循环荷载与水-岩次序作用下砂岩损伤力学特性研究

Simple cyclic loading or water-rock interaction can cause irreversible progressive damage to rock, while large mumble of bank slopes which are formed in the construction of large hydropower projects, tend to suffer from the orainal action. Therefore, it is necessary for the study of rock mechanical properties, which under ordinal action of the cyclic loading and water-rock interaction. On the basis of theoretical analysis, sandstone in typical water-level-fluctuating zone of the three gorges reservoir area was selected as the experimental research object. The test simulates the repeated changes of reservoir water level and immersion-air dry circulation process more realistic in test method and test condition, on the one hand, use cyclic loading and unloading to make certain damage to rock sample first, then conduct the water-rock interaction test; on the other hand, conduct cyclic loading test on rock samples in different water-rock interaction period. The degradation mechanism under water-rock action of damaged rock samples can get a good explanation comprehensive with the change laws of physical, mechanical properties and microstructure; what's more, the dynamic response change rule of rock under the water-rock interaction can be analyzed; at the meanwhile, consider the initial damage of rock sample, the statistical damage constitutive model of typical sandstone can be established, coupling the deteriorating effect of water-rock action to mechanical damage. The expected research results have important practical significance and application value for the long-term stability evaluation of the slope considering earthquake action, as well as the development of the disaster prevention and mitigation in the long term planning.

单独的循环荷载或水-岩作用均可造成岩石不可逆的渐进损伤，水电工程建设中形成的大量库岸边坡岩体可能要遭受二者的先后作用，因此，有必要对循环荷载与水-岩次序作用下岩石的力学特性进行研究。在理论分析的基础上，选取三峡库区库岸边坡消落带典型砂岩为试验研究对象，重点在试验方法和条件方面更加真实的模拟库水位反复升降变化和浸泡-风干的循环过程。一方面，对岩样先进行循环加卸载损伤，再进行水-岩作用试验；另一方面，对不同水-岩作用周期的岩样进行循环加卸载试验。综合岩样的物理、力学特性和微观结构的变化规律，较好的解释损伤岩样在水-岩作用下的劣化机理；分析得到水-岩作用下砂岩的动力响应特性变化规律；考虑岩样的初始损伤，将水-岩作用的劣化效应耦合到力学损伤中，建立典型砂岩的统计损伤本构模型。预期研究成果对大量存在的库岸边坡在考虑地震作用的长期稳定性评价，以及制定库区防灾减灾的中长远规划具有重要现实意义和应用价值。

水电工程的库岸边坡岩体可能遭受循环荷载和水-岩次序作用，在理论分析基础上，设计开展了考虑库水位升降变化和浸泡-风干循环的水-岩作用试验，一方面研究了损伤砂岩在水-岩作用下的劣化效应和机理；另一方面研究了水-岩作用下砂岩动力响应特性劣化规律。主要取得了如下研究成果：1）对库岸边坡采用分段的方法，从力学机理上解释了库岸边坡在水位上升或下降过程中安全系数先减小后增大变化规律的原因；把库岸边坡水-岩作用机制归结为五个方面：力学弱化机制、局部应力集中机制、物理弱化机制、化学弱化机制、浸泡-风干循环作用累积损伤机制。2）结合岩石的地质本质性和室内试验条件，提出了缺陷岩样的抗压强度修正方法。3）获得了损伤砂岩试样在水-岩作用下的波速、密度、孔隙率、抗压强度、弹性模量、摩擦角和粘聚力等物理力学参数劣化规律，多参数综合评价了水-岩作用下砂岩的损伤效应；综合岩样的物理力学特性和微观结构变化规律，分析解释了损伤砂岩在水-岩作用下的劣化机理。4）获得了加卸载频率和应力幅值对砂岩动应力-应变滞回曲线、动弹性模量、阻尼比和阻尼系数等动力参数的影响规律。5）考虑循环加卸载过程中应力–应变滞后效应，修正了加卸载响应比与损伤变量的相关关系。6）探讨了循环加卸载过程中的能量和损伤变量等参数的变化规律及其相互关系，提出了循环加卸载过程中能量参数的修正计算方法。7）获得了水-岩作用下砂岩试样的动力特性劣化规律，建立水-岩作用下砂岩动力特性损伤演化方程，解释了水-岩作用下砂岩动力特性劣化机制。8）考虑岩样的循环加卸载初始损伤，将水-岩作用的劣化效应耦合到力学损伤中，建立了损伤砂岩的统计损伤本构模型。9）考虑水-岩作用对岩土体物理力学参数的劣化影响，对典型库岸边坡的长期抗震性能劣化规律进行了分析评价。研究成果对于把握库岸边坡长期变形破坏规律及机理具有较好的参考价值，相关的试验方法和技术也可供类似试验参考借鉴。