板岩水理特性试验研究与理论分析

论文摘要

针对南水北调西线板岩在不同吸水率情况下发生水解这一问题从实验与理论分析方面作了一定的工作,分别从板岩的微观成分、结构,常规力学特性及在不同吸水条件下的力学特性,长期时间效应下的蠕变特性等展开,主要内容如下:1、利用偏光显微镜、扫描电子显微镜及粉晶X衍射、能谱分析等手段分析了干燥状态下板岩内部粘土矿物的组成、含量及排列特征,并与不同吸水状态下的特征进行对比,分析水对矿物颗粒的影响;2、由于板岩内部粘土矿物的定向排列,常规力学试验（剪切试验、单三轴压缩实验）结果显示,板岩为横观各向同性体,各种力学参数大小与结构面倾角大小相关,当结构面倾角在0或90°附近变化时,参数值较大,受力后易发生剪切破坏;当其在30-60°之间变化时,值较小,在受力压缩后较易产生顺层理面滑移破坏;3、通过分析板岩内部层理面发育特征,将板岩样分为含层理面较多块体及较少块体两类,结合Cosserat介质理论、层状岩体理论建立了板岩本构关系,并能与实验结果较好的对比分析;由单弱面理论及Mohr-Coulumb准则分析了板岩的破坏方式,确定了最大抗压强度随结构面倾角的变化规律;4、通过对板岩试样进行泡水试验及膨胀试验,建立起板岩在吸水后吸水率、膨胀应力及膨胀变形随时间的变化规律;由不同吸水状态下试样的常规单三轴试验可以了解到板岩的水理特性,抗压强度及弹性模量等参数随吸水率改变的变化规律;通过定义弹性模量的改变为损伤变量,分析了该变量随吸水率的变化情况,将获得的变化规律代入干燥状态下的本构关系中,可以获得含结构面倾角及吸水率两个变量的本构关系;5、从微观角度及宏观分析出发,认为板岩浸泡后产生软化的机理主要是:岩石中层理面附近的粘土类矿物与水相互作用后,水分子进行孔隙中,在颗粒表面吸附,形成较厚的水分子层,造成粘土矿物的膨胀,产生膨胀应力;在浸泡过程中,润湿角减小,岩石内颗粒的表面张力也减小,加上其它几个因素综合作用,使得岩石内部粘结力降低,宏观上则显示为岩石发生软化,强度降低;6、板岩的蠕变效果不太明显。板岩的蠕变变形的比例很小;板岩的蠕变变形基本上都包括有瞬态蠕变与稳态蠕变两个阶段;分析了轴压、围压等对板岩蠕变变形的影响,并在此分析基础上建立了板岩的本构关系,能较好的反映出板岩的蠕变变形过程;最后初步分析了水

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 目前国内外研究现状
• 1.2.1 板岩各向异性研究现状
• 1.2.2 地下水与岩体相互作用研究综述
• 1.3 本文的研究思路及内容
• 1.3.1 岩石的微观结构与构造研究
• 1.3.2 不同结构面倾角板岩力学实验研究
• 1.3.3 板岩的膨胀性试验研究
• 1.3.4 板岩在不同饱水条件下的力学试验研究
• 1.3.5 板岩软化机理分析
• 1.3.6 板岩的蠕变试验及蠕变机理研究
• 第二章 板岩各向异性研究
• 2.1 概述
• 2.2 板岩的物理特性
• 2.2.1 岩石成分与结构分析
• 2.2.2 各向异性的动力学研究
• 2.3 板岩的力学特性
• 2.3.1 板岩的剪切试验研究
• 2.3.2 单轴压缩试验
• 2.3.3 板岩的三轴压缩实验
• 2.4 本章小节
• 第三章 板岩本构关系及强度破坏准则
• 3.1 考虑弯曲变形的Cosserat 介质理论
• 3.1.1 Cosserat 介质理论基本控制方程
• 3.2 建立在Cosserat 介质理论基础上的板岩本构关系
• 3.2.1 建立本构关系过程中的一些基本假定
• 3.2.2 本构关系的建立
• 3.3 地层交界面处应力应变关系
• 3.3.1 水平层状岩体的应力应变分析
• 3.3.2 倾斜层状岩体交界层面处应力应变分析
• 3.4 板岩本构关系的验证
• 3.4.1 实验条件下板岩本构关系的建立
• 3.4.2 板岩本构关系的验证
• 3.4.3 对本构关系的讨论
• 3.5 板岩破坏方式与强度准则分析
• 3.5.1 单弱面理论
• 3.5.2 结构面对力学参数的影响
• 3.5.3 交界面处强度分析
• 3.5.4 结果讨论
• 3.6 本章小结
• 第四章 板岩水理力学试验研究
• 4.1 吸水试验
• 4.1.1 试验设备
• 4.1.2 试验方法
• 4.1.3 试验结果分析
• 4.2 板岩膨胀试验研究
• 4.2.1 自由膨胀率试验
• 4.2.2 侧向约束膨胀率试验
• 4.2.3 体积不变条件下膨胀压力试验
• 4.2.4 板岩膨胀机理初步分析
• 4.3 不同饱和度板岩压缩实验研究
• 4.3.1 不同饱和度板岩单轴压缩实验
• 4.3.2 不同饱和度板岩三轴压缩实验
• 4.4 本构关系与强度变化分析
• 4.4.1 损伤分析
• 4.4.2 最大抗压强度与泊松比的改变
• 4.4.3 板岩不同吸水状态下本构关系
• 4.5 本章小结
• 第五章 板岩水理特性机理分析
• 5.1 板岩中水的赋存状态分析
• 5.2 接触角变化试验
• 5.3 微观结构测量试验
• 5.3.1 颗粒形态的变化
• 5.3.2 胶结方式与孔隙度的变化
• 5.4 岩石软化机理分析
• 5.4.1 变化时间的问题
• 5.4.2 毛细管力及分子间作用力变化
• 5.4.3 板岩的各向异性的影响
• 5.4.4 软化机理分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 板岩蠕变特性试验研究
• 6.1 试验过程
• 6.2 蠕变变形结果分析
• 6.2.1 蠕变实验应力应变曲线
• 6.2.2 蠕变基本规律
• 6.2.3 围压效应
• 6.2.4 轴压效应
• 6.3 板岩蠕变本构模型
• 6.3.1 板岩蠕变特征
• 6.3.2 蠕变模型的建立
• 6.3.3 模型参数的确定
• 6.3.4 板岩蠕变速率特征及影响因素分析
• 6.4 水对板岩蠕变变形影响分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 主要创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 博士在读期间论文发表情况
• 致谢