摘要
三峡水库作为世界上最大的水库，其消落带面积400余平方公里，长期以来，三峡水库消落带岸坡在水位升降作用下的变形变化规律及其稳定问题一直是消落带岸坡灾害防治的重点。水库蓄水后，岸坡水位升降使岩体处于“饱水”“风干”的干湿循环状态，库水的作用使岩石物理力学特性发生劣化，进而威胁岸坡的稳定。因此，研究干湿循环作用后库岸边坡岩体物理力学特性劣化规律，全面分析宏观特性劣化的微细观机理对于加强库岸边坡的稳定性及灾害防治有着重要的理论价值和现实意义。本文拟基于三峡水库消落带水位升降特征，针对库岸边坡消落带岩体受到干湿循环作用后力学特性劣化问题，采用室内宏观力学特性试验、微细观试验、数值模拟等方法，对干湿循环作用后红砂岩的物理特性、宏观力学特性、微细观结构变化特征、破坏特征及库岸边坡在不同工况下的稳定性问题进行了全面系统的研究。主要的研究内容及结论如下： （1）通过红砂岩的室内干湿循环试验，开展了不同干湿循环次数后红砂岩宏观物理试验和常规压缩力学特性试验。试验结果表明：干湿循环作用对红砂岩物理特性、力学特性有明显削弱作用。基本物理试验现象表明，随着干湿循环次数的增加，岩石的物理损伤越来越明显，岩石的干燥质量逐渐减少，而饱水质量和吸水率则不断增大。比较而言，前 5 次干湿循环过程中，干燥质量、饱水质量、吸水率分别先以 1.14%、2.4%、59.18%的减小幅度最为迅速，随着干湿循环次数增加其变化分别以0.1%、0.01%、1.19%的减小幅度趋于平缓。干湿循环后红砂岩常规压缩试验表明，在0~5次干湿循环内，红砂岩的峰值强度、粘聚力、内摩擦角、弹性模量分别以34%、18.24%、26.87%、24.70%的幅度大幅减小，当干湿循环次数增加到20次分别以11%、4.66%、3.11%、5.60%的幅度小幅减小，表现出相对稳定下降趋势。总的看来，干湿循环作用对红砂岩物理特性的劣化与力学特性劣化规律呈现出一致特征。 （2）通过干湿循环后红砂岩的循环荷载力学特性试验，研究了红砂岩力学特性变化规律。干湿循环后的红砂岩循环荷载试验结果表明，峰值强度、弹性模量随干湿循环次数的增加而降低，泊松比和滞回环面积逐渐增大，呈二次函数型变化趋势。峰值强度在前5次干湿循环后以30%的幅度减小，随着干湿循环次数的增加以11%的减小幅度趋于平缓发展，在干湿循环初期作用明显，后期逐渐呈平稳发展趋势。当干湿循环次数及加载频率固定时，循环荷载应力幅值对试样弹性模量以43.79%-12.35%幅度减小，应力幅值由8 MPa至24 MPa时弹性模量显著增加；在低应力幅值下弹性模量以43.79%-9.55%范围减小，高应力幅值下以12.35%-12.13%减小。从对比可以清楚地看到，干湿循环后循环荷载强度特性劣化程度比常规压缩强度特性更大，峰值强度和弹性模量更小。 （3）对干湿循环后的红砂岩开展了微细观试验研究，从微细观角度分析了红砂岩物理力学特性劣化机理。分析表明，干湿循环作用过程中水的浸入会对岩石微观结构产生显著的损伤效应，而考虑不同程度循环加卸载作用的影响时，岩石的微观损伤累积。当干湿循环次数增加时，水解变形破坏程度增加，红砂岩粘土矿物中由于方解石溶解膨胀特征使其相对含量减少，钾/钠长石水解使其相对含量减少。吸附水膜的粒间物理膨胀、矿物颗粒的层间化学膨胀使试样内部微裂缝、孔隙增多，继而试样吸水率和饱水质量增加。随着孔隙增加，红砂岩内部颗粒级配变差，内摩擦角降低。此外，孔隙流体作用和破裂流作用使红砂岩中的微裂缝扩展连通，试样的峰值强度、弹性模量降低。在粘土矿物聚集部位发生一系列化学反应使粘土胶结弱化，继而粘聚力降低干燥质量减小，由于矿物颗粒的溶解分散使泊松比增加。总之，水会破坏岩石的物理和化学性质，从而降低岩石的强度。 （4）基于室内宏细观试验结果，以三峡库区消落带岸坡为研究对象，采用数值模拟方法，利用有限差分软件，得到消落带岸坡在库水升降与荷载作用下的变形与稳定性。考虑干湿循环及荷载影响后，岸坡的沉降、位移及剪应变增量随干湿循环次数的增加而增大，而安全系数减小，最大变形集中于消落带部位。对岸坡不同测点的监测表明消落带部位具有放大效应。
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