水库运行期岸坡消落带红砂岩抗剪与抗压强度劣化机制

目前在水库运行期岸坡消落带环境条件模拟方面,对消落带岩石在库水位周期性升降条件下宏观强度劣化规律进行研究时,主要侧重于"湿干"交替作用环境条件的单一模拟,鲜见对水库运行期岸坡消落带岩石所处的岸坡应力、"湿干"交替和库水渗透综合作用的真实环境条件进行模拟。自主研发了能模拟岸坡应力、"湿干"交替和库水渗透综合作用环境的水库岸坡消落带软岩三轴试验系统,以三峡库区马家沟滑坡红砂岩为研究对象,开展红砂岩的单轴、三轴压缩试验,并分析了岩石试样的破坏模式;同时,通过扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)等测试方法,获得红砂岩的微细观结构和黏土矿物成分随"湿干"交替作用次数增加的变化规律。研究结果表明:红砂岩的峰值抗压强度随"湿干"交替作用次数增加逐渐劣化,其中前4次"湿干"交替过程中,峰值抗压强度劣化幅度较大;第6～8次"湿干"交替过程中,劣化幅度逐渐减小。随"湿干"交替作用次数的增加,红砂岩的黏聚力也逐渐下降,第1～4次"湿干"交替过程中,黏聚力的下降幅度较大;第6～8次"湿干"交替过程中,黏聚力的下降幅度明显减小。随"湿干"交替作用次数的增加,红砂岩的内摩擦角有所降低,但变化规律不明显。红砂岩中的黏土矿物因水化反应产生不均匀膨胀、收缩,导致碎屑矿物颗粒之间的胶结作用遭到一定程度的弱化,在宏观上表现为抗剪强度、抗拉强度的劣化;抗剪强度、抗拉强度的劣化使得红砂岩在轴向荷载的作用下更容易发生破坏,是导致峰值抗压强度发生劣化的直接原因,而红砂岩中胶结物胶结作用的变弱是红砂岩峰值抗压强度发生劣化的根本原因;同时,渗透压对峰值抗压强度、抗剪强度的劣化具有一定程度的促进作用。研究成果可为水库运行期岸坡稳定性动态分析与评价提供科学的依据。     

水作用下砂岩断裂力学效应试验研究

 消落带是库岸边坡稳定的敏感地带,在库水位反复升降作用下,岩石的断裂韧度变化规律对库岸边坡的稳定性十分关键。以三峡库区典型库岸边坡砂岩为研究对象,针对库岸边坡消落带的实际赋存环境,设计长期浸泡和浸泡–风干循环作用2种试验方案。试验结果表明：(1) 长期浸泡和浸泡–风干循环作用下砂岩试样有明显“变软”的趋势,其断裂韧度、抗拉强度和抗压强度劣化趋势基本一致,劣化幅度在试验初期较为明显,后期逐渐趋于平缓;(2) 各力学参数劣化的幅度差别较大,其中,断裂韧度劣化最快,抗拉强度次之,抗压强度劣化相对较慢;(3) 比较而言,在浸泡–风干循环作用下,砂岩的各力学参数劣化趋势更加明显,说明在模拟库岸边坡消落带水–岩作用时,浸泡–风干循环作用是不可忽略的因素。研究成果对大量存在的库岸边坡稳定性分析具有重要参考价值,同时,相关试验方法也可以为类似试验提供参考。     

水–岩作用下节理岩体剪切力学特性及本构模型

在库水位周期性升降变化作用下，库岸边坡消落带节理岩体长期处于浸泡–风干循环作用状态，为研究消落带节理岩体的损伤劣化特性，选取三峡库区库岸边坡消落带典型节理岩体为研究对象，进行考虑水压力升降变化和浸泡–风干循环过程的水–岩作用试验，系统分析节理岩体的剪切力学性能和微细观结构损伤演化规律。结果表明：(1)水–岩作用下节理岩体抗剪强度呈先陡后缓的劣化趋势，总体可以分为3个阶段，其中前6个水–岩作用周期导致节理面的抗剪强度参数劣化幅度占总劣化幅度的90%左右，水–岩作用10期后，节理面抗剪强度总劣化度为30%左右。(2)水–岩作用下节理面微细观结构损伤劣化显著，逐渐由密实状态转变为疏松多孔状态，节理面平均起伏角、平均相对起伏幅度、面积扩展率等形貌参数呈先陡后缓的劣化趋势，宏观上表现为节理面粗糙度系数JRC和岩壁强度降低，节理面上、下盘吻合度降低，进而导致了水–岩作用下节理岩体剪切性能特性逐渐劣化。(3)基于Clough-Duncan双曲线模型，建立考虑水–岩作用损伤的节理岩体剪切本构模型，验证分析表明，该模型可较好反映水–岩作用下节理岩体剪切力学特性劣化规律。相关研究方法和结论可为库岸边坡长期...     

巫山段消落带岸坡库岸再造模式及典型案例分析

三峡库区在库水季节性升降作用下,库岸边坡形成了一段高程约为30m的消落带。消落带是库岸边坡稳定性的敏感地带。在库水升降、波浪淘蚀等其它外力作用下,消落带库岸的岩土体不断地被冲刷和搬运,从而导致库岸后退,消落带岸坡不断地进行库岸再造。根据三峡库区巫山段消落带库岸考察结果,从地质因素和环境因素两个方面对库岸稳定性影响因素进行分析总结,归纳5类易引发消落带变形破坏的致灾岩组,总结岩质岸坡存在的3种岩体结构变形特征;在对库岸再造比较明显的15例消落带岸坡典型案例分析的基础上,提出5种巫山段消落带岸坡库岸再造类型;并在巫山段消落带岸坡灾害防治典型案例分析的基础上,提出了库岸边坡地质灾害防治的要点和岸坡防护的一些建议。     

消落带岩体劣化下顺层岩质边坡动力响应规律试验研究

三峡库区蓄水后导致的消落带岩体劣化和水库诱发地震对岸坡稳定性具有重大影响。采用振动台模型试验探究了消落带岩体劣化下顺层岩质边坡受持续地震荷载作用时的动力响应规律。研究表明：坡体加速度响应具有显著的“高程效应”和“趋表效应”特性，且历经多次地震荷载作用后坡体PGA放大系数衰弱明显，而坡体累积位移、孔隙水压力及土压力随地震荷载持续作用分别呈逐渐增大、增大及减小的变化趋势；坡体阻尼比、自振频率及损伤度随地震荷载持续作用分别呈逐渐增大、减小及增大的变化趋势，且微小地震和强震作用阶段的坡体非线性累积损伤力学模型可分别采用“S”型三次函数和“陡升”型指数函数表征；坡体累积损伤—失稳破坏演化过程表现为坡顶后缘（次级节理和层面）起裂—扩展—贯通、岩体沿复合滑动面整体滑移及完全破坏后岩体呈多尺度破碎块状堆积于坡脚，且消落带岩体受震动、溶蚀及冲刷耦合作用后破碎较严重，并近乎产生整体滑移而形成显著的“凹腔”。     

考虑水–岩作用特点的典型岸坡长期稳定性分析

大型水库库岸边坡长期经受库水位升降变化的影响,其作用效应主要表现为两个方面,一方面是水压力升降变化的影响,另一方面是岸坡消落带岩土体的水–岩作用劣化效应。基于此,在前期研究基础上,考虑消落带水–岩作用的影响深度及时间效应,建立了岩体强度劣化模型,并结合典型库岸边坡进行了计算分析。研究表明:库水位变化对库岸边坡稳定性影响明显,尤其在一定时期以后,在高水位运行期间安全系数将会出现骤减后迅速恢复的现象,说明坡体下滑力与阻滑力的平衡被打破后又得到调整至新的平衡,随着水–岩作用次数的增加,这种骤减在年循环周期内,逐渐向前推移,且频率与减幅均有所增大,进一步说明当水–岩作用程度越大时,岩体平衡越容易被打破且库岸边坡稳定性越差,而新的平衡对应的安全性逐年降低。这一现象符合重力背斜型滑坡在库水作用期间的破坏堆积过程,研究成果对库区岸坡的稳定性计算具有一定指导意义。     

三峡工程库区岩溶岸坡消落带岩体劣化特征研究

三峡工程175 m蓄水后,峡谷区内多次发生新生地质灾害事件,岩溶岸坡消落带岩体劣化引起广泛关注。通过野外调查、原位测试和室内试验等大量工作,首次系统阐述三峡库区岩溶岸坡消落带浅表层岩体劣化特征。从岩体宏观劣化现象来看,不同岩体结构和岸坡结构的岩体劣化宏观表现有非常大的差异,包括溶蚀/溶解、裂缝显化与扩展和机械淘蚀等现象。浸泡–风干循环后的灰岩样品力学参数平均每循环下降率约为0.7%;随着循环次数的增加,岩样强度下降可用指数函数形式拟合,相关性系数大于0.84。箭穿洞地表破碎灰岩岩体声波年下降率为11.23%。青石岩溶岸坡浅层岩体多期钻孔声波对穿试验测试明显表明:地下岩体的劣化以结构面的劣化为主,其声波年下降率为10%～60%。这些认识和数据从不同角度展示出岩溶岸坡消落带浅层岩体劣化的独特特征:岩石的低劣化率夹杂结构面的高劣化率,具有不均一性;根据风化界线或岩体裂隙分带,在区内或带内则有相近的劣化率,具有分带性。根据这一特征,建立等效连续模式和结构面模式的岩体劣化力学模型。本研究工作指引了库区岩体劣化方向上未来研究重点,将为三峡库区水位变动带地质灾害隐患点防灾减灾工作提供重要支撑。     

水–岩作用下断续节理砂岩力学特性劣化机理

在库水位周期性升降作用下,库水消落带节理岩体的损伤劣化很可能导致库岸边坡向不稳定的方向发展。基于此,开展了断续节理砂岩的水–岩作用试验,结合力学试验和微细观结构检测综合分析其劣化规律及机理。结果显示:(1)在长期水–岩作用过程中,断续节理岩样的抗压强度、变形模量劣化趋势明显,而且存在明显非均匀性,其中前3个水-岩作用周期的阶段劣化度明显较大,5个水–岩作用周期之后的阶段劣化度明显减小并趋于稳定。(2)水–岩作用下,不同节理倾角岩样的力学参数劣化幅度不一样,阶段劣化度总体呈U型分布,节理倾角在0°和90°附近时,节理岩样从明显的张性破坏逐渐向剪性破坏转变,破坏模式变化特征比较明显,对应力学参数劣化幅度较大;节理倾角为60°左右时,节理岩样总体保持顺节理面的剪切破坏,破坏模式变化特征不明显,对应力学参数劣化幅度比较小,这些变化也使得节理岩样各向异性力学特征逐渐减弱。(3)在水库长期运行过程中,消落带节理岩体的产状直接影响水–岩作用的劣化趋势和变形破坏特征,因此,在库岸边坡长期变形稳定分析中,不仅要关注消落带岩体力学性质的劣化,也要关注节理岩体的产状差异及其在水–岩作用下变形破坏模式的转化。     

周期性渗透压作用下红砂岩渗透特性试验研究

水库运行期水位的周期性变化使软岩岸坡防洪限制水位以下的岩体长期处在周期性变化渗透压作用的环境中,这种周期性变化的渗透作用对软岩的渗透特性将产生很大的影响。以三峡库区红砂岩为研究对象,利用自主研发的"具有模拟库水位周期性变化环境下水压变化条件的渗透仪"对红砂岩进行周期性渗透试验,探讨防洪限制水位以下的红砂岩在周期性渗透压作用下的渗透特性变化规律。试验结果表明,随着周期性渗透压的变化,红砂岩的渗水量在第一个渗透周期增长最快,而后逐渐减小;随着周期性渗透压的变化,红砂岩的渗透速度和渗透系数也呈周期性变化;不同岩样的累计渗水量、渗透速度和渗透系数的变化存在一定的差异,但经过4个渗透周期之后,红砂岩的累积渗水量、渗透速度和渗透系数随压力的变化范围稳定,且变化趋势一致。研究结果说明,三峡水库岸坡防洪限制水位以下的红砂岩在水库运行期经历4次周期性水位变化之后,渗透特性逐渐趋于稳定。     

水–岩作用下红层软岩力学特性劣化规律研究

红层软岩在三峡库区广泛分布,其在水–岩作用下的物理力学特性劣化将直接影响相关库岸边坡的长期变形稳定与安全。基于此,考虑消落带库水位反复升降变化,设计进行红层软岩的浸泡–风干循环水–岩作用试验,研究结果表明:(1)在水–岩作用过程中,红层软岩的强度及变形参数劣化趋势明显,岩样存在逐渐"变软"的趋势,而且前3次浸泡–风干循环中的劣化速率较快,5次浸泡–风干循环作用之后,红层软岩的强度及变形参数劣化趋势逐渐趋于缓慢;(2)在水–岩作用过程中,岩样的破坏模式也存在明显的变化,不同围压下岩样的剪切破坏特征逐渐明显,岩样破坏时控制性裂纹数量逐渐减少,次生裂纹的数量逐渐增加;(3)在水–岩作用过程中,水压力的反复升降变化和浸泡–风干循环作用对红层软岩造成了不可逆的渐进累积损伤,红层软岩由相对致密的结构转变成微观裂隙、孔隙发育的松散多孔结构,宏观上就表现为抗压、抗剪强度劣化和破坏模式的变化。相关研究结论可为库岸边坡长期变形稳定分析提供参考。     

干湿循环作用下砂岩细观损伤演化及宏观劣化研究

针对周期性干湿循环作用下岩石损伤劣化问题,以三峡库区某边坡的中风化砂岩为研究对象,分别对不同干湿循环次数作用下"干燥"和"饱和"状态的砂岩进行全断面CT扫描试验、巴西劈裂试验、单轴和三轴压缩试验。试验结果表明:在相同的干湿循环次数n下,"干燥"状态下砂岩的宏细观力学参数大于"饱和"状态下的参数;各典型区域的CT数均值随着循环次数非线性累积增加,初期变化较快,当n≥3时,细观损伤演化速度趋于缓慢;砂岩单轴抗压强度、弹性模量、抗拉强度、黏聚力、内摩擦角随n的增加呈对数下降,泊松比随n的增加而增大。干湿循环作用对砂岩不同力学参数的劣化程度不一,岩样"抵抗拉伸性能"大于"抵抗压缩性能"对水的敏感性。基于试验数据拟合,对不同干湿循环作用下两种含水状态的砂岩M–C屈服准则进行了修正,为工程中获得任意围压下岩石的破坏强度提供了理论依据。     

酸性环境干湿循环作用对泥质砂岩力学参数的劣化研究

针对降雨和库水位升降对库岸边坡消落带岩体力学参数的劣化问题,选取泥质砂岩进行不同p H水环境干湿循环作用下的单轴与三轴压缩试验,结合室内试验结果,应用广义Hoek–Brown准则求得不同地质强度指标评分(GSI)下岩体的单轴抗压强度、弹性模量、材料常数和黏聚力。研究表明:破碎程度越大的泥质砂岩受浸泡的溶液酸性越强、干湿循环次数越多,其力学参数劣化程度就越高;在同一个GSI评分下,泥质砂岩各个力学参数随p H值和干湿循环次数n的劣化效应排序有所差异,综合劣化效应最大为弹性模量,累积劣化效应最明显为黏聚力,其劣化系数与浸泡溶液的p H值、干湿循环次数的对数ln(n)成线性相关。基于上述研究提出了泥质砂岩力学参数与p H值、干湿循环次数n的三维劣化方程,为酸性环境干湿循环作用下现场岩体力学参数的获取以及边坡稳定性寿命的预测提供了理论依据。     

循环加卸载作用下砂岩孔隙度与渗透率演化规律试验研究

研究砂岩在多次循环荷载作用下孔隙度及渗透率随荷载的变化规律,利用致密岩石惰性气体渗透率测试系统对砂岩进行了5次循环加卸载试验。试验结果表明:砂岩的孔隙度和渗透率随围压的增大而减小,循环加卸载过程中,砂岩的孔隙度、渗透率在加载阶段与卸载阶段的变化曲线均是不重合的。围压加载阶段孔隙度和渗透率随围压的变化关系均呈指数关系,在围压卸载阶段孔隙度与渗透率随围压变化均呈幂函数关系。砂岩在低围压条件下渗透率随围压变化的程度较大,在高围压条件下渗透率变化程度较小。加载阶段砂岩渗透率变化程度在第1次循环期间较大,从第2次循环开始由于岩样一定程度的压密渗透率随围压变化越来越小,而卸载阶段5次循环过程中渗透率随围压的减小而增大,但是循环次数增加过程中,渗透率的恢复程度相对于第一次循环越来越小。     

Cyclic stress-controlled tests on offshore clay

One of the main concerns in cyclic behavior of soft clay is gradual degradation with the progression of loading cycle. A series of cyclic constant-volume direct simple shear (CDSS) loading tests was performed on Malaysia offshore clay to study its undrained degradation. The testing program consists of stress-controlled tests with cyclic shear ratio ranging from 0.34 to 0.83 at different overconsolidation ratios (OCRs). For a given cyclic stress ratio in stress-controlled tests, the accumulated cyclic strain and pore water pressure increase with elevated number of cycles. In heavily overconsolidated clay specimens, the negative cyclic pore water pressure is generated followed by positive cyclic pore water pressure as cyclic tests progress. The post-cyclic strength of offshore clay specimens is reduced by undrained cyclic stress-controlled loading.     

湿干冻融耦合循环作用下膨胀土裂隙演化规律

裂隙的发生与演化是膨胀土在各种外部条件作用下的显著特征。针对北疆高寒地区膨胀土渠道边坡劣化问题,以渠基土每年经历通水、停水及冻结、融化过程为研究条件,开展了单向湿干冻融耦合循环作用下膨胀土裂隙试验。采用计算机断层扫描(CT扫描)及三维重建技术,对湿干冻融耦合循环作用下膨胀土试样内部裂隙演化特征进行定量描述,研究了不同湿干冻融耦合循环次数对膨胀土三维裂隙演化规律的影响。试验结果表明,湿干冻融耦合循环作用下的试样内部裂隙发育存在明显的区域性分布特征,裂隙的发育深度在5次循环后逐渐趋于稳定,对应于试样初始总高度的40%。对比不同循环次数作用下试样内部裂隙的发育形态可知,试样内部裂隙发育模式由循环初期浅层分散分布向后期深层汇聚偏转进行转化。采用切片裂隙率、弯曲度、分支数及死端点4个指标能较好地定量描述裂隙空间分布及连通性随循环次数的演化规律。研究成果对进一步揭示干湿冻融耦合作用下膨胀土渠道的劣化过程和破坏机制具有一定参考价值。     

崩解泥化过程中泥岩强度衰减因素研究

崩解是泥岩的基本特性,是土体的主要形成方式。受自然气候的干湿循环作用影响,泥岩崩解、泥化,引发了许多边坡坡面剥蚀及边坡失稳问题。因此研究泥岩在崩解泥化过程中强度衰减的影响因素具有重要的工程意义。以引江济淮试验工程的河道边坡下部低强度、弱膨胀的红层泥岩为研究对象,提出了自然约束的崩解试验研究方法,对干湿循环过程中泥岩试样的裂隙开展,颗粒组分,耐崩解比,剪切强度及强度指标等参数进行了研究。研究表明:干湿循环效应存在临界次数。在7次干湿循环前,泥岩试样的参数变化显著,有裂隙增长、细颗粒含量比例增加,耐崩解比、剪切强度及强度指标的减小。7次干湿循环后,这些参数变化均不明显。崩解物的耐崩解性变化特征与完全崩解颗粒粒径阈值D_(cr)无关,耐崩解指数I_(Di)及耐崩解率D_R减小特征趋势相同。泥岩崩解物的强度指标与耐崩解率D_R呈现很高的正相关性。这些说明干湿循环为诱发岩石崩解的因素,对强度衰减起作用的是试样的颗粒组成与状态变化,耐崩解率是颗粒组成与状态的量化指标。     

硫酸盐和干湿循环作用下玄武岩纤维混凝土劣化规律

盐湖、盐渍土地区水位变幅区的混凝土材料劣化问题突出。该文开展不同质量浓度硫酸盐溶液干湿循环侵蚀作用下玄武岩纤维混凝土侵蚀试验、材料力学试验和微观测试,测试分析混凝土试件抗压强度、劈裂抗拉强度、质量变化、相对动弹性模量等参数的演变规律,揭示不同浸泡浓度及龄期下玄武岩纤维混凝土的劣化机制;结合混凝土试件侵蚀后的表观形态和细观结构特征,研究不同侵蚀周期下掺玄武岩纤维混凝土的细观结构演变机理。结果表明：掺入长度6mm玄武岩纤维的混凝土抗压及劈裂抗拉强度增强效果优于长度12mm纤维;硫酸盐和干湿循环侵蚀作用下玄武岩纤维混凝土劣化规律受硫酸盐溶液浓度、干湿循环次数和纤维掺量3个因素协同作用影响,干湿循环作用下硫酸盐侵蚀产物主要为石膏型侵蚀和钙矾石型侵蚀。掺玄武岩纤维混凝土抗硫酸盐侵蚀能力明显优于于素混凝土。     

干湿循环作用下砂岩溶蚀的孔隙度演化规律

针对干湿循环作用下岩石劣化机理的复杂性,以砂岩为研究对象,通过对砂岩浸泡溶液离子浓度的测试,定量反分析砂岩矿物的溶解,得到砂岩孔隙度的演化规律,分析干湿循环作用下砂岩的劣化机制。结果表明:浸泡溶液中Ca~(2+)的生成速率比K~+、Na~+、SiO_2高一个数量级,Fe~(2+)的生成速率最低。每阶段循环后,方解石的体积减少量最多,其次是钾长石和钠长石,黑云母和石英的体积减少量最小。干湿循环作用后,微小的孔隙度变化,会导致抗压强度的大幅度降低,各阶段孔隙度变化值与劣化度成正相关。干湿循环侵蚀后,砂岩各种矿物的溶解流失,使得自身胶结物量减少,孔隙度增大,产生各种空洞与微裂缝,最终反映为强度的降低,是为干湿循环导致砂岩劣化的重要原因。     

干湿循环过程中膨胀土的胀缩变形特征

为了了解干湿循环过程中膨胀土的胀缩变形特征,分别开展了两组干湿循环试验。在控制吸力干湿循环试验中,吸力控制范围为 0.4 ～ 262 MPa ,采用了两种吸力控制方法,分别为渗析法（吸力＜ 4 MPa ）和蒸汽平衡法（吸力＞ 4 MPa ）,当每一级吸力达到平衡时,测量试样对应的含水率和体积;在常规干湿循环试验中, 采取了两种干缩路径,分别为全干燥和部分干燥,并测量试样在每次干湿循环过程中的轴向变形及循环结束后的含水率。结果表明： 在脱湿和吸湿过程中,试样孔隙比随吸力变化可分 3 个典型阶段：大幅变化阶段（ 0.4 ～ 9 MPa ）、过渡阶段（ 9 ～ 82 MPa ）和平缓阶段（ 82 ～ 262 MPa ）; 当吸力大于 113 MPa 时,试样的胀缩变形基本可逆,而当吸力小于 113 MPa 时,试样的胀缩变形 表现出明显的不可逆性,且不可逆程度随吸力的减小而增加。试样在常规干湿循环过程中的胀缩变形随循环次数的增加逐渐趋于稳定;胀缩特征受干缩路径的影响非常明显,全干缩路径中测得的膨胀率高于部分干缩路径,膨胀速率随干湿循环次数的增加而增加;试样在干湿循环过程中的膨胀率大小在一定程度上取决于吸湿能力。