不同层厚条件下含水平单层薄层膏盐泥岩力学特性试验研究

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在黄河、汉江及红河等流域的水利水电工程中分布有大量的含石膏、岩盐等膏盐岩的泥岩,膏盐岩常以层状分布在泥岩中,含膏盐薄层的泥岩力学特性较为特殊和复杂且常对水利水电工程建设造成不利影响,故分析含薄层膏盐泥岩变形破坏特征对相应工程的研究具有极大意义。本文含水平单层薄层膏盐泥岩为研究对象,关于泥岩岩块含水量和膏盐岩薄层厚度对试样全过程-全方位变形破坏影响进行研究。通过自研的可视化-全过程-全方位变形可实时监测软岩三轴仪,对泥岩含水量为干燥状态ω=2~3%和塑限含水量附近ω=16.5~18.3%时不同薄层厚度的试样进行单轴压缩力学试验,对试验结果进行汇总分析,以泥岩含水量为16.5~18.3%时不同薄层厚度(D=1~5mm)的试样为主,以泥岩含水量为2~3%时不同薄层厚度的试样为辅,得到了泥岩两种不同含水量时不同薄层层厚条件下试样全过程-全方位变形破坏特征。主要成果及结论如下:(1)因国内外现有岩石三轴仪无法或很难满足试验要求,自主研发了一种可视化-全方位变形可监测软岩三轴试验仪,仪器主要包括可视化三轴压力室、轴向加载模块、压力伺服模块、测量采集模块、信息处理模块5个部分,其中测量采集模块为该仪器区别于其他仪器的重要组成模块。与国内外岩石三轴仪相比,该装置在进行常规三轴试验的基础上,能同时满足对大变形软岩试样进行试验;三轴压力室腔体可视化,试样在试验全过程变形可视;单轴压缩试验时,仪器可通过激光测量仪、伺服滑台、水平刻度盘、多功能电箱等协同作用对试样全过程的方位变形进行实时监测。(2)关于泥岩岩块含水量对试样的变形破坏特征的影响分析,以泥岩为两种典型含水量时(ω=2~3%和ω=16.5~18.3%),薄层厚度为4mm的试样在试验全过程全方位的变形破坏为例。ω=2~3%时,试样整体呈现小变形破坏特征(试样破坏时试样整体轴向位移在1mm左右,侧向位移最大值约为轴向位移的1/6~1/5);当ω=16.5~18.3%,试样变形为大变形破坏特征(试样破坏时整体变形值增加,侧向位移最大值约为轴向位移的1/4~1/3,沿试样高度方向展布时侧向位移变化规律展现为近“葫芦”状)。(3)不同薄层厚度对试样变形破坏特征影响分析,以ω=16.5~18.3%时不同薄层厚度(D=1~5mm)的试样为主,以泥岩岩块含水量为2~3%时不同薄层厚度的试样为辅。在全方位变形方面,ω=16.5~18.3%时,薄层较薄时(D=1~1.5mm),膏盐岩薄层对于试样整体变形特征的干扰较轻微,随着薄层厚度的增加,薄层对其界面附近的泥岩岩块变形的约束作用逐渐增加。ω=2~3%时,薄层较薄时,薄层的存在对泥岩岩块整体变形基本无影响;当薄层厚度增加到4mm时,薄层部位的侧向变形减小,但影响相对有限。(4)不同薄层厚度对试样变形破坏特征影响分析,试样在试验全过程破坏特征方面,ω=16.5~18.3%时,当薄层D=1~3mm时,试样整体发生裂隙贯通破坏,由于泥岩岩块的挤压作用导致薄层位置出现严重错断;随着薄层厚度的增加薄层错动和破坏现象随之减轻,当薄层厚度达到4mm时,试样仅泥岩岩块出现裂隙贯通而薄层不发生破坏。ω=2~3%时,当薄层较薄时,薄层对裂隙产生基本无影响,随着薄层厚度增加,D=4~5mm时试样整体上的裂隙延伸扩展特征受膏盐岩的阻断且阻挡效应明显。ω=2~3%时,裂隙贯通部位主要为中间区域,薄层的破坏主要受到上下端泥岩岩块的挤压作用。ω=16.5~18.3%时,薄层的主要破坏区域为薄层两侧,裂隙减少,薄层破坏程度减弱,薄层的破坏主要受到两端泥岩岩块的挤压和泥岩岩块剪切裂隙的影响。
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