层理砂岩在不同温度下偏应力-水循环试验及裂隙渗流研究

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  岩体赋存于一定的天然应力、地下水和化学场等地质环境中,岩石的变形破坏特性不仅受外部因素影响(如温度、围压、孔隙水压力、化学条件等),也与岩石的内部复杂结构相关(如岩石内部介质组合、微观结构的颗粒胶结、层理构造等)。近年来,随着地下工程向深部推进,岩石力学的研究重点日益转向地下,温度效应不可再忽略,地下水也是影响岩体力学性质和岩石力学作用的重要因素。与此同时,在工程实际地下岩体中,又会经常遇到循环加、卸载的作用。据统计,超过90%的岩体工程的失事都与地下水的活动有关,故研究不同温度下水压力对岩石力学性质的影响,以及裂隙岩体的渗流特性具有重要实际工程意义。   本文以三峡库岸具有层理构造的泥质红砂岩为研究对象,以室内试验为途径,研究在相同加载路径下层理构造对岩石力学参数和破坏机理的影响,以及不同温度时偏应力与孔隙水压力循环卸载加载对岩石力学参数和破坏机理的影响;然后采用形成贯通剪切裂隙的试样模拟天然裂隙岩体,进行温度场作用下的裂隙渗流试验研究,为更进一步科学客观地评价工程岩体的长期稳定性提供理论基础。主要研究内容及结果如下:   1)常规单轴试验、无水压力以及有水压力三轴试验,获取岩石的基本力学参数(如:峰值应力、峰值应变、弹性模量、泊桑比、粘聚力、内摩擦角等),围压升高,峰值应力、峰值应变、弹性模量增大;水压力使岩石峰值强度降低,变形增大,使内聚力减小,对内摩擦角影响较小。   2)不同温度时,偏应力与孔隙水压力循环卸载加载试验,获得岩石的应力-应变滞回曲线,水压力加载能使岩石发生新的破坏,而水压力卸载对岩石的破坏作用较小。随着温度的升高,偏应力加载会增加岩石塑性变形,水压力对应变的作用会减弱。另外温度升高也会使岩石产生明显的热变形。   3)对不同轴向应变下的物理力学参数(如:有效弹性模量、变形模量、泊桑比)以及Biot系数进行定量对比分析,砂岩的有效弹性模量随循环次数的增加而增大, 变形模量随偏应力的升高而减小,偏应力水平越来越高时,其塑性变形越来越大。在相同围压下,弹性模量与变形模量随温度的升高而降低,说明温度场对岩石造成了热损伤;其泊桑比随着温度的升高而增大。   4)在相同加载路径下,分析轴向应力方向与层理之间的关系(垂直或平行)对岩石力学参数和破坏机理的影响。对于竖向层理岩样,峰值偏应力随着温度的升高而降低。在相同加载条件下,水平层理岩样的弹性模量小于竖向层理岩样,这与峰值应力的结果一致。在相同加载条件下,水平层理岩样的泊桑比大于竖向层理岩样。   5)根据已有研究结论,选择渗透系数比较大的应力水平(围压及孔隙水压力)进行不同温度下的砂岩裂隙渗流试验;在已有的渗透系数与裂隙水压力关系式的基础上,加入温度因子进行拟合,总结其渗流特性。
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