斜坡非飽和帶低滲透巖石結構體風化前鋒擴展過程研究項目摘要

以斜坡非飽和帶典型低滲透巖石結構體為對象，借助各類觀察、分析、測試、試驗與計算手段，通過對其精細結構與水理行為，地下水入侵、貯存及更新過程；礦物-地下水的反應類型、直觀證據與熱力學基礎、溶解過程的時空連續(xù)性，風化前鋒的多尺度續(xù)性，優(yōu)先溶解的結構缺陷-反應動力學協(xié)同約束，析出組分存在形式、淋失機理、極限遷移距離與核形石鈍化機制；腐巖殼化學-礦物-微結構演化、耦合溫濕度的腐巖殼 核形石小尺度應力場波動、次生微、宏縫的形成與擴展，巖石→腐巖等容轉換，腐巖殼吸濕吸水特性與脹縮行為及其對非飽和帶濕度-水量維持、礦物連續(xù)溶解及風化前鋒擴展的影響；腐巖殼誘發(fā)的宏觀結構面、巖體強度衰減、變形特性劣化、斜坡地下水徑流模式及水-力耦合顯現程度演變等細節(jié)的研究，解決溶解液補給-交替、前鋒擴展及其自驅動效應與巖體穩(wěn)定性響應等核心問題，查明斜坡非飽和帶低滲透巖石結構體風化前鋒的擴展過程及其對斜坡災害孕育的貢獻。

巖石是經過漫長地質作用形成的各種礦物的天然集合體，具有明顯的非均質性和各向異性特性。而巖土工程失穩(wěn)表現為典型的時效漸進破壞過程，探討非均勻性巖石亞臨界裂紋擴展速度效應勢在必行。本項目以試驗為基礎，研究非均勻性巖石在不同載荷條件下裂紋擴展的機制，揭示巖石裂紋擴展過程中內部缺陷動態(tài)演化過程及演化機理，建立巖石的裂紋擴展與宏觀破壞之間的關系；試驗研究非均勻性巖石不同應力狀態(tài)亞臨界裂紋擴展規(guī)律，獲得相應的亞臨界裂紋擴展時間相關參數；建立非均勻性巖石裂紋亞臨界擴展速率方程，確立裂紋擴展優(yōu)勢方向，建立裂紋亞臨界擴展速度與活化能、斷口形貌及破壞模式之間的定量關系；探討時間相關性巖土工程穩(wěn)定性與其力學性能弱化之間的規(guī)律，預測裂紋穩(wěn)定擴展的極限時間；數值模擬結構在不同條件下的應力和變形及非均勻性巖石裂紋穩(wěn)定擴展規(guī)律；將研究成果應用于實際工程，檢驗其有效性。

本項目組根據申請書和計劃書的研究內容及研究進度計劃開展研究工作。四年來，項目執(zhí)行順利，達到了預期的研究目的，取得了新的研究成果。 其主要內容為：考慮巖石非均勻性特性時的裂紋亞臨界擴展速度效應，在理論、試驗、數值模擬與應用方面進行了研究。通過非均勻性巖石雙扭試驗，測定松弛曲線，建立了不同方向的裂紋亞臨界擴展速度與裂紋擴展參數的關系，從擴展能量出發(fā)研究裂紋擴展，確定不同條件下裂紋擴展的起裂條件、門檻值及巖橋貫通方式；通過核磁共振試驗，測定弛豫時間，探討內部細觀結構成像規(guī)律、孔隙度、孔隙尺寸分布規(guī)律、細觀結構變化及損傷累積規(guī)律；通過巖石斷裂表面微觀形貌試驗，建立裂紋亞臨界擴展速度與形貌特征參數的關系；以試驗為基礎，探討非均勻性巖石亞臨界裂紋擴展的機制，分析非均勻性巖石結構的在不同載荷條件下的應力、變形及巖石裂紋穩(wěn)定擴展規(guī)律，確立三個主軸方向及其彈性參數，推導非均勻性巖石初始等效柔度張量及裂紋擴展引起的附加柔度張量，探討內部缺陷的動態(tài)損傷演化效應，建立非均勻性巖石本構模型，確立裂紋快速擴展的條件，預測裂紋穩(wěn)定擴展的極限時間；結合具體邊坡工程，進行穩(wěn)定性分析及加固措施以檢驗其有效性。 研究發(fā)現：各個節(jié)理傾角下的lgKI –lgV關系都有很好的線性規(guī)律，斷裂韌度KIC、松弛最大荷載Pmax、單軸抗壓強度和彈性模量均隨層理面傾角的增大呈“U”型變化趨勢；裂紋擴展的極限時間隨拉應力的增加而減小，極限時間對節(jié)理傾角的變化的靈敏度不同，拉應力越小時，臨界時間受節(jié)理傾角的影響越大；分形維數能較好的表述裂紋擴展形成的斷口斷面；核磁共振孔隙度與浸泡時間成指數衰減函數關系，與單軸抗壓強度、彈性模量成線性關系。

形態(tài)特征

圈足外墻稍削，微微倒棱，內墻斜削。也有外墻不削，只削內墻，形成外墻高、內墻低的斜坡底。 2100433B