本文關(guān)鍵詞：巴東組紫紅色泥巖風(fēng)化分帶與剪切蠕變特性研究

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【摘要】：巖石的風(fēng)化性質(zhì)、蠕變性質(zhì)在工程破壞中起著非常重要的作用,由于其工程性質(zhì)隨時(shí)間衰減,必然引發(fā)一系列工程地質(zhì)問題。已建成通車的宜(昌)-巴(東)高速穿越了一段三疊系巴東組紫紅色泥巖地層,巖層強(qiáng)度低,穩(wěn)定性差而且極易隨著時(shí)間發(fā)生風(fēng)化和蠕變,導(dǎo)致該組地層與一系列工程地質(zhì)問題呈現(xiàn)出明顯的時(shí)間相關(guān)性,嚴(yán)重影響了工程建設(shè)的安全與長期穩(wěn)定。本文以巴東組紫紅色泥巖為研究對(duì)象,通過室內(nèi)礦物成分測(cè)試、水理力學(xué)特性試驗(yàn)(冷熱-干濕循環(huán)作用、吸水性、崩解性),力學(xué)試驗(yàn)(單、三軸壓縮、剪切蠕變?cè)囼?yàn)),巖體波速測(cè)試,研究了巴東組紫紅色泥巖的工程地質(zhì)性質(zhì)、風(fēng)化分帶與剪切蠕變特性。一方面,歸納分析了風(fēng)化分帶影響因素和巴東組紫紅色泥巖風(fēng)化分帶特征后采取典型試樣,進(jìn)行了風(fēng)化帶礦物成分分析和微觀結(jié)構(gòu)對(duì)比,查明了礦物類型與含量,分析了風(fēng)化程度與礦物成分、微觀結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)關(guān)系；與此同時(shí),通過冷熱-干濕循環(huán)作用、吸水和崩解試驗(yàn)獲取巴東組紫紅色泥巖力學(xué)參數(shù)、軟化性質(zhì)、崩解殘留物及其形態(tài)特征,研究了巴東組紫紅色泥巖物理力學(xué)參數(shù)變化與風(fēng)化分帶規(guī)律。另一方面,對(duì)巴東組紫紅色泥巖進(jìn)行了不同法向正應(yīng)力下的剪切蠕變?cè)囼?yàn),并根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了其剪切蠕變特性、計(jì)算了長期強(qiáng)度、探究了剪切蠕變機(jī)理。在試驗(yàn)基礎(chǔ)上,分別采用經(jīng)驗(yàn)公式和元件組合模型對(duì)巴東組紫紅色泥巖的剪切蠕變曲線進(jìn)行了擬合,比選出了一種適合描述巴東組紫紅色泥巖剪切蠕變特性的本構(gòu)模型。研究主要取得成果如下：1、巴東組紫紅色泥巖具有較為明顯的風(fēng)化分帶特性。物理風(fēng)化作用在制約其力學(xué)性質(zhì)中占據(jù)重要地位,具體表現(xiàn)為冷熱-干濕循環(huán)作用、水的作用、崩解作用。從風(fēng)化帶物理化學(xué)性質(zhì)和礦物成分測(cè)試結(jié)果來看,風(fēng)化帶物質(zhì)成分在原巖基礎(chǔ)上并沒有發(fā)生顯著改變,風(fēng)化剖面的宏觀特性和原生結(jié)構(gòu)的殘存程度可作為巴東組紫紅色泥巖風(fēng)化剖面的分帶依據(jù),可將其劃分為5個(gè)工程地質(zhì)單元,即全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化、微風(fēng)化和基巖。2、無論干燥和飽和狀態(tài),巴東組紫紅色泥巖在冷熱-干濕循環(huán)條件作用下單軸抗壓強(qiáng)度和變形模量總體上隨著循環(huán)次數(shù)增大而線性減小,干燥狀態(tài)下的量值比飽和狀態(tài)大尤其是干燥狀態(tài)的單軸抗壓強(qiáng)度比飽和狀態(tài)大得多。3、水的介入導(dǎo)致巴東組紫紅色泥巖風(fēng)化帶力學(xué)性質(zhì)明顯變差。巖石峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度、峰殘差與圍壓之間可以用線性關(guān)系以及峰殘強(qiáng)度下降率與圍壓用負(fù)指數(shù)關(guān)系擬合效果較好。通過強(qiáng)度-圍壓效應(yīng)關(guān)系計(jì)算,水作用下泥巖飽和后內(nèi)摩擦角、粘聚力降低為飽和前的1/2。4、巴東組紫紅色泥巖耐崩解性很弱,崩解產(chǎn)物以碎屑顆粒為主,且崩落量較大,崩解較徹底。隨著崩解循環(huán)次數(shù)的增加,耐崩解指數(shù)均明顯降低。崩解循環(huán)時(shí)間越長,崩解程度越高,一定時(shí)間后,崩解現(xiàn)象趨于穩(wěn)定。5、巴東組紫紅色泥巖剪切流變特性明顯。泥巖蠕變曲線大致可分成三個(gè)階段：初始蠕變階段、穩(wěn)定蠕變階段與加速蠕變階段,前兩個(gè)為主要變形特征階段,在較高應(yīng)力條件下才出現(xiàn)加速蠕變現(xiàn)象。6、法向荷載一定時(shí),可利用線性函數(shù)v=Mτ+N與指數(shù)函數(shù)v=PeQτ分別表征巴東組紫紅色泥巖平均蠕變速率及穩(wěn)定蠕變速率與剪切應(yīng)力關(guān)系,其中M、N、P、Q為巖石材料參數(shù)。7、利用4種方法確定巴東組紫紅色泥巖長期強(qiáng)度并反算出其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)C,φ,得到服從Mohr-Coulomb準(zhǔn)則的線性擬合關(guān)系τ=A+Bσ(A、B為常數(shù))；直剪試驗(yàn)確定的瞬時(shí)強(qiáng)度大于剪切蠕變?cè)囼?yàn)確定的長期強(qiáng)度,泥巖黏聚力受剪切蠕變作用的影響較內(nèi)摩擦角大。西原模型對(duì)于巴東組紫紅色泥巖的擬合關(guān)系與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致,能較好表征巴東組紫紅色泥巖剪切蠕變特性。
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TU45;P512.1

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