（岩土工程专业论文）红山窑膨胀红砂岩本构模型及其应用.pdf

摘要 摘要 膨胀岩问题是工程地质和岩石力学领域中最为复杂的研究难题之一。目前关于膨 胀岩的膨胀变形试验和膨胀本构模型的研究已有不少，但对膨胀岩的判别分类方法、 膨胀机理及膨胀本构模型仍众说纷纭。本文以南京红山窑水利枢纽工程中膨胀红砂岩 为研究对象，通过对此类膨胀红砂岩进行膨胀率试验、膨胀力试验、收缩试验、失水 试验、力学性质指标试验、现场膨胀率试验及载荷试验等试验，并对试验结果运用数 学、力学及有限元理论进行分析研究。论文的主要研究工作和研究成果归纳如下： ( 1 ) 将膨胀岩的自由膨胀率、干燥饱和吸水率、浸水崩解度、极限膨胀量、极 限膨胀力、比表面积、交换容量、围岩强度等膨胀特性指标作为膨胀岩判别分类的主 要考虑因素，引入模糊综合评判的概念，建立膨胀岩分类专家数据系统，采用多因素 综合评判的方法对膨胀岩进行判别分类，从而可避免以往由单因素分类法对膨胀岩进 行分类的不确定性。 ( 2 ) 对南京红山窑膨胀红砂岩进行了多种膨胀特性试验和力学性质指标试验， 获得了此膨胀岩的膨胀变形特性和力学性质指标，为模型的建立和参数的选择提供了 科学的依据。 ( 3 ) 在试验研究的基础上，基于湿度应力场理论，推导了弹性模量e 和泊松比 u 都随含水率变化而发生变化的膨胀红砂岩弹性本构模型、非饱和湿度场弹塑性耦合 模型，讨论了有限元解的稳定性，绘出了有限元求解流程图。 ( 4 ) 在所建模型的基础上，开发了膨胀问题的j 维有限元计算程序；对膨胀率 试验和现场载荷试验进行数值模拟，将计算结果与室内外试验结果对比，从而验证所 做试验的科学性、所建模型的正确性、所选择地基处理方案的合理性。 关键词：膨胀岩膨胀特性判别分类湿度场本构模型有限元法 l i a b s t r a c t a b s t r a c t o n eo ft h em o s tc o m p l i c a t e dr e s e a r c hp u z z l e si nt h ef i e l do fe n g i n e e r i n gg e o l o g ya n d r o c km e c h a n i c si ss w e l l n gr o c k a tp r e s e n t ，t h o u g ht h e r ea r em a n yr e s e a r c h e sa b o u t s w e l l i n gr o c ki ns w e l l i n gd e f o m a t i o nt e s ta n ds w e l l i n gc o n s t i t u t i v em o d e l ，t h e r ea r ev a 巧 o p i n i o n so nd i s t i n g u i s ha n dc l a s s i 矽m e t h o d s 、s w e l l i n gm e c h a n i c s a n ds w e l l i n gc o n s t i t u t i v e m o d e l i nt h i sp a p e r ，t h es u b j e c ti n v e s t i g a t e di ss w e l l i n gr e ds a n d s t o n eo fh o n gs h a ny a o h y d r o j u n c t i o np r o j e c tk i l n i nn a n j i n gc i t y t h er e s u l t so fe x p a n s i o nr a t ee x p e r i m e n t s ， e x p a n s i v ef b r c ee x p e r i m e n t s ，as e r i e so f o nt h e s er e ds w e l l i n gr o c k ，s u c ha ss h r i n k a g et e s t ， l o s s o f - c o o l a n te x p e r i m e n t ，m e c h a n i c a lp r o p e r t yi n d e xe x p e r i m e n t ，n e l de x p a n s i o nr a t e e x p e r i m e n t s a n d b u r d e n i n g e x p a n s i o ne x p e r i m e n t s a r e a n a l y z e db ym a t h e m a t i c s ， m e c h a n i c sa n df l n i t ee l e m e n tt h e o q 。t h ec h i e fc o n t e n ta n dr e s e a r c h6 n d i n g sa r ea s f o l l o w i n g ： ( 1 ) f i r s t l y ，t h e s ef a c t o r s ，f k ee x p a n s i o nr a t e 、d 叫s a t u r a t e dw a t e ra b s o 印t i o n ， s u b m e r g e dd i s i n t e g r a t i o nr a t e ，u l t i m a t es w e l l i n gc a p a c i t y ，u l t i m a t es w e l l i n gf o r c e ，s p e c i f i c a r e a ，e x c h a n g ec a p a c i t ya n dw a l lm c ks t r e n g t ha n d s oo n ，a r ec o n s j d e r e da st h em o s t i m p o r t a n tf a c t o r s ，a n dt h en o t i o no fb i u r r i n gc o m p o s i t ej u d g ei si m p o r t e d ；t h es w e l l i n g c l a s s i 行e de x p e r t d a t as y s t e mj ss e tu p t h eu n c e n a i n t ya r o u s e db ys i n g l ef a c t o rc l a s s i f i e d c a nb ea v o i d e db yc o n s i d e r i n gs e v e r a lf a c t o r sa n du s i n gt h em e t h o do fc o m p o s i t ej u d g e ( 2 ) b yt h ee x p a n s i o nc h a r a c t e r i s t i ct e s t a n dm e c h a n i c a ip r o p e r t yi n d e xt e s to n h o n g s h a n y a oe x p a n s i o nr e ds a n d s t o n e ，e x p a n s i o nd e f o r mi n gc h a r a c t e r i s t i ca n d m e c h a n i c a l p r o p e r t yi n d e x e so fs w e l l i n gr o c ka r eg a i n e da n dp r o v i d et h es c i e n t 讯cr e s p o n s e f o r e s t a b l i s h i n gm o d e l sa n ds e l e c tp a r a m e t e r s ( 3 ) b a s e do ne x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o na n dh u m i d i t ys t r e s sf i e l dt h e o r y ，t h ee l a s t i c c o n s t i t u t i v em o d e ia n de l a s t i c p l a s t i cc o u p l e dm o d e lo fe x p a n s i o nr e ds a n d s t o n ea r e e s t a b l i s h e di nw h i c ht h ee l a s t i cr a t i oe ，p o i s s o nr a t i o 肚a r ec h a n g e dw i t ht h ev a r i a t i o no f w a t e rr a t i o ；t h e6 n i t ee l e m e n ts o i u t i o ns t a b i l i z a t i o ni sd i s c u s s e d ，a n ds o l u t i o nn o wp r o c e s s c h a r to ff i n i t ee l e m e n ti sr u n ( 4 ) b a s e do nt h et e s ts t u d y ，t h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tc a l c u l a t e dp r o g r a mf o r e x p a n s i o np r o b l e mi sp r o g r a m m e d ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sp r o c e e d o ne x p a n s i o nr a t i ot e s t a n dn e l dl o a dt e s t ，a n dt h ee s t a b l i s h e dc o n s t i t u t i v em o d e li sc e r t i f i e db yc o n t r a s t e do n c a l c u l a t i o nr e s u l ta n di n d o o r o u t d o o rt e s t1 e s u l t k e yw o r d s ：s w e l l i n gr o c k ，e x p a n s i o nc h a r a c t e r ，d i s c r i m i n a t i o nc l a s s i f i c a t i o n ，m o i s t u r e f i e l d ，c o n s t i t u t i v em o d e l ，f i n i t e - e l e m e n tm e t h o d i l l 刖吾 ，1 日玎吾 膨胀岩是指含有大量亲水矿物成份，遇水发生物理化学反应引起体积胀缩的一类 岩石，约占地壳总量的5 ，在我国及世界各地都有j “泛分布。膨胀岩多数属易风化 和软化的软弱岩石，在工程实践中常见到如边坡岩体吸水膨胀而失稳；建筑物地基不 均匀胀缩变形造成开裂；铁路路基严重变形造成交通中断；隧洞围岩向洞内塑性挤出 或底板隆起而导致洞室支护破坏等事故。因此，膨胀岩的工程灾害研究课题是极为复 杂且具有重大工程意义。 对膨胀岩的膨胀机理分析和膨胀本构关系的研究不仅是一个涉及到多学科的非 常复杂的课题，也是一直困扰岩土工程师的一个难题。尽管对岩石遇水膨胀和软化问 题的研究工作已经有4 0 多年的历史，但是到目前为止，分析计算岩体遇水作用后产 生的应力应变场的岩石膨胀理论还缺少准确而完备的实验数据和力学基础。现有的岩 石膨胀理论都是建立在特定的膨胀实验模型基础上的，有代表性的岩石膨胀理论主要 有：杰斯( g y s e l ) 的一维膨胀理论和维特克( w i t t k e ) 的三维膨胀理论。但是 这些理论都没有全面地考虑产生湿度应力场的因素。本文在缪协兴的湿度应力场理论 的启发下，提出了一种新的基于湿度应力场理论的非饱和膨胀岩弹塑性耦合模型，为 膨胀岩本构关系模型的研究提供了更为严谨的力学基础。纵观全文，主要创新点如下： ( 1 ) 将膨胀岩的自由膨胀率、干燥饱和吸水率、浸水崩解度、极限膨胀量、极 限膨胀力、比表面积、交换容量、围岩强度等膨胀特性指标作为膨胀岩判别分类的主 要考虑因素，并引入模糊综合评判的概念，建立膨胀岩分类专家数据系统，采用多因 素综合评判的方法对膨胀岩进行判别分类，从而可避免以往由单因素分类法对膨胀岩 进行分类的不确定性。 ( 2 ) 在大量膨胀红砂岩试验研究的基础上，基于湿度应力场理论，推导了弹性 模量e 和泊松比u 都随含水率变化而变化的膨胀红砂岩非饱和湿度场弹塑性耦合模 型。 ( 3 ) 在所建模型的基础上，开发了膨胀问题的三维有限元程序。 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： ：3 西 2 1 12 。0 8 年6 月1 。日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文作者( 签名) ： 2 0 0 8 年6 月1 0 日 第一幸绪论 第一章绪论 1 1 选题背景及研究的意义 岩石是构成地球最基本的材料，对岩石工程和地质现象的把握都离不开对岩石物 理、力学性质的理解。不仪如此，凡是涉及到能源开采、环境评估、地下存储、地 质灾害评价等问题时，也都要求对岩石的物理、力学性质有深入的认识口1 。 膨胀岩作为岩石当中的一大类，在我国及世界各地都有广泛的分布引。目前， 我国进入经济快速发展时期，对能源和运输系统的要求与日俱增，由此，一些大型、 特大型的岩石工程开始兴建或即将开工的同时，人多数已经投入使用的岩石工程都在 加快运行速度，甚至在超负荷运行。在如此情况下，就需要对各类岩石工程的经济效 益及安全可靠性做出科学的评价。因此，探讨膨胀岩的判别分类方法、通过各种室内 外试验分析膨胀岩的膨胀变形特性及膨胀机理、建立膨胀岩的本构关系模型，具有重 要的理论价值和广泛的应用前景。 1 1 1 问题的提出 膨胀岩因其性质的复杂越来越受到工程界和地质界的关注啼6 。目前比较统一的 认识是膨胀岩是指那些含有大量亲水矿物，湿度变化时由于与水的物理化学反应而引 起体积变化，且当变形受约束时会产生较大内应力的一类岩石。膨胀包括膨胀性黏土 矿物质的物理性膨胀和硬石膏化的化学性膨胀。根据目前国内外对膨胀岩的研究成 果，膨胀岩按其成因可划分为五种类型：( 1 ) 沉积型泥质膨胀岩；( 2 ) 蒙脱石化中基 性膨胀岩；( 3 ) 蒙脱石化凝灰类膨胀岩；( 4 ) 断层泥岩类膨胀岩；( 5 ) 含硬石膏( c a s o 。) 、 无水芒硝( ( n a 2 s 0 。) 、钙芒硝( ( c a s 0 。n a 。s 矾) 类膨胀岩。从成因和分布看，断层泥岩 类膨胀岩分布极其狭窄，蒙脱石化中基岩性火成岩分布也是具有地域性和局部性，硬 石膏和无水芒硝是与沉积型泥质岩伴生的，所以，主要的膨胀岩是沉积型泥质岩。沉 积型泥质岩分布极其广泛，据统计全球陆地表面7 0 由沉积岩覆盖，而泥质岩约占 5 0 ，但并非所有的泥质岩都属于膨胀岩，而仅仅是其中的一部分，即含有亲水性粘 土矿物，成岩胶结程度较差的岩石。影响膨胀岩膨胀特性的基本因素有：内因主要是 岩石成分( 矿物成分、化学成分和粒度成分) 、天然含水及湿度状况、胶结程度等，这 洞海大学博十学位论文 些冈素决定了膨胀岩膨胀能力和膨胀潜势的大小；外冈( 即关键因素) 主要是人类活动 造成的水分得失和内应力的变化等 引。这些因素决定了膨胀岩是否膨胀和实际的膨 胀程度。 膨胀岩土在世界范围内分布极广，迄今为止已发现存在膨胀岩土的国家达4 0 余 个，遍及五大洲。我国是膨胀岩土分布最广的国家之一。由于膨胀岩有显著的胀缩特 性，使得这些地区的各类工程建设经常遭受破坏。g r o b 报道了瑞士的一些公路隧道因 膨胀引起的底鼓破坏情况，最人底鼓量在几个月内达到9 0 c m 。在美国，每年因膨胀 岩土对房屋、建筑、公路和管道的破坏所造成的经济损失高达2 3 亿美元，是由台风、 洪水等造成的经济损失总和的2 倍多。在苏丹、挪威、德国、瑞典、英国等国家，存 在潜在膨胀岩土的地区占整个国土面积的三分之一多，位于这些地区的水利灌溉系 统、下水管、建筑物、道路以及其他结构这种现象也常有发生。在我国的矿山、铁路 和水利工程等部门的工程项目也经常遭受到严重的破坏，常有这类灾害发生，甚至导 致了某些工程的下马。据初步估计，我国每年因膨胀岩土造成的各类工程建筑物破坏 的损失，大约在数，l 。亿元一 1 引。 膨胀岩对环境的温度、湿度、压力和地下水等因素的变化极为敏感n 酬，它的种 种性状的变化主要是由岩石中亲水矿物含量及岩石中含水量的变化而引起的。所以， 膨胀岩一旦暴露则极易吸水膨胀，风化干裂，卸荷张裂，表现出很差的工程地质性质， 对水工建筑物的地基、地下洞室( 隧洞) 及边坡工程影响很大，往往引起许多工程事 故，造成楼房、桥梁开裂，地下洞室罔岩隆起，支护破裂等等n 7 2 3 。 ( 1 ) 膨胀岩隧洞 常见病害包括围岩开裂、基坑下沉、围岩突胀、坍塌、冒顶与底鼓等，衬砌变形 包括拱圈、拱脚、边墙与底板的变形。我国通过膨胀岩地层的隧洞( 道) 主要有扫石 1 # 隧道、南岭隧道、关角隧道、崔家山隧道、神朔蛇口峁隧道、候月铁路桃坪隧道、 云台山隧道和引滦入津隧洞等，甘肃省建于膨胀性地层中的隧洞主要有引大入秦东二 干渠2 0 # 、1 6 # 隧洞及南阳渠总干渠大部分隧洞，湘桂铁路槎路隧道等。 ( 2 ) 膨胀岩边坡 在膨胀岩地区修建铁路、公路，路堑边坡的破坏非常严重。不仅影响交通运输的 安全，而且由于病害，每年用于整治路堑边坡的费用也高得惊人。我国有十几条铁路 第蕈绪论 通过膨胀岩土地区，一到雨季都会出现不同程度的路基病害。其中比较严重的如焦枝、 阜准、襄渝、成昆、太焦线等路段的边坡出现大面积失稳滑坍，甚至阻断铁路运输， 造成了巨大经济损失。南昆铁路是国家重点项目，其中那一百段通过了长达4 3 4 k m 的膨胀岩地段。铁道部第一勘测设计院对那一百段进行了路基工程试验，在试验工程 的施工过程中，路堑边坡多次出现塌方和滑坡事故。最近几年开始的全国范围内高等 级公路的建设同样遇到了膨胀岩土地区路堑边坡的稳定性问题。另外，在堤坝工程中 也常遇到膨胀岩的边坡问题。 ( 3 ) 膨胀岩坝( 路) 基 在膨胀岩地区进行t 程建设往往会遇到意想不到的困难和灾害，国内外工程实践 表明，膨胀岩土地区修筑高等级公路常常会出现路面开裂、隆起或沉陷，路堤滑塌、 失稳等病害，特别是雨季可能造成全线整个路面结构的破坏，人幅度丧失承载能力。 因此，必须对膨胀岩的工程特性做全面研究，采取既经济、又便于工程上实施的 处理措施，解决膨胀岩地区的工程建设问题妇4 2 引。 南京红山窑水利枢纽位于江苏省南京市六合区，距滁河入江口上游1 2 8 k m ，为 滁河卜游重要的综合利用工程，兼有防洪、排涝、灌溉、航运等功能。枢纽由泵站、 节制闸和船闸等三部分组成，工程控制保护面积1 4 0 8 l ( m 2 。该枢纽工程建于七十年代 初期，限于当时的条件，设计标准偏低、技术基础差、施工水平有所欠缺，经过三十 年的运行，现已出现大量的缺陷和损伤，主要表现为：地基底版、岸墙和翼墙、护 坦开裂并发生过大位移；上游挡水墙、下游挡水墙、岸墙、进出水流道和水泵室发 生严重穿性裂缝和渗漏，大部分电机梁出现断裂裂缝：建筑物出现严重裂缝与位移： 闸门和启闭系统损伤、陈旧、带病工作直接威胁河道控制等。其中相当数量的缺陷 和损伤与地基处理方案及建筑物的底部结构形式有关。目前该工程的安全运行和工程 效益已受到了严重影响。 南京市水利规划设计院在其2 0 0 2 年4 月完成的南京市六合县红山窑水利枢纽 拆建工程可行性研究报告中经过技术经济方面的比较论证，提出在原址拆除重建该 枢纽工程，该可行性研究报告已通过了水利部委托长江水利委员会对其进行的审查， 目前南京市水利规划设计院已完成该工程的建设工作。 根据六合县红山窑水利枢纽改建工程地质勘察可研阶段报告的揭示，强风化 洞海人学博士学位论文 砂岩及中风化砂岩是枢纽工程的主要持力层，强风化砂岩及中风化砂岩的蒙脱石含量 达1 5 2 5 ，可初步判定为一般膨胀岩，具有特殊的力学特性，而且膨胀岩的膨胀能 力随着岩石内风化的逐渐加强会发生相应的改变。 为了确保红山窑水利枢纽工程的安全实施和建成后的安全运行，必须对红山窑水 利枢纽工程地基强风化砂岩及中风化膨胀砂岩的力学特性进行试验研究，并根据试验 研究结果和工程实际情况，提出经济合理、结构可靠的地基处理方案。 1 1 2 理论意义及工程实用价值 研究膨胀岩的工程灾害是极为复杂月具有重大的工程实际意义，如何才能做到经 济有效地处理这类岩体，一直是困扰着国内外岩土工程师的一个难题担7 2 邑2 引。其原因 之一是当岩体受到扰动，特别是湿度条件变化时，膨胀软岩的性质就会发生很大的变 化，产生体积膨胀，对构筑物产生膨胀压力，严重影响工程的稳定性；另一重要原因 是目前人们对膨胀岩的膨胀力学机理的认识还远远不够，膨胀软化的本构关系还需进 一步研究阳1 。 因此，研究不同地区不同类型膨胀岩的判别与分级标准、分析其膨胀变形机理及 其相应的本构关系模型，不仅具有重大的理论意义，同时对膨胀岩地区工程的勘探、 设计和施工也具有重要的现实指导意义。 1 2 研究综述 1 2 1 膨胀岩的判别分类方法 目前膨胀岩的判别还没有统一的国际判别标准和国内判别标准【3 4 - 4 2 1 。判别指标也 多种多样，各不相同。国内外既有的膨胀岩的判别指标见表1 1 、表1 2 。 第一章绪论 表1 1 膨胀岩的判别技术指标( 国外) 7 1 1 a b i e l 1s w e i n gr o c kd i s c r i m i n a n tq u a l i 6 c a t i o n ( f o r e i g n ) 日小美国英国澳大利亚 1 ，j 、于2um 的颗粒含量2 0 ： 霍尔兹建议： 2 塑性指数厶7 0 ： 胶粒含量， 3 阳离子交换量2 0 m 1 1 0 0 9 ； 塑性指数， 4 体膨胀量 2 ； 缩限。 5 浸水崩解度a d 表示烘干岩 样浸人水中的破坏度。a 一无任 何变化。b ，c 一中问程度，d 一完 全崩坏 泰勒建议：膨胀量4 蒙脱石含量线收缩率5 1 0 1 5 ! ：里查塑堕些竺三级丛型! 注：+ 口2 为挤压性膨胀性：优= l 2 形成塑性区有轻微变形；口= o 7 1 ，轻微膨胀，有 变形及破损；口= o 3 8 o 7 ，膨胀性显著，破坏非常严重。 式中，吼一单轴抗压强度，一容重，h 一构筑物上搜埋深度 从表1 1 可以看出，膨胀岩的判别指标是混乱的。有的判别技术指标过于简单( 如 霍尔兹和泰勒等) ，没有列人直接反映岩石膨胀性的指标。澳大利亚的判别指标仅考 虑了岩石的胀缩特性，但未涉及岩体强度指标。康宁的判别方法需要做许多试验，而 且计算复杂。有些判别指标纳入了间接反映岩石膨胀性的指标，如矿物成分、粘粒含 量、阳离子交换量及干燥饱和吸水率等；又纳入了可直接表现岩体膨胀性的指标，如 膨胀量、膨胀力等，但上述这些指标内容偏多或侧重点不同，有的具体指标不易测定 或不易快速有效地测定，有些指标数值缺乏大量的试验资料、未考虑各种工程设计与 施工实际情况的需要，仅仅是根据个别建筑物与基础工程中遇到的膨胀岩测试结果确 定的，主观性很人。铁二院科研所提出的判别指标对于膨胀岩边坡工程来说是较合理 的，但在碎裂程度和岩体强度确定方法、测试手段上需要作进一步改进。由以上分析 可知，开展膨胀岩的研究，形成科学的、以岩体基本性质及工程特性、工程设计与施 工实际为基础的具有代表性的判别指标势在必行。 在判定为膨胀岩的基础上，有必要进行分类，以便对不同类别的膨胀岩采用相应 的工程设计、施工及防护措施，以保证工程的稳定性和安全性。 河海大学博十学位论文 表1 2 膨胀岩的判别技术指标( 国内) t h b i e1 2s w e h i n gr o c kd i s c r i m i n a n tq u a l i n c a t i o n ( d o m e s t i c ) 铁道部第一 勘测设计院 1 粘粒含量：小于2um 占2 5 ，小于5um 占3 0 2 蒙脱石占全含量的6 或伊利石占全含量的1 5 以上 ( 包括蒙脱石、伊利石含量之和占15 ) ； 3 膨胀量( 无荷，有测限试样高2 c m ) 大于2 ，当蒙脱石 与伊利石成混层结构时，以膨胀量为主要控制指标。 铁道部第二 勘测设计院 刘礼成：自由膨胀率f 4 0 ，t 燥饱和吸水率2 5 泰小林：1 膨胀性；2 碎裂程度；3 岩体强度，三个指标 综合评判。 全国首届膨胀岩学 术会议( 1 9 8 6 7 人连) 材料( 岩石粉末) 的膨胀性判别：液限，粉末样的干燥饱和 吸水率，比表面积，蒙脱石含量，阳离了交换量和交换 阴离子组份。岩块的膨胀性判别不规则岩块的干燥饱和 吸水率，崩解耐久性指标，软化系数。 浙江省人防办公室 康宁 1 利用一般常规士工试验指标提供的数据，建立判别膨 胀岩膨胀性的判别函数r ( x ) ； 2 求判别函数的分界值r o ； 3 解出判别函数中的r ( x ) 值，若r ( x ) 1 0 0 砌，抑制作用明显，膨胀速率k 。明显 减小；当荷载大于膨胀力时，即盯， 2 5 6 尼砌，膨胀速率k 。为负值，膨胀应变为负值。 2 、岩样吸水率越大，膨胀变形到达稳定的时间f 。越大，反之则短。 3 、垂向荷载越小，膨胀变形到达稳定的时间越长。 2 8 3 膨胀力与含水率的关系分析 膨胀力是指原岩在体积不变，含水率改变的情况下，内部应力发生变化的一个力 学指标n 睁皑引。通过对膨胀力试验结果的分析研究，可以看出： l 、膨胀力与初始含水率的关系 初始含水率越低，吸水达到饱和时产生的膨胀力越大；反之，初始含水率越高， 吸水达到饱和时产生的膨胀力越小。当初始含水率为3 的岩石吸水达到饱和时，所 产生的膨胀力超过2 0 0 k p a ；当初始含水率为6 时的岩石吸水达到饱和时，所产生的 膨胀力只有8 0 k p a 左右；当初始含水率为8 的岩石吸水达到饱和时，所产生的膨胀 力只有4 0 k p a 左右；当初始含水率大于1 0 的岩石吸水达到饱和时，所产生的膨胀力 只有几个k p a 。 2 、膨胀力与吸水率的关系 通过对不同初始含水率情况下膨胀力试验结果的分析研究可知，含水率分别为 = 6 ，国= 8 ，= 1 2 至饱和各自的膨胀力为p ， 2 6 ，2 1 ，8 ) ，利用最小二乘法得线性回归 方程：p = 一1 4 5 6 8 1 n ( 功一3 0 4 2 2 ，7 7 = o 9 2 6 ，缈【3 ，1 5 】。由此可见，含水率国【0 ，6 】至 饱和是红砂岩膨胀力的增长点，p = 2 6 3 2 6 = 2 3 7 枷。从而也说明，只要将红砂岩 含水率控制在不低于6 ，那么红砂岩膨胀力就不会过大，大约不超过4 0 k p a ，相应 的红砂岩膨胀率也不会过大。 2 8 4 抗压强度、弹性摸量、泊松比与含水率的关系分析 膨胀岩吸水会发生膨胀，失水后又会收缩，在其吸水膨胀和失水收缩时，其结构 均会发生改变，相应的强度、弹性模量、变形模量也会随之发生改变n 2 0 。1 2 2 1 。关于弹 第二章红山窑风化砂岩膨胀变形特性试验研究 性参数与含水率的关系研究，实质上是要给 n 膨胀岩的软化特性。 本次试验研究在不同荷载( o k p a 、1 0 0k p a 、2 0 0k p a ) 、不同含水率( 0 ，3 ， 6 ，9 ，1 2 ，饱和) 情况下岩石经有侧限膨胀后的力学指标变化规律。将膨胀后的 试样放到由中科院武汉岩土所与河海大学岩土工程研究所共同研制、开发的r m t 一 1 5 0 b 岩石刚性伺服试验机做抗压强度。得到抗压强度、变形模量关系见表2 1 0 。 表2 1 0 强度、弹性模量与吸水率关系 t a _ b l e2 1 0r e l a t i o nb e t w e e ns t r e n g t h ，d e f o r m a t i o nm o d u i u s ，e l a s t i cr a t i oa n dw a t e r a b s o r p t i o n 对于膨胀岩试样经有侧限膨胀后的抗压强度盯、弹性模量e 和泊松比的试验结 果，利用最小二乘法得线性回归方程：e = 口l n ) 一6 ，【o ，l5 】；= 口彩一6 ， 缈【0 ，1 5 】，仃= 口l n ( ) 一6 。 可见，随着吸水率的增加，膨胀岩的弹性模量会不断降低，直至趋于稳定；与此 同时，其泊松比可近似看作呈线性增加，也即随吸水率增加膨胀岩越米越松散；弹性 模量梯度饱和泊松比梯度咖在吸水率为3 左右时变化最为敏感。弹性模量下降， 泊松比上升均为膨胀岩吸水软化现象的明显特征。 4 l 河海大学博士学位论文 2 9 本章小结 通过对南京红山窑水利枢纽工程中风化砂岩进行膨胀率试验、膨胀力试验、收缩 试验、失水试验、力学性质指标试验等试验研究，得出以下结论： l 、在低荷载情况下( 小于1 0 0 砌) ，膨胀应变f 与吸水率w 之间存在着一定程 度的对数相关性：s = 口l n ( w + 1 ) + 6 ；在高荷载情况下( 大于2 5 6 胁) ，膨胀应变占与 吸水率w 之间存在着一定程度的线性相关性：占= 驯。 2 、膨胀应变于时间的关系：在较短时间，3 0 一6 0 分钟内完成总膨胀量的9 0 ； 随着时间的增长，膨胀应变增长较小，从而应变最终趋于稳定。 3 、在不同起始含水率时充分吸水后，膨胀力与起始含水率关系：初始含水率越 低，吸水达到饱和时产生的膨胀力越大；反之，初始含水率越高，吸水达到饱和时产 生的膨胀力越小。且含水率【o ，6 】至饱和是该膨胀岩膨胀力的增长点。 4 、膨胀变形及力学特性试验研究结果表明，红砂岩膨胀应变随吸水率增加而呈 对数形增长；由于含水率的变化使膨胀岩的弹性模量、泊松比和屈服极限等力学性能 都将发生变化，即发生了所谓的软化现象；得到膨胀岩经有侧限膨胀后的弹性模量e 和泊松比与吸水率关系：利用最小二乘法得线性回归方程：e = 口l n ( 缈) 一6 ， 国【o ，1 5 】；= d 缈一6 ，缈【o ，1 5 】。 4 2 第二三章 膨胀岩判别分类方泫探讨及膨胀机理分析 第三章膨胀岩判别分类方法探讨及膨胀机理分析 膨胀岩是指那些含有大量亲水矿物，当湿度变化时，由于与水的物理化学反应而 引起体积变化，且当变形受约束时会产生较大内应力的一类岩石。膨胀岩问题是当今 工程地质和岩石力学领域中最复杂的世界性研究课题之一n 2 引，但对膨胀岩的研究尚 处于起步阶段，目前还没有统一的定量判别与分类标准，膨胀力学机制的认识才刚刚 起步，膨胀软化的本构关系还需大力研究。因此，研究不同地区不同类型膨胀岩的判 别与分类标准，及其膨胀特性和相应的本构关系模型2 卜例，不仅具有重大的理论意 义，同时对膨胀岩地区工程的勘探、设计和施工也具有重要的现实指导意义。 3 1 膨胀岩的判别方法 3 1 1 判别原理 膨胀岩胀缩特性的实质是岩石由于吸水和脱水作用而发生的体积变化。膨胀岩的 胀缩与其所处环境的物理条件变化( 主要是湿度变化) 直接相关。另外，不同成因形 成的膨胀岩，由于粘土矿物成份与数量不同，它们对水的敏感程度也不一样，在水中 的破坏形式也不同。对于这些特点的认识，无疑会有助于对膨胀岩与非膨胀岩进行区 分。据此，膨胀岩的判别主要应从两方面入手：一是粘土矿物成份的监定，二是亲水 程度的确定。 3 1 2 判别方法 一、根据野外特征判别 1 ) 地貌特征：般为波状起伏的低缓丘陵，相对高度重视2 0 3 0 m ，丘顶浑圆 坡面圆顺，无天然陡坡，坡度缓于3 0 0 度，岗丘之间以宽阔的u 型阔地相间。 2 ) 岩性特征：为灰白色、灰绿色、灰黄色、紫红色和灰色泥岩、泥质粉砂、页 岩、风化的泥灰岩、风化的基性岩浆岩、蒙脱石化的凝灰岩等。岩石遇水后手摸有油 腻感。 3 ) 结构构造特征：岩层多为中厚层或薄层、裂隙发育，隙壁周围常有异种灰白、 灰绿色物质充填或替代、岩体中的波状结构面光滑且有擦痕。 4 ) 野外风化特征：风化裂隙发育、岩体被切割成l o 2 0 c m 碎块。易风化剥落。 4 3 洲海大学博士学位论文 干燥岩块泡水后崩解成碎块或碎片。天然含水岩块，在曝晒下，失水产生细微裂隙。 二、根据崩解特征判别 膨胀岩的崩解特征可以通过其崩解试验去观察。崩解试验是取1 0 0 9 左右原状不 规则岩块，在1 0 5 0 c 下烘干至恒重，在湿化仪上进行崩解试验，观察崩解特征，判别 膨胀性大小。 不同岩石的崩解类型及特征见下表3 1 表3 1 崩解类型及其特征 1 1 a b l e3 1t h ed i s i n t e g r a t i o nt y p e sa n dc h a r a c t e r s 其中，i 、i i 、i i i 类町初判为膨胀岩，类则为不亲水的非膨胀岩。 三、根据岩块干燥饱和吸水率判别 岩块干燥饱和吸水率，是把1 0 0 2 0 0 9 不规则岩块，在1 0 5 0 c 烘至恒重后，浸泡 2 4 小时，测得其含水量即为干燥饱和吸水率。它反映了岩石物体成份亲水特征和结 构连接特征。一般可将干燥饱和吸水率大于1 0 的岩石初判为膨胀岩。 四、根据岩石的比表面积判别 由于不同的粘土矿物具有不同的结构形式，所以它们的表面积是不一样的。主要 粘土矿物蒙脱石、伊利石、高岭石的比表面积都比较大，因此我们可以根据比表面积 来判别岩石的膨胀性。又由于粘质岩样品几乎没有单矿物的，常常是多种粘十矿物组 成的混合物，测得的比表面积的数值也就是多种粘土矿物的综合值。一般可将比表面 积大于1 0 0 m 2 的岩石初判为膨胀岩。 第i 草膨胀岩判别分类万玖探i 寸及膨胀机理分丰斤 此外，还可根据交换容量、液限、耐久性指标、软化系数等来判别岩石是否为膨 胀岩。但这些指标内容偏多，有的又来易测定或不易快速经济地测定，这里就不再缀 述。 3 2 膨胀岩的分类方法探讨 关于膨胀岩的分类，目前还没有统一的国际和国内标准，各地区各部门的分类标 准也是多种多样，各不相同，现将既有的国内外膨胀岩主要分类标准列于下表3 2 。 表3 2 现有的国内外膨胀岩主要分类标准综合表 ，i a b l e3 2t h eg e n e r a is c h e d u l eo fs w e i n gm c kc h i e fc l a s s i n c a t i o ns t a n d a r d i nn a t i o n a la n df b r e i g nv e s t e di np o s s e s s i o n 自由膨胀率( ) 干燥饱和吸水率 浸水崩解度 极限膨胀量( ) 极限膨胀力( k p a ) 比表面积( m 2 儋) 交换容量 围岩强度( m p a ) 3 0 - 5 0 1 0 3 0 b 、c 3 1 5 1 0 0 3 0 0 5 0 7 0 3 0 5 0 c 、d 1 5 3 0 3 0 0 5 0 0 5 0 1 0 01 0 0 3 0 0 l m 之o2 0 5 0 0 7 0 lo 4 0 o i ( 注：a 为几乎无变化的：b 、c 为中间程度的：d 为完全崩坏的) 上述这些判别标准，其依据主要来源于大量的原始数据和地质学者及工程师的经 验，可称为专家数据系统1 2 9 1 。为使专家系统在实践中能得到更广泛的应用，本文下 面将探讨如何利用专家数据系统来指导今后的工作，使膨胀岩的判别与分类工作更方 便、快速、准确，从而为工程设计提供更合理的力学指标，达到优化工程设计的目的。 4 5 o o o x 瓤 。 一 一 含 一 础 钏 a 妈 一 铷 硼 河海大学博上学位论文 3 2 1 专家数据系统 如上所述，膨胀岩的分类指标较多，若仅仅采用某单项因素来进行分类，很难做 到科学合理，甚至于导致不切实际的结果。下面探讨如何利用专家数据系统来对膨胀 岩进行分类。 用膨胀岩分类的主要指标自由膨胀率、干燥饱和吸水率、浸水崩解度、极限膨胀 量、极限膨胀力、比表面积、交换容量及围岩强度等因素，构成因素集： u ) = u ，u ，u ，u ，u ( 5 ) ，u 。，u 1 7 ) ，u ) 。根据既有的国内外膨胀岩主要分类标准， 确定膨胀岩分类的专家数据系统模式，其集合为：_ = k ，巧，巧) ，其中v - v 4 分 别为非膨胀岩、弱膨胀岩、中膨胀岩、强膨胀岩，且每一个v j 均有一组因素u i 与之对 应。 3 2 2 数据标准化 对于确定的专家数据系统与待归类的样本，南于各因素单位不同，数据相差悬殊， 若直接进行运算分析，数值越小，运算中信息损失就越大1 3 0 1 。为避免上述现象出现， 首先对原始数据作标准化处理，将各数据压缩在【0 ，1 】闭区间内。 设待分类的样本共有a i 个( i - 1 ，2 ，n ) ，其中某一因素可以取得n 个原始 数据，设是u i l ，u i 2 ， u o ( j = 1 ，2 ，n ) ，叫做这一因素的各个元素，为 把这些数据标准化，先求出它们的平均值和标准。 平均值： 瓦= 扣一一删f ，) = 吉套u ， 。 刀 。 胛= 。 标准差： s = 再根据下式求出各数据的标准化值u ： ( 3 2 ) 第i 章膨胀岩判别分类方法探讨及膨胀机理分析 uj j u i j 1 一 ( 3 3 ) 这样得到的标准化数据还不一定在【o ，1 】闭区间上，采用极值标准化公式： u 易= 拽 ( 3 4 ) 式中u 一和u 。蛔分别指u j 中的最大值和最小值。其它各因素计算方法相同。 3 2 3 分类方法 在确定的专家数据系统模式和待分类的样本之问建立一种距离关系，以此来标定 样本与专家数据系统的接近度。本文采用广义海明加权距离公式， d ( 4 ，巧) = ( ，一) ( 3 5 ) 在计算中我们一般考虑各分类因素等权计算。当然也可根据各因素在工程设计中 的重要性定出权重。 3 2 4 工程实例 红山窑水利枢纽工程由电力抽水站、节制闸、船闸组成，位于南京市六合区瓜埠 镇以东约4km 的钟家洼，为滁河下游的挡蓄水工程。该工程始建于2 0 世纪7 0 年代 中期，经过3 0 多年的运行，工程内部出现大量缺陷和损伤，主要表现为：地基底版、 岸墙和翼墙、护坦开裂和发生过大位移；上游挡水墙、下游挡水墙、岸墙、进出水通 道和水泵室发生严重贯穿性裂缝和渗漏，大部分电机梁出现断裂裂缝；建筑物出现严 重裂缝和位移，已不能适应工程运行要求；但是当地经济发展则对该工程提出了更高 的要求，当地政府和水利部门综合考虑各种因素，决定在原址重建新的红山窑水利枢 纽工程。强风化砂岩是该建筑物的主要持力层。冈其具有膨胀性，故可判为膨胀岩。 为防止在重建及以后运行过程中出现类似工程事故，必须) c 寸红山窑水利枢纽工程中的 弱风化、中风化、强风化、全风化砂岩的物理力学性质进行研究。 根据室内外试验提供的试验成果表选取前述因素集原始数据，构成因素集： 4 7 河海大学博士学位论文 q ，) = u i ) ，u ：) ，u ，) ，u 。) ，u 5 ) u 6 ) ，u ，) ，u 。) ) ，根据既有的国内外膨胀岩主要分类标准， 确定膨胀岩分类的专家数据系统模式，其集合为：巧= k ，圪，巧) ，其中v t v 4 分 别为非膨胀岩、弱膨胀岩、中膨胀岩、强膨胀岩。为节省篇幅，原始数据和计算过程 从略，按公式( 3 1 ) 、( 3 2 ) 、( 3 3 ) 、( 3 4 ) 、( 3 5 ) 计算结果列于下表3 3 。 表3 3 不同岩样a j 在专家数据系统v j 模式下的接近度d ( 4 ，巧) i a b l e3 3t h ec l o s i n gd e g r e eo fd i f f e r e n tr o c ka ii nm o d e lo fe x p e r td a t as y s t e mv j 注：表中a l a 4 分别为全、强、中、弱风化砂岩，v 1 v 4 分别为非、弱、中、强膨胀岩 表3 3 中d ( 4 ，巧) 的工程意义为第a i 个样本到专家数据系统v j 的距离。a i 所在行 中的数据其绝对值最小者( 注木者) 对应的列为v j ，即第i 个样本应归入鳓类。本工程 中的四种风化砂岩的分类情况见下表3 4 。 表3 4红山窑不同风化砂岩膨胀性分类 7 1 1 a b l e3 4 e x p a n s i v ec l a s s i f i c a t i o no fw e a t h e r e dr e ds a n d s t o n ea th o