水-岩作用下砂岩卸荷损伤机理及演化模型研究

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卸荷作用广泛存在于地质作用及人类的工程活动过程中,由于卸荷作用而导致的工程岩石变形破坏现象普遍存在。随着三峡工程的蓄水发电和我国西部地区一大批大型水利水电工程的开发建设,不可避免地涉及大体量的人工开挖卸荷,在水库蓄水运行后,大量卸荷损伤岩石在水-岩作用下的劣化效应将直接影响涉水边坡的长期变形稳定。如何准确建立水-岩作用下岩石的损伤演化模型,并从理论上确立岩石损伤的临界态是确定岩石变形力学状态的关键,也是各种水电工程涉水边坡安全稳定性评价的重要支撑。而就目前涉水边坡水-岩作用相关研究成果来看,主要集中在各种类型“完整”岩石的物理力学特性劣化效应及机理分析,较少考虑初始卸荷损伤对水-岩作用劣化效应的影响。基于此,本文开展了单试件重复加载试验,卸荷损伤砂岩的物理力学试验,水-岩作用下卸荷损伤砂岩的物理力学试验,并基于自组织临界理论及重整化群理论得到了砂岩损伤临界值,建立了物理意义明确,能准确描述卸荷损伤砂岩损伤全过程的损伤演化模型,构建了卸荷损伤砂岩的损伤临界判据。最后基于本文提出的临界损伤值修正了崩滑灾害临界位移的两个指数律,并对典型斜坡进行了分析预测。本文取得的主要研究结果及结论如下:(1)基于抗压强度、抗剪强度及能量的角度出发,通过单试件重复加载法确定临界损伤值,得出基于轴向应变能求得的临界损伤值相对偏低,从工程安全的角度考虑,建议采用单试件重复压缩试验确定岩石临界损伤值时以抗压强度作为损伤变量求取较为合适。(2)不同卸荷损伤砂岩抗剪强度参数的劣化规律基本一致,但也存在不同,即粘聚力、内摩擦角随着卸荷量的增加而逐渐降低,但是在卸荷量达到90%时出现了内摩擦角的一个回弹,即在卸荷量较低时,内部因卸荷损伤所致的裂纹还不至发达,围压效应明显,在初始围压作用下,其内部裂纹处于闭合状态,但当卸荷量超过80%之后,尤其是达到90%时,岩样内部裂纹开始由初始的无序状态向有序的失稳状态衍生、丛集,富集成核。此时即使存在围压的作用其内部的裂纹仍然无法完全闭合,内部卸荷裂纹的存在致使摩擦接触面积的增大,形成摩擦强度的增加即导致内摩擦角出现了一个回弹。但粘聚力主要是由颗粒及胶结物的胶结强度来决定,卸荷量越大,其损伤越大,胶结强度必然降低。(3)卸荷损伤砂岩水-岩作用过程中钠离子的生成速率大于钾离子生成速率大于钙离子的生成速率,一方面钠离子其活性强于钾离子及钙离子,在离子竞争中,占据主导地位,因此钠长石于水的反应速度最快,析出的离子最多,另一方面长石矿物发生水化反应时会生成原硅酸,原硅酸的势能高,极不稳定,易分解为Si O2胶体,而带负电荷的Si O2胶体会吸附带着正电荷游离态的金属离子,而阳离子的被吸附和交换的能力,随着它们的电价的增加而增加。在阳离子电价相等,它们被吸附的及交换的能力则随着其半径的增加而增加,因此按其交换能力及被吸附的大小顺序为:Ca2+>K+>Na+,钠离子被吸附最少,钙离子被吸附最多,即钠长石最容易溶解,其次是钾长石、钙长石。(4)通过对自然气候系统、区域滑坡系统、库区单一滑坡系统以及室内试验等角度的综合分析得出自然界中的复杂系统存在着大量的自组织临界现象,且当一个复杂系统跨越了其临界点会增加其他系统跨越临界点的风险,自组织性及临界性是卸荷损伤砂岩水-岩作用系统在其内部复杂及高度非线性的耦合(反馈)作用下自行朝着临界状态演化的过程。(5)提出了一种反映岩石临界损伤状态的临界损伤常数C,进而得到卸荷损伤砂岩水-岩作用下的损伤临界判据,并基于重整化群理论,通过考虑颗粒间的密实程度,引入颗粒最密填充方式及最松填充方式得到其损伤临界值的范围,并通过相关文献验证了本文提出的临界损伤常数皆在其范围内。(6)提出了基于临界损伤值常数修正后的崩滑灾害临界位移准则。并通过对典型崩滑的实例分析,得到特征点位移预测值与实际监测位移更加接近,且误差在8%以内,证明了基于本文提出的临界损伤常数修正后的崩滑灾害临界位移准则是可行及合理的,也从侧面验证了本文提出的临界损伤常数。相关研究成果对于深入揭示卸荷损伤砂岩在水-岩作用下的损伤机制以及建立判定砂岩进入临界损伤状态的判据具有一定的启示及指导意义,可为涉水边坡的支护时机提供相应的理论依据。
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