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水-岩作用下断续节理砂岩力学特性劣化效应研究

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水-岩作用下断续节理砂岩力学特性劣化效应研究

作者：王晨玺杰三峡大学

学位级别：硕士

三峡库区蓄水之后,库水位变动使库岸边坡形成了一个30m的库水消落带,库水位的大幅度升降会使消落带的部分岩体周期性处于一个饱和和疏干的交替循环作用,这种持续的浸泡-风干水-岩作用(后简称水-岩作用)会对库岸边坡岩体造成不可逆的渐... 详细信息

三峡库区蓄水之后,库水位变动使库岸边坡形成了一个30m的库水消落带,库水位的大幅度升降会使消落带的部分岩体周期性处于一个饱和和疏干的交替循环作用,这种持续的浸泡-风干水-岩作用(后简称水-岩作用)会对库岸边坡岩体造成不可逆的渐进损伤,使消落带岩体力学性能劣化,促进岩土体节理、裂隙发育,影响边坡的稳定。基于此,选取三峡库区消落带典型砂岩为研究对象,制作带有不同节理倾角的岩石试样,对其进行浸泡-风干循环试验,模拟现实消落带岩体在库水位升降变化过程,探究节理倾角对砂岩力学特性的影响规律以及水-岩作用对砂岩力学特性的影响规律,并综合岩样物理、力学特性劣化规律和变形破坏规律,分析水-岩作用下节理砂岩力学特性劣化机理,本文主要研究成果如下:1)对完整状态、切割不同节理倾角以及切割不同节理深度的岩样进行了声学特性试验,通过波速对试验用样进行筛选以减弱试验离散性,并发现超声波在节理岩体中传播具有很强的各向异性,受节理倾角和填充物影响显著,除90°试样外,随着倾角增加波速呈近似直线降低。2)通过对不同节理倾角砂岩试样进行单轴、三轴压缩试验,得到了试样应力-应变曲线,并依此分析了试样强度、变形特性和强度参数随节理倾角的变化规律,研究了节理砂岩的各向异性,发现试样力学特征随节理倾角变化成U形曲线规律,在60°附近取得最小值;通过试样破坏照片和裂缝展开图分析了节理倾角和围压对试样破坏模式的影响规律。3)通过对不同水-岩作用周期的砂岩试样进行单轴、三轴压缩试验,分析了试样强度、变形特性受水-岩作用的劣化规律,发现水-岩作用下试样力学特征逐渐降低,且降低幅度逐渐减小并趋于稳定,并建立了砂岩水-岩作用下损伤劣化公式,公式能较好的反映强度、变形特性受水-岩作用的影响规律,并提出了考虑水-岩作用劣化效应的节理砂岩D-P屈服函数。4)通过不同水-岩作用周期砂岩试样密度、波速的分析,结合试样的微细观结构变化过程,分析了水-岩作用对试样破坏模式的影响,并解释了砂岩试样受水-岩作用的损伤劣化机理。

关键词：节理砂岩节理倾角声学特性水-岩作用抗压强度微细观结构机理分析

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加载速率对砂岩抗拉强度的影响机制

岩土力学 2018年第S1期39卷 79-88页

作者：邓华锋王晨玺杰李建林张吟钗王伟张恒宾三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室湖北宜昌443002

为研究加载速率对砂岩抗拉强度的影响效应及影响机制,设计开展5种加载速率的劈裂试验,综合分析抗拉强度、破坏特征、能量参数和劈裂面微观形貌变化规律及相关性。结果表明,(1)随着加载速率增大,砂岩劈裂抗拉强度逐渐增大,总体呈现先陡... 详细信息

为研究加载速率对砂岩抗拉强度的影响效应及影响机制,设计开展5种加载速率的劈裂试验,综合分析抗拉强度、破坏特征、能量参数和劈裂面微观形貌变化规律及相关性。结果表明,(1)随着加载速率增大,砂岩劈裂抗拉强度逐渐增大,总体呈现先陡后缓的趋势,加载速率在0.01~0.10 k N/s范围内时抗拉强度增长迅速,0.10~1.00 k N/s范围内时抗拉强度增长趋势渐缓;(2)随着加载速率的增大,岩样吸收的总能量增大,弹性应变能占总能量的比值逐渐增大,耗散能占总能量的比值逐渐减小,加载至破坏时裂纹扩展形成宏观劈裂面的时间呈数量级减小,达到峰值应力时弹性应变能的释放,导致岩样破坏的突发性增强,使得劈裂面形貌特征在宏观和微观上逐渐变得复杂,对应抗拉强度逐渐增大;(3)在岩石劈裂试验过程中加载速率、能量参数、劈裂面形貌特征与抗拉强度密切相关,加载速率影响加载过程中能量的总量与分配,能量参数的变化直接影响岩样的破坏过程及劈裂面的形貌特征,最后宏观上表现为抗拉强度的差异。文中相关分析方法和思路可为类似试验提供较好的参考。

关键词：加载速率劈裂微观形貌高度特征参数纹理特征参数能量

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含水状态对砂岩劈裂抗拉力学特性影响研究

应用力学学报 2018年第3期35卷 655-661页

作者：王晨玺杰邓华锋王伟张恒宾肖瑶方景成三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室宜昌443002

为了研究含水状态对岩石劈裂抗拉强度的影响效应和机理,设计进行了0.00%、33.33%、48.15%、62.96%、77.78%、85.19%、100.00%,7种含水饱和度的砂岩圆盘劈裂试验,对劈裂面进行了微观形貌扫描分析。结果表明:(1)砂岩的抗拉强度随着含水饱... 详细信息

为了研究含水状态对岩石劈裂抗拉强度的影响效应和机理,设计进行了0.00%、33.33%、48.15%、62.96%、77.78%、85.19%、100.00%,7种含水饱和度的砂岩圆盘劈裂试验,对劈裂面进行了微观形貌扫描分析。结果表明:(1)砂岩的抗拉强度随着含水饱和度的增大明显下降,总体呈现先陡后缓的趋势,含水饱和度大于60%之后,抗拉强度下降趋势趋于缓慢;(2)随着含水饱和度的增加,破裂面的平整度逐渐变差,加载钢丝处的局部破坏现象逐渐严重;(3)随着含水饱和度的增大,劈裂面表面形貌的高度起伏、波动程度、表面粗糙程度和偏离基准面程度均逐渐增加,形貌参数增大幅度呈现先陡后缓的趋势,在含水饱和度大于60%之后,增长趋势逐渐变得缓慢;(4)随着含水饱和度的增加,矿物颗粒间的连接明显减弱,加之孔隙水压力作用,使劈裂面沿薄弱面发展,从而导致劈裂面高度参数、纹理参数逐渐增大,宏观上表现为劈裂面平整度、粗糙度增大,抗拉强度下降。研究成果可为含水状态下岩石物理力学特性的劣化机理分析提供参考。

关键词：含水状态巴西劈裂试验破坏模式微观形貌

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水–岩作用下红层软岩力学特性劣化规律研究

岩石力学与工程学报 2016年第A2期35卷 3481-3491页

作者：邓华锋周美玲李建林方景成肖瑶张恒宾王晨玺杰三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室湖北宜昌443002

红层软岩在三峡库区广泛分布,其在水–岩作用下的物理力学特性劣化将直接影响相关库岸边坡的长期变形稳定与安全。基于此,考虑消落带库水位反复升降变化,设计进行红层软岩的浸泡–风干循环水–岩作用试验,研究结果表明:(1)在水–岩作用... 详细信息

红层软岩在三峡库区广泛分布,其在水–岩作用下的物理力学特性劣化将直接影响相关库岸边坡的长期变形稳定与安全。基于此,考虑消落带库水位反复升降变化,设计进行红层软岩的浸泡–风干循环水–岩作用试验,研究结果表明:(1)在水–岩作用过程中,红层软岩的强度及变形参数劣化趋势明显,岩样存在逐渐"变软"的趋势,而且前3次浸泡–风干循环中的劣化速率较快,5次浸泡–风干循环作用之后,红层软岩的强度及变形参数劣化趋势逐渐趋于缓慢;(2)在水–岩作用过程中,岩样的破坏模式也存在明显的变化,不同围压下岩样的剪切破坏特征逐渐明显,岩样破坏时控制性裂纹数量逐渐减少,次生裂纹的数量逐渐增加;(3)在水–岩作用过程中,水压力的反复升降变化和浸泡–风干循环作用对红层软岩造成了不可逆的渐进累积损伤,红层软岩由相对致密的结构转变成微观裂隙、孔隙发育的松散多孔结构,宏观上就表现为抗压、抗剪强度劣化和破坏模式的变化。相关研究结论可为库岸边坡长期变形稳定分析提供参考。

关键词：岩石力学红层软岩消落带浸泡–风干循环劣化破坏特征微观结构

干湿循环作用下岸坡消落带土体抗剪强度劣化规律及其对岸坡稳定性影响研究

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岩土力学 2017年第9期38卷 2629-2638页

作者：邓华锋肖瑶方景成张恒宾王晨玺杰曹毅三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室湖北宜昌443002

三峡水库蓄水运行之后,库水位每年都在145 m的防洪水位和175 m的蓄水发电水位之间或缓慢或快速地升降变化,岸坡消落带区域岩土体长期处于干湿循环状态,其力学参数的劣化规律将直接影响岸坡的变形稳定。基于此,设计并进行了典型岸坡消落... 详细信息

三峡水库蓄水运行之后,库水位每年都在145 m的防洪水位和175 m的蓄水发电水位之间或缓慢或快速地升降变化,岸坡消落带区域岩土体长期处于干湿循环状态,其力学参数的劣化规律将直接影响岸坡的变形稳定。基于此,设计并进行了典型岸坡消落带土体的干湿循环作用试验。结果表明:(1)在干湿循环作用过程中,土体抗剪强度参数劣化幅度非常明显,其中,前4次干湿循环作用导致的抗剪强度参数劣化幅度占总劣化度的75%左右,4次干湿循环作用之后,劣化趋势逐渐趋于平缓;(2)在干湿循环作用下,土样内部的微观裂纹、裂隙反复张开闭合,逐渐发育、汇集,土样由密实状态逐渐变为内部裂纹发育的松散状态,土样内部的损伤是导致其抗剪强度参数逐渐劣化的根本原因;(3)考虑干湿循环作用下消落带土体参数劣化时,岸坡消落带区域局部安全系数劣化趋势明显,总体趋势与消落带土体抗剪强度参数劣化规律一致,而且岸坡消落带区域附近的局部滑动迹象明显,这与现场踏勘所见到的该区域明显发育的裂缝、下挫现象是一致的。研究成果对库水作用下岸坡的长期变形稳定评价具有较大的参考意义,相关分析方法也可以为类似试验提供参考。

关键词：岸坡消落带干湿循环劣化损伤

水-岩作用对砂岩卸荷力学特性及微观结构的影响

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岩土力学 2018年第7期39卷 2344-2352页

作者：邓华锋张恒宾李建林王晨玺杰张吟钗王伟胡亚运三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室湖北宜昌443002

库岸坡岩体在工程建设中不可避免要遭遇开挖卸荷作用的影响,以三峡库区典型岸坡的层状砂岩为试验对象,设计开展了模拟库水位升降变化和浸泡-风干循环的水-岩作用试验,重点分析了水-岩作用对砂岩卸荷力学特性和微观结构的影响。研究表明:... 详细信息

库岸坡岩体在工程建设中不可避免要遭遇开挖卸荷作用的影响,以三峡库区典型岸坡的层状砂岩为试验对象,设计开展了模拟库水位升降变化和浸泡-风干循环的水-岩作用试验,重点分析了水-岩作用对砂岩卸荷力学特性和微观结构的影响。研究表明:在10次水-岩作用过程中,砂岩的三轴卸荷强度、抗剪强度总体呈先陡后缓的劣化趋势,前4次水-岩作用的劣化速度较快,占总劣化度的70%左右,而后,劣化趋势逐渐趋缓;随着水-岩作用次数的增加,同一围压下岩样卸荷前的变形模量逐渐降低,围压卸载过程中变形模量的线性缓变阶段逐渐变短,非线性突变阶段逐渐变长、变缓,岩样的脆性特征逐渐减弱,塑性逐渐增强;水压力的反复升降变化和浸泡-风干循环作用对岩样造成了不可逆的渐进累积损伤,微观上岩样微裂纹、裂隙、孔隙逐步发育、汇集,宏观上就表现为孔隙率增加、三轴卸荷强度、抗剪强度的劣化。相关研究结论可为库岸边坡岩体开挖卸荷变形稳定分析提供参考。

关键词：库岸边坡水-岩作用卸荷劣化规律微观结构

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考虑抗剪强度参数劣化的水库岸坡稳定性分析

自然灾害学报 2018年第2期27卷 100-106页

作者：肖瑶邓华锋方景成张恒宾王晨玺杰宛良朋三峡库区教育部重点实验室湖北宜昌443002

在水库正常运行过程中,库岸边坡岩土体物理力学特性不可避免的存在劣化的趋势,对应岸坡的整体稳定性也将逐渐降低。基于此,选取三峡库区典型岸坡,考虑水库运行过程中岸坡岩土体的劣化效应,对水库岸坡在降雨、库水位升降工况下的稳定性... 详细信息

在水库正常运行过程中,库岸边坡岩土体物理力学特性不可避免的存在劣化的趋势,对应岸坡的整体稳定性也将逐渐降低。基于此,选取三峡库区典型岸坡,考虑水库运行过程中岸坡岩土体的劣化效应,对水库岸坡在降雨、库水位升降工况下的稳定性进行了计算分析。结果表明:(1)单纯考虑岸坡岩土体抗剪强度参数劣化时,当劣化比例达到30%左右时,岸坡达到临界破坏状态;(2)如果在抗剪强度参数劣化过程中考虑降雨作用,当劣化比例达到15%左右,在100 mm/d的极端暴雨情况下岸坡将达到临界破坏状态;(3)如果在抗剪强度参数劣化过程中考虑库水位上升或者下降作用,当劣化比例为15%~20%时,大于1 m/d的库水位升、降速率很可能导致岸坡达到临界破坏状态。因此,在岸坡地质灾害防治中,一方面,要考虑岸坡岩土体抗剪强度参数的实际劣化效应;另一方面,在水库运行过程中要合理的调整库水位运行调度方案。相关研究成果可为岸坡长期稳定分析评价提供较好参考。

关键词：水库岸坡抗剪强度劣化趋势整体稳定性降雨强度灾害防治劣化效应

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层状砂岩劈裂抗拉强度各向异性研究

防灾减灾工程学报 2018年第2期38卷 274-281页

作者：张恒宾邓华锋方景成王晨玺杰肖瑶张小景三峡库区地质灾害教育部重点实验室(三峡大学)

为了分析层状岩体劈裂抗拉强度的各向异性,选取层理砂岩为研究对象,设计进行了加载线与层理走向垂直和平行的两组试验。结果表明：（1）加载线与层理走向垂直时,随着层理角度的增大,对应岩样的抗拉强度逐渐增大;加载方向与层理走向平行... 详细信息

为了分析层状岩体劈裂抗拉强度的各向异性,选取层理砂岩为研究对象,设计进行了加载线与层理走向垂直和平行的两组试验。结果表明：（1）加载线与层理走向垂直时,随着层理角度的增大,对应岩样的抗拉强度逐渐增大;加载方向与层理走向平行时,随着加载线与层理夹角的增大,对应岩样的抗拉强度也逐渐增大;（2）加载线与层理走向垂直时,层理效应系数在层理面法线方向与加载方向一致时最大,在层理面法线方向与加载方向垂直时最小;加载线与层理走向平行时,层理效应系数在层理面法线方向与加载方向垂直时最大,在层理面法线方向与加载方向一致时最小;（3）加载线两侧层理结构称对称分布时,试样的破裂面是一条通过圆心的直线,破坏模式为直线型;层理结构关于加载线不对称时,试样的破裂面往往由多段折线或者弧线构成,破坏模式为折线型或弧线型。研究结果为比较全面地把握层状岩体抗拉强度各向异性提供了较好的参考。

关键词：层状岩体层理角度各向异性抗拉强度破坏模式

库水和降雨联合作用下岸坡稳定影响因素敏感性分析

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水利水电技术 2017年第3期48卷 146-152,157页

作者：方景成邓华锋肖瑶张恒宾王晨玺杰三峡大学土木与建筑学院湖北宜昌443002 三峡库区地质灾害教育部重点实验室湖北宜昌443002

库岸边坡的稳定性受众多因素综合影响,其敏感性分析一直是相关研究的重要内容。以三峡库区某库岸边坡为研究背景,根据边坡监测变形,确定了库水位下降速率和降雨强度为主要外部影响因素,采用敏感性系数法,进行了单一因素敏感性分析以及... 详细信息

库岸边坡的稳定性受众多因素综合影响,其敏感性分析一直是相关研究的重要内容。以三峡库区某库岸边坡为研究背景,根据边坡监测变形,确定了库水位下降速率和降雨强度为主要外部影响因素,采用敏感性系数法,进行了单一因素敏感性分析以及双因素联合作用下的敏感性分析。结果表明:单因素作用时,库水位下降速率对边坡的稳定性影响更为显著;在库水位下降的过程中叠加降雨作用,边坡的安全系数明显降低,各影响因素的敏感性逐渐增大,说明联合作用对库岸边坡稳定的影响显著。因此在库岸边坡的稳定性研究中,应该根据外界影响因素进行综合分析,重点考虑各因素的联合作用,这样才能更好地评价边坡的稳定情况。研究成果可为库岸边坡的稳定性评价和治理提供参考。

关键词：库水位下降速率降雨强度敏感性分析联合作用库岸边坡三峡水库