證，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)的工程設計、施工提供十分有價值的指導。 論文的主要研究內容包括： 1.在現場資料收集、整理與分析的基礎上，開發(fā)了復雜地層分布圖形化表征技術，利用該技術探討了依托工程場區(qū)內軟巖的分布規(guī)律；選擇粉砂質泥巖為研究對象，設計并開展了特殊軟巖飽水軟化試驗，研究了不同飽水時間下軟巖結構、成分

5、和物理力學性質的變化規(guī)律，結果表明：軟巖中的粘土礦物成分以高嶺石、伊利石為主，同時含少量蒙脫石，屬中等膨脹性軟巖，天然狀態(tài)下其微觀結構包括粒狀結構與致密條狀結構兩種類型；飽水條件下軟巖物理力學性質、微觀結構、礦物成分、化學成分以及水溶液離子濃度、PH值的變化均和時間存在良好的對應關系，此即為軟巖軟化表現形式，而軟巖在一定水環(huán)境下產生的物理、力學和化學作用過程是導致其軟化的可能原因；通過將軟巖試驗研究結果應用于依托工程——金湖高邊坡的穩(wěn)定

6、性分析中，結果顯示：邊坡塑性破壞區(qū)的分布位置和范圍與實際滑坡發(fā)生的狀況十分接近，加固效果良好。 2.為了實現對工程環(huán)境下軟巖與水耦合作用過程的試驗模擬，通過對傳統(tǒng)巖石三軸試驗機中加載系統(tǒng)、壓力室及顯微觀測部分的改進，設計并加工了水壓與油壓兩套壓力室、實現了多種工作液體施加圍壓的雙向伺服加載系統(tǒng)以及三軸可調顯微觀測系統(tǒng)，在此基礎上，研制了“TAW-100水—應力耦合軟巖細觀力學伺服三軸試驗系統(tǒng)”，實現了復雜水—巖相互作用過程的試驗

7、再現。基于該系統(tǒng)，在模擬實際軟巖賦存環(huán)境的基礎上，開展了特殊軟巖力學效應試驗，包括：常規(guī)三軸試驗與飽水三軸流變試驗，研究了飽水軟巖在三軸條件下的變形破壞規(guī)律及在水—應力耦合作用下的流變特性，結果表明：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雜的力學特性，水對增加軟巖流變的變形量、提高流變速率作用顯著。 3.在試驗研究的基礎上，基于礦物學理論，分析了軟巖中主要粘土礦物的晶體結構與物質組成特征，指出：粘土礦物顆粒與

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

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

10、軟化試驗以及三軸力學試驗規(guī)律，具有一定的合理性。 5.采用自組織臨界性、耗散結構、混沌動力學等非線性動力學理論研究了軟巖軟化的非線性動力學機制。首先總結了軟巖軟化過程的自組織臨界特征，接著綜合采用試驗分析與數學模擬兩種方法，驗證了軟巖軟化過程中時空降維特征，提出了軟巖軟化過程中耗散結構的形成機制。在此基礎上，從軟巖結構分維研究出發(fā)，建立了軟巖軟化過程的分岔混沌模型。采用該分叉模型進行的軟巖軟化計算表明：軟巖飽水過程中結構演化具有

11、分岔混沌的特征，飽水1到3個月期間軟巖系統(tǒng)的變形演化趨于穩(wěn)定不動點；飽水3到6個月期間，軟巖系統(tǒng)經歷了多次倍周期分岔，一直演化到混沌狀態(tài)；在某個接近臨界狀態(tài)的時間點后，系統(tǒng)內部出現了自組織現象，逐漸從無序向有序演化，并最終在漲落的觸發(fā)和推動下形成了軟巖的耗散結構。 6.在熱力學框架下，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則；將其引入到軟巖塑性孔隙變形機理研究中，從基體材料屈服

12、準則以及基體球形應力與單元宏觀球形應力關系兩個方面對傳統(tǒng)Gurson模型進行改進，建立了適合于多孔軟巖材料的塑性屈服準則及孔隙演化模型，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。在此基礎上，基于不可逆熱力學及彈塑性力學理論，搭建了飽水軟巖彈塑性損傷本構框架，推導出兩種塑性變形機理共同支配的增量型塑性應變表達，并結合飽水軟巖三軸試驗結果對模型進行了驗證，結果表明：本構模型較好地描述了飽水軟巖在三軸壓力條件下的力學特性，包括：塑

13、性變形、性能損傷、力學性質依賴圍壓以及塑性體積壓縮向體積膨脹轉化等。 7.基于Pietruszczak等關于流變現象源于微觀結構演化的學術觀點，結合本文建立的本構關系，定義了兩類流變損傷變量，以反映水—應力共同作用特點；研究了軟巖損傷演化規(guī)律，考慮水—應力耦合的流變效應，建立了飽水軟巖損傷的流變模型。數值模擬與飽水軟巖流變試驗的結果對比表明：模型較好地描述了水—應力耦合作用下的軟巖損傷流變特性，模擬結果得到了一類由衰減流變演化至