【《降雨入渗对软岩物理力学性质的影响探究报告》4000字】

降雨入渗对软岩物理力学性质的影响探究报告目录TOC\o"1-3"\h\u31811降雨入渗对软岩物理力学性质的影响探究报告 1139811.1软岩边坡的物理力学特征分析 1310061.2降雨入渗对软岩强度影响 2180791.3软岩物理力学试验研究 387051.3.1三轴试验 3315831.3.2渗透试验 6182171.3.3土-水特征曲线 7196601.4小结 91.1软岩边坡的物理力学特征分析1.软岩边坡的工程特性在岩土矿物组成成分、地质条件和环境等因素的影响下，大部分的软岩边坡都存在有以下不良工程特性：（1）岩体风化快及强度低软岩边坡的岩体多为一些软弱灰岩、砂岩、泥岩和页岩互层等组成的，而这些岩体本身成岩程度较差、岩质较软，抗风化能力极差，故软岩体受风化影响快，且影响程度大。针对裸露在大气中开挖后软岩边坡，在自然环境因素（雨水或温差）影响下，软岩体极易形成疏松以致松散状态，使得岩体的强度出现上软下硬状态，导致岩体抗压、抗剪强度逐渐下降，使得软岩边坡整体稳定性降低。（2）岩层结构易改变自然条件下的软岩边坡开挖之后，其岩层结构在外力的作用下发生变化，导致原有相互结合的岩层破碎，岩体间出现不同程度的松动，岩层间裂隙逐渐增多。之后在自然环境因素（雨水或温差）长期影响下，降雨渗入到软岩体内部，使得岩体慢慢水化崩解，导致软岩体强度逐渐下降。1.软岩边坡的水理特性（1）吸水性由于软岩边坡开挖后，岩体风化快及强度低，之后在自然环境因素（雨水或温差）影响下，软岩体极易形成疏松以致松散状态，且岩层间裂隙逐渐增多，为此当降雨入渗到软岩体内部，此时岩体遇水后极易吸水。（2）软化性当降雨入渗到软岩体内部中，在岩体极易吸水的特性下，软岩体受到入渗水的浸泡作用，而软岩体极易形成疏松以致松散状态，且岩层间裂隙逐渐增多，为此软岩体在雨水的浸泡作用下发生软化，导致软岩体强度逐渐下降。（3）崩解性开挖后软岩边坡，在自然环境因素（雨水或温差）长期影响下，降雨入渗到软岩体内部中，此时岩体矿物吸水后出现膨胀力作用，软岩体在膨胀力作用下迅速出现裂纹，加上降雨入渗作用下的软岩层间裂隙逐渐增多，导致软岩体出现崩解，岩体强度逐渐下降。1.2降雨入渗对软岩强度影响对于软岩边坡而言，坡体发生失稳破坏的原因主要源于降雨，降雨的入渗对软岩边坡的物理、化学作用，以及力学效应产生影响，对软岩边坡整体稳定性不利。本文针对降雨入渗对软岩强度影响，主要从以下两个方面来说明；1.雨水对软岩的物理及化学作用；（1）软化作用从软岩与水的亲和力较强、遇水后极易吸水等物理、化学特征可知，软岩遇水易软化。雨水对软岩的软化作用，将会使软岩体的力学性质降低，内聚力值减小，同时，软岩体在重力和其它荷载的作用下，坡脚处的岩体应力状态发生变化，导致软岩边坡出现膨胀、崩解等现象，严重影响软岩边坡整体稳定性。（2）水化作用当雨水顺着软岩体的裂隙孔隙渗入岩体矿物结构内时，使软岩体中的每个矿物质颗粒将会被雨水湿润，为此雨水中的水分子附在可溶岩石的离子上，以致岩体结构在水分子作用下会发生细观的改变，从而削弱了颗粒间的联系。伴随水化作用的增加，软岩体的力学性能逐渐下降，使得软岩体的粘聚力降低，降低软岩边坡整体稳定性。（3）润滑和溶蚀作用伴随雨水入渗到软岩体结构面中而出现润滑效应，从而增加结构面滑动力且减少摩阻力。由于雨水中常含带有能溶解软岩体的化学因素，导致岩体会出现溶蚀裂隙、空隙等现象，从而降低软岩体的力学强度。雨水的润滑和溶蚀作用下，最终降低软岩边坡的整体稳定性。1.降雨渗流所产生的力学效应降雨入渗到软岩体中，雨水与岩体间相互产生渗流应力，在渗流与应力的耦合作用下产生相应的力学效应，故此降雨渗流所产生的力学效应主要包括以下两个方面：（1）渗流应力降雨入渗所产生的渗流应力对软岩体强度的影响如式（1.1）所示：（1.1）式（1.1）中：τ——岩体的抗剪强度；σ——法向应力；u——孔隙水压力；φm——内摩擦角，cm——内聚力。由公式（1.1）所知，伴随公式中的孔隙水压力u增大，则岩体抗剪强度τ逐渐降低，即降雨入渗降低了软岩体上的有效应力，以致软岩体抗剪强度τ降低，故软岩体的强度也逐渐下降。（2）渗流-应力耦合作用的力学效应软岩在降雨入渗作用下，通过渗流-应力耦合作用与雨水、软岩体之间产生的特殊力学效应来降低或增大岩体的渗透性能，从而改变软岩体的力学性质，影响软岩体中的应力分布，故影响软岩体的强度和变形性质。1.3软岩物理力学试验研究本文为确保软岩物理力学试验结果的准确性，通过对原边坡进行现场采样，得到两种试样分别为试样1和试样2，试样1：碎石粘土，试样2：强风化细砂岩。经试验所得到的结果数据将为下文边坡数值模型参数来源提供依据。1.3.1三轴试验1.试验仪器及方法精确获取软岩边坡中岩土的抗剪强度参数、弹性模量参数是数值模拟分析准确性的关键。本文采用三轴压缩试验获取岩土试样的岩土抗剪强度参数，为下文数值计算分析提供参数依据。三轴压缩试验按照固结和排水条件分为三种类型：固结排水、固结不排水、不固结不排水。本节中为了获得软岩边坡中岩土的相关参数，而利用不固结不排水试验来获取。本次三轴试验仪器设备如下图1.1所示，三轴试验所用试样统一尺寸为100mm×200mm如下图1.2所示。具体试验步骤如下：（1）按照规范要求配制最佳含水率下的三轴试样，养护一昼夜，使用压力机将三轴试件在模具中静压成型。（2）在三轴试样上包裹一层三轴试验所用的橡胶模，将试样在压力室中进行安装，并保证试样在压力室的正中央。将压力室固定在试验加载台上。（3）将试样围压调节至预设值，给三轴试样施加轴向荷载，速率为0.01mm/s。直至试样剪切破坏或者试样的轴向变形达到20%，则试验结束。图1.1动、静三轴试验仪a)试样1b)试样2图1.2三轴试验的试样1.试验数据处理本文对两个三轴试验的试样前后进行了围压σ3为50kPa、150kPa、300kPa的三轴压缩试验，得到σ3在下三轴剪切试验剪切破坏时的大主应力σ1。根据规范要求：以主应力、剪应力分别为横坐标与纵坐标绘制莫尔圆，并作莫尔圆的公共切线。岩土内摩檫角φ为公切线与横坐标轴的夹角，岩土粘聚力c为公切线与纵坐标轴相交点的值，故试样的强度包络线如图1.3所示。a)试样1的强度包络图b)试样2的强度包络线图1.3试样的强度包络图弹性模量E是岩土试样单位应变所对应的轴向应力，可以通过三轴试验所获得的应力-应变关系曲线确定。故本文岩土试样经三轴试验所得参数如表1.1所示。表1.1三轴试验所得参数岩土试样粘聚力с/(kPa)内摩擦角(°)弹性模量E/(MPa)试样121.521.81573试样223.226.4280001.3.2渗透试验1.试验仪器及方法渗透试验是指采用试验仪器来测定软岩边坡岩土的饱和渗透系数的试验，主要分为室内和室外试验两大类。对于室内试验，岩土的饱和渗透系数测定通常采用常水头渗透试验和变水头渗透试验，而本文采用变水头渗透试验来测定岩土试样的饱和渗透系数，为下文降雨渗流数值模型参数提供来源依据。在实验过程中，为了能够减少试验的误差，本文对两种岩土试样前后进行了5次平行变水头渗透试验测定，渗透试验设备采用变水头渗透试验仪，而试验步骤是按照《土工试验规程》中的变水头渗透试验具体操作流程进行，则变水头渗透试验仪如图1.4所示。图1.4变水头渗透试验仪1.试验数据处理两种试样的饱和渗透试验前后测定结束，则两种试样的饱和渗透系数根据试验所测得的数据根据式（1.2）计算所得：（1.2）式（1.2）中：a——变水头管截面积（cm2）；L——渗径，即为试样高度（cm）；kt——水温为t时岩土的饱和渗透系数（cm/s）；A——试样的过水面积；t1、t2——测水头时的起始与终始时间（s）；h1、h2——起始和终止水头。由式（1.2）计算可得，两种岩土试样前后经过5次平行试验得到得饱和渗透系数分别为：试样1的饱和渗透系数分别为：9.140×10-6m/s、9.1399×10-6m/s、9.1401×10-6m/s、9.1397×10-6m/s、9.140×10-6m/s，则对这5次平行试验得到的数据取平均值得到岩土试样1的饱和渗透系数为9.140×10-6m/s。试样2的饱和渗透系数分别为：6.50×10-6m/s、6.502×10-6m/s、6.496×10-6m/s、6.50×10-6m/s、6.498×10-6m/s，则对这5次平行试验得到的数据取平均值得到岩土试样2的饱和渗透系数为6.50×10-6m/s。1.3.3土-水特征曲线确定土-水特征曲线，对非饱和土的强度与变形特性的分析很重要，非饱和土的力学特性与基质吸力的关系非常密切，而基质吸力又主要与含水量变化有关，则土-水特征曲线是反映基质吸力和含水量之间的相互关系。土水特征曲线的变化与岩土的性质、颗粒状况及土的密实度等因素有关，而土-水特征曲线的确定一般通过试验法与经验拟合法。经验拟合法中V-G函数方程是目前最为常用土-水特征曲线方程，采用V-G函数方程进行模拟，则渗透系数、基质吸力与饱和度之间的关系为式（1.3）、（1.4）所示。（1.3）（1.4）式（1.3）、（1.4）中：kws——土体饱和状态下的渗透系数；s——基质吸力，值为(ua-uw)；ρw——流体的密度；S——饱和度；Si——残余饱和度。其中，a，n，m为V-G函数的拟合参数，且m=1-1/n。结合经验拟合法中V-G函数方程与渗透试验得到渗透系数，故本文岩土试样1、试样2的土-水特征曲线示意图如图1.5所示。a)试样1b)试样2图1.5土-水特征曲线示意图综上所述，经过以上的物理力学试验，本文软岩边坡岩土试样得到的物理力学试验参数如表1.2所示。表1.2物理力学试验参数试样粘聚力с/(kPa)内摩擦角(°)弹性模量E/(MPa)渗透系数Kws/(m/s)试样121.521.815739.14×10-6式样223.226.4280006.50×10-61.4本章小结本章先对软岩边坡的物理力学特征进行分析，探讨软岩边坡的工程特性以及软岩边坡的水理特性；再探讨降雨入渗对软岩强度影响；之后对软岩边坡的岩土试样进行三轴试验，得到了岩土试样的抗剪强度参数以及弹性模量参数；再对岩土试样进行渗透试验，得到岩土试样的饱和渗透系数，最后根据土-水特征曲线的确定方法得到了岩土试样的土-水特征曲线图，为之后的数值计算分析的基本