板岩水理特性试验研究与理论分析

针对南水北调西线板岩在不同吸水率情况下发生水解这一问题从实验与理论分析方面作了一定的工作,分别从板岩的微观成分、结构,常规力学特性及在不同吸水条件下的力学特性,长期时间效应下的蠕变特性等展开,主要内容如下: 1、利用偏光显微镜、扫描电子显微镜及粉晶X衍射、能谱分析等手段分析了干燥状态下板岩内部粘土矿物的组成、含量及排列特征,并与不同吸水状态下的特征进行对比,分析水对矿物颗粒的影响; 2、由于板岩内部粘土矿物的定向排列,常规力学试验(剪切试验、单三轴压缩实验)结果显示,板岩为横观各向同性体,各种力学参数大小与结构面倾角大小相关,当结构面倾角在0或90°附近变化时,参数值较大,受力后易发生剪切破坏;当其在30-60°之间变化时,值较小,在受力压缩后较易产生顺层理面滑移破坏; 3、通过分析板岩内部层理面发育特征,将板岩样分为含层理面较多块体及较少块体两类,结合Cosserat介质理论、层状岩体理论建立了板岩本构关系,并能与实验结果较好的对比分析;由单弱面理论及Mohr-Coulumb准则分析了板岩的破坏方式,确定了最大抗压强度随结构面倾角的变化规律; 4、通过对板岩试样进行泡水试验及膨胀试验,建立起板岩在吸水后吸水率、膨胀应力及膨胀变形随时间的变化规律;由不同吸水状态下试样的常规单三轴试验可以了解到板岩的水理特性,抗压强度及弹性模量等参数随吸水率改变的变化规律;通过定义弹性模量的改变为损伤变量,分析了该变量随吸水率的变化情况,将获得的变化规律代入干燥状态下的本构关系中,可以获得含结构面倾角及吸水率两个变量的本构关系; 5、从微观角度及宏观分析出发,认为板岩浸泡后产生软化的机理主要是:岩石中层理面附近的粘土类矿物与水相互作用后,水分子进行孔隙中,在颗粒表面吸附,形成较厚的水分子层,造成粘土矿物的膨胀,产生膨胀应力;在浸泡过程中,润湿角减小,岩石内颗粒的表面张力也减小,加上其它几个因素综合作用,使得岩石内部粘结力降低,宏观上则显示为岩石发生软化,强度降低; 6、板岩的蠕变效果不太明显。板岩的蠕变变形的比例很小;板岩的蠕变变形基本上都包括有瞬态蠕变与稳态蠕变两个阶段;分析了轴压、围压等对板岩蠕变变形的影响,并在此分析基础上建立了板岩的本构关系,能较好的反映出板岩的蠕变变形过程;最后初步分析了水