巴东组紫红色泥岩风化分带与剪切蠕变特性研究

发布时间：2017-12-06 12:27

  本文关键词：巴东组紫红色泥岩风化分带与剪切蠕变特性研究

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【摘要】：岩石的风化性质、蠕变性质在工程破坏中起着非常重要的作用,由于其工程性质随时间衰减,必然引发一系列工程地质问题。已建成通车的宜(昌)-巴(东)高速穿越了一段三叠系巴东组紫红色泥岩地层,岩层强度低,稳定性差而且极易随着时间发生风化和蠕变,导致该组地层与一系列工程地质问题呈现出明显的时间相关性,严重影响了工程建设的安全与长期稳定。本文以巴东组紫红色泥岩为研究对象,通过室内矿物成分测试、水理力学特性试验(冷热-干湿循环作用、吸水性、崩解性),力学试验(单、三轴压缩、剪切蠕变试验),岩体波速测试,研究了巴东组紫红色泥岩的工程地质性质、风化分带与剪切蠕变特性。一方面,归纳分析了风化分带影响因素和巴东组紫红色泥岩风化分带特征后采取典型试样,进行了风化带矿物成分分析和微观结构对比,查明了矿物类型与含量,分析了风化程度与矿物成分、微观结构对应关系；与此同时,通过冷热-干湿循环作用、吸水和崩解试验获取巴东组紫红色泥岩力学参数、软化性质、崩解残留物及其形态特征,研究了巴东组紫红色泥岩物理力学参数变化与风化分带规律。另一方面,对巴东组紫红色泥岩进行了不同法向正应力下的剪切蠕变试验,并根据试验数据分析了其剪切蠕变特性、计算了长期强度、探究了剪切蠕变机理。在试验基础上,分别采用经验公式和元件组合模型对巴东组紫红色泥岩的剪切蠕变曲线进行了拟合,比选出了一种适合描述巴东组紫红色泥岩剪切蠕变特性的本构模型。研究主要取得成果如下：1、巴东组紫红色泥岩具有较为明显的风化分带特性。物理风化作用在制约其力学性质中占据重要地位,具体表现为冷热-干湿循环作用、水的作用、崩解作用。从风化带物理化学性质和矿物成分测试结果来看,风化带物质成分在原岩基础上并没有发生显著改变,风化剖面的宏观特性和原生结构的残存程度可作为巴东组紫红色泥岩风化剖面的分带依据,可将其划分为5个工程地质单元,即全风化、强风化、中风化、微风化和基岩。2、无论干燥和饱和状态,巴东组紫红色泥岩在冷热-干湿循环条件作用下单轴抗压强度和变形模量总体上随着循环次数增大而线性减小,干燥状态下的量值比饱和状态大尤其是干燥状态的单轴抗压强度比饱和状态大得多。3、水的介入导致巴东组紫红色泥岩风化带力学性质明显变差。岩石峰值强度和残余强度、峰残差与围压之间可以用线性关系以及峰残强度下降率与围压用负指数关系拟合效果较好。通过强度-围压效应关系计算,水作用下泥岩饱和后内摩擦角、粘聚力降低为饱和前的1/2。4、巴东组紫红色泥岩耐崩解性很弱,崩解产物以碎屑颗粒为主,且崩落量较大,崩解较彻底。随着崩解循环次数的增加,耐崩解指数均明显降低。崩解循环时间越长,崩解程度越高,一定时间后,崩解现象趋于稳定。5、巴东组紫红色泥岩剪切流变特性明显。泥岩蠕变曲线大致可分成三个阶段：初始蠕变阶段、稳定蠕变阶段与加速蠕变阶段,前两个为主要变形特征阶段,在较高应力条件下才出现加速蠕变现象。6、法向荷载一定时,可利用线性函数v=Mτ+N与指数函数v=PeQτ分别表征巴东组紫红色泥岩平均蠕变速率及稳定蠕变速率与剪切应力关系,其中M、N、P、Q为岩石材料参数。7、利用4种方法确定巴东组紫红色泥岩长期强度并反算出其抗剪强度指标C,φ,得到服从Mohr-Coulomb准则的线性拟合关系τ=A+Bσ(A、B为常数)；直剪试验确定的瞬时强度大于剪切蠕变试验确定的长期强度,泥岩黏聚力受剪切蠕变作用的影响较内摩擦角大。西原模型对于巴东组紫红色泥岩的拟合关系与试验数据基本一致,能较好表征巴东组紫红色泥岩剪切蠕变特性。
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TU45;P512.1

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本文编号：1258619