侏罗系砂泥岩互层岩体流变特性及其对抗滑桩嵌固效果影响研究

发布时间：2020-08-09 00:32

【摘要】：滑坡常见的自然灾害之一,也是斜坡破坏类型中分布最广、危害最严重的一种地质灾害,给世界人们带来了极大的危害。我国幅员辽阔,地质条件十分复杂,山区丘陵地貌广布,滑坡分布十分广泛,是世界上受滑坡危害较为严重的国家之一。抗滑桩是治理滑坡的主要手段之一,它具有布设灵活、施工简便、抗滑能力强以及使用条件广等特点,因此被广泛应用于滑坡治理工程中。抗滑桩穿过滑体,嵌入滑床基岩,通过基岩对抗滑桩的抗力(嵌固力)来平衡滑体产生的下滑力,以达到提高滑坡稳定性的目的。因此,嵌固段岩体的强度直接影响抗滑桩的嵌固效果。岩石流变是常出现于岩体中的一种现象,它会影响岩体的强度,这种影响发生在滑坡基岩中,就会对抗滑桩的嵌固效果造成影响,进而影响治理后滑坡的长期稳定性。三峡工程是目前世界上最大的水利枢纽工程,库区已发现大量大规模的滑坡和崩塌体。三峡库区内滑坡发育地层多为侏罗系地层,且分布较为广泛。侏罗系砂泥岩互层岩体为该地区主要岩性,在滑坡演化过程中互层岩体会发生蠕变现象,出现应变损伤,随着时间的增长,导致岩体强度降低。对于三峡库区治理后的滑坡,抗滑桩嵌在发生流变的基岩岩体中,岩体强度降低会对抗滑桩的嵌固效果产生影响,从而使得治理后滑坡的稳定性受到影响。因此,对于三峡库区,在抗滑桩设计中,考虑基岩岩体的流变特性对抗滑桩嵌固效果的影响,对于评价库区治理后滑坡的长期稳定性是十分必要的。鉴于此,本文以三峡库区侏罗系砂岩、泥岩为研究对象,对砂岩、泥岩进行不同围压下的三轴流变试验,研究砂岩、泥岩的流变特性;建立砂岩、泥岩的流变模型,研究侏罗系砂岩、泥岩的长期强度;推导得到侏罗系砂泥岩互层岩体的流变本构方程;建立考虑嵌固段互层岩体流变特性的滑坡-抗滑桩体系理想模型,分析嵌固段岩体流变特性对抗滑桩嵌固效果的影响。最终,为侏罗系地层滑坡-抗滑桩体系的长期稳定性评价以及抗滑桩的优化设计提供依据。主要的研究内容和研究成果如下:(1)侏罗系砂岩、泥岩瞬时力学特性试验研究通过室内基本物理力学试验对砂岩、泥岩进行了基本物理性质的研究,通过室内常规单轴、三轴压缩试验,得到相应的应力-应变曲线,分析曲线得到两种岩石试样在单轴压缩和三轴压缩试验条件下的变形特征均可分为四个阶段即:孔隙裂隙压密阶段、弹性变形至微破裂稳定发展阶段、非稳定破裂发展阶段和破坏后阶段。两种岩石试样在单轴压缩和三轴压缩试验条件下破坏试样的破坏形式不同:在单轴压缩条件下岩石试样主要为脆性断裂破坏,而在三轴压缩条件下岩石试样的破坏形式主要为剪切破坏。根据试验过程中变形模量随应力的变化,得到试样在不同围压下的屈服应力;根据摩尔库伦强度准则,分别计算得到了两种岩石试样的短期抗剪强度参数,为之后的岩石流变特性的分析和流变模型的建立以及长期强度的计算提供了基础材料。砂岩的弹性模量大约是泥岩的2~3倍,对于砂泥岩互层岩体来说,会出现由于弹性参数不匹配而导致的应变不协调的现象。(2)侏罗系砂岩、泥岩流变力学特性试验研究采用分级加载的方法分别对砂岩、泥岩进行了室内岩石三轴流变试验。基于得到的岩石三轴流变试验结果,研究了岩石在不同围压下的应变随时间的变化规律。岩石流变全过程分为三个阶段:减速流变阶段,等速流变阶段和加速流变阶段,当轴向偏应力小于岩石屈服强度时,岩石只发生减速流变阶段和等速流变阶段;轴向偏应力大于屈服应力时,岩石流变还会经历加速流变阶段且加速流变阶段的流变应变占总流变应变的主要部分。流变作用下的应力-轴向应变曲线可以划分为四个阶段:孔隙裂隙压密阶段、弹性变形阶段、裂隙发展阶段和宏观破裂阶段。相同轴向偏应力作用下,围压越大,岩石的流变应变越小,稳态阶段的流变速率越小,说明围压对岩石流变变形有抑制作用。相同围压下,轴向偏应力越大,岩石试样进入稳态流变阶段时的流变速率越大。不同围压作用下,每级应力施加的瞬间,岩石试件均会产生较大的瞬时弹性应变;相同围压下,瞬时弹性应变和瞬时弹性模量均随着轴向偏应增大而增大。砂岩在稳态流变阶段的流变速率小于泥岩在稳态阶段的流变速率,在三轴应力状态下,泥岩相对于砂岩表现出较强的流变能力。(3)侏罗系砂岩、泥岩非线性流变本构模型的建立建立了岩石的非线性粘弹塑性流变本构模型描述砂岩、泥岩流变力学响应特征规律。以双曲线理论为基础,改进了Burgers模型,改进后的Burgers模型可以很好地描述砂岩瞬时弹性模量与轴向偏应力的线性关系,以及岩石的粘弹性流变特征。建立了非线性粘塑性模型,来描述加速阶段流变特性。通过验证证明建立的粘弹塑性流变模型可以全面,准确的表现岩石的全过程流变应变特征。应用弹塑性理论,采用广义米塞斯准则,建立了岩石三维流变模型,为后续互层岩体的流变模型的建立以及Abaqus有限元软件的二次开发提供了理论保证。认为长期强度是使岩石稳态流变速率为零的临界应力值,利用建立的流变模型,得到稳态流变速率与应力的线性关系,得到砂岩的长期抗压强度和长期抗剪强度,对比发现,其值均明显低于短期强度。(4)砂泥岩互层岩体非线性流变本构模型的建立及其有限元软件数值程序的研制将互层岩体宏观上看成均质体,细观上看做由砂岩、泥岩组成的互层岩体,建立应力-应变关系在宏观为均质体,细观则依赖于两种岩体性质的单元体。考虑单元体的位移协调性,得到单元体的应力应变张量与砂岩、泥岩应力应变张量及体积含量的关系。根据Cosserat介质理论计算得到单元体的等效弹性模量与等效泊松比。根据得到的岩体流变模型,结合弹塑性理论推导得到单元模型的流变本构模型的增量形式。由于流变现象的存在,单元模型内砂岩、泥岩的分担应变随时间增长而不断改变,模型为保持位移协调,进而产生应力重分布的问题。使用Fortran语言编译,实现了这种由流变引起的两种岩体的应力重分布的数值程序的研制。建立模型对数值程序进行验证,结果证明数值程序可以很好的反应互层岩体的流变力学响应特性。(5)基于互层岩体流变特性的抗滑桩嵌固效果研究通过分别对考虑不同抗滑桩桩宽、不同抗滑桩嵌固深度以及嵌固段互层岩体流变特性的几种工况的数值计算,得到在嵌固段互层岩体流变作用的影响下,抗滑桩桩前、桩后、桩顶以及桩底在不同工况下的位移和抗滑桩嵌固段弯矩剪力分布规律,通过分析可知:在岩体发生流变之后,桩前桩后整体位移均随时间的变化,其变化规律与岩体流变特性相同,以水平位移为主,变形由瞬时变形和流变变形组成,流变变形占主要部分,流变变形中以减速流变变形占主要部分。抗滑桩的位移模式,在模型演化过程中发生了改变。在不考虑嵌固段基岩的流变特性时桩底不发生位移,此时抗滑桩的位移模式为RB模式(即绕桩底部转动)。嵌固段岩体发生流变后,抗滑桩在发生平移的同时,还绕嵌固段下部一点发生转动,此时抗滑桩的位移变为RBT模式。抗滑桩嵌固段的弯矩和剪力量值在流变作用下,均出现较大程度的降低,最大弯矩与剪力均随时间增大而减小,并且最大弯矩和剪力距桩顶的距离随时间增大而增大。抗滑桩提供的抗滑力随时间的增大而减小,考虑嵌固段基岩的流变作用后,抗滑桩的嵌固效果会随时间增大而降低。在嵌固段基岩流变的作用下,对于不同桩宽,不同嵌固深度的抗滑桩,对抗滑桩周以及桩两端位移的影响也不同。
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P642.22
【图文】：

标准试样,砂岩,饱和吸水率

图 2-1 砂岩标准试样图 2-2 泥岩标准试样表 2-2 砂岩常规物理性质参数天然含水率饱和吸水率块体密度(g/cm3)颗粒密度(g/cm3)压缩波速（m/s）范围 0.42%~0.75% 0.98%~1.20% 2.47 ~2.62 2.58~2.64 2631~3226平均值 0.59% 1.06% 2.54 2.62 2813表 2-3 泥岩常规物理性质参数天然含水率饱和吸水率块体密度(g/cm3)颗粒密度(g/cm3)压缩波速（m/s）范围 0.42%~0.66% 2.3%~3.7% 2.52 ~2.61 2.64~2.66 2083~2439平均值 0.57% 2.8% 2.58 2.65 23032.2 单轴压缩试验

标准试样,泥岩,饱和吸水率

示意图,岩石力学试验,示意图

图 2-3 MTS815 型岩石力学试验机示意图图 2-4 MTS815 型岩石试验机压力室在砂岩、泥岩进行单轴压缩试验采用 0.8MPa/s 的恒定速率对施加轴向荷载，直到岩样明显破坏，在试验过程中采用计算机自动记录试样的轴向荷载和轴向变形值。2.2.2 试验结果与分析图 2-5、图 2-7 分别为砂岩、泥岩单轴压缩应力应变全过程特征曲线，图 2-7、2-8 分别为砂岩、泥岩试验单轴压缩试验破坏照片。从曲线可以看出，砂岩和泥岩试样的应力应变曲线在试样发生破坏之前较为相似，可以将其划分为三个阶段：① 孔隙裂隙压密阶段：在该阶段时，岩石试样内部原有的张开性结构面和微裂隙受到轴向应力的作用发生挤压、闭合，应力-应变曲线呈上凹型，曲线的斜率随着应力的增加逐渐增大。该阶段多存在于原生裂隙较为发达的岩石中，坚硬岩石的压密阶段几乎不存在[183,184]。从图 2-5、2-7 中看出，砂岩、泥岩的应力-应变曲线均在加载之初就呈现上凹型，说明试验中使用的两种岩石试样内部均存在微

【参考文献】