水-岩作用下砂岩循环加卸载动力响应研究

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水电工程建设中形成了大量库岸边坡岩体,山体爆破开挖、加固、库水位的大幅度升降变化等不仅对边坡岩体造成不可逆的渐进损伤,也是一种循环加卸载的动力作用。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,一方面,对岩样进行不同周期浸泡-风干循环水-岩作用试验,模拟库岸边坡岩体在库水位反复升降作用下的水-岩作用过程,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,探究砂岩动力特性损伤劣化规律,最后,综合岩样的力学特性劣化规律和微观结构变化特征,分析解释水-岩作用下砂岩的动力特性劣化机理。主要研究成果如下:  1)对不同水-岩作用周期的砂岩试样进行常幅循环加卸载试验,利用修正的弹性模量法计算得到了不同水-岩作用周期及循环荷载次数作用对砂岩造成的损伤量的大小。发现随着水-岩作用周期和循环加卸载次数的增加,岩石的累积损伤量都呈对数函数增加。  2)对不同水-岩作用周期的砂岩试样进行不同频率及应力幅值的分级循环加卸载试验,研究了岩石阻尼系数、阻尼比、动弹性模量三种动力参数随水-岩作用周期、循环加卸载频率、循环加卸载幅值的变化规律,分析得到水-岩作用下砂岩的动力响应特性演化规律。  3)通过 SEM电镜扫描照片分析了不同水-岩作用周期砂岩试样在不同力学加载作用下的微细观结构变化特征和规律;通过不同水-岩作用周期岩石浸泡溶液离子成份和浓度检测分析确定了水-岩作用的类型和进程。结合岩样的微观结构、化学反应等综合分析确定了水-岩作用对砂岩力学特性的影响机理,建立了水-岩作用下砂岩微细观劣化模型。  4)利用 PFC离散元软件,采用平行粘结模型(PBM),对砂岩在不同水-岩作用周期的力学特性进行了模拟,分析了水-岩作用对砂岩宏微观力学参数、应力-应变响应、破坏模式等方面的影响,对比分析表明,数值模拟结果与室内试验结果吻合较好。  5)考虑水-岩作用和循环荷载作用对岩石造成损伤的影响,对广义开尔文模型进行了修正,可以较好的反映循环荷载作用下的应变滞回性和累积性。验证分析表明,修正后的模型能够较好反映水-岩作用下砂岩的动力特性劣化规律。
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