考虑含水率影响的红砂岩损伤统计模型

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1、http://www.paper.edu.cn1考虑含水率影响的红砂岩损伤统计模型胡昕，洪宝宁，朱珍德河海大学岩土工程研究所，江苏南京(210098)E-mail：moyuan@126.com摘要：通过不同含水率条件下红砂岩的单轴压缩试验，详细分析含水率变化对强度和变形特性的影响，研究结果表明：含水率小于3%，红砂岩有较高的强度；含水率大于3%，红砂岩的强度明显降低；但含水率超过6%后，强度衰减趋势显著变缓。含水率与弹性模量及峰值强度之间呈指数函数变化，而峰值强度对应的应变随含水率变化呈线性函数变化。为了描述红砂岩随含水率不同，所反映出来的力学

2、特性，本文运用损伤统计理论和Lemaitre应变等价性假说，推导出能反映含水率影响的红砂岩损伤统计模型。关键词：红砂岩；含水率；损伤统计；应变等价假说；损伤变量中图分类号：TU411.921.引言膨胀性红砂岩岩是一种组分复杂、结构多变且力学性质特殊的岩石材料，其力学性质对外界环境的依赖很大。当外界环境受到扰动时，特别是含水率发生变化时，其物理化学性质往往发生显著变化，引起强度和变形急剧变化，严重影响着工程的稳定性。从目前的研究情况来看，国内外学者已对膨胀岩的湿化特性、膨胀变形特性及吸水崩解机理等问题进行了一[1]系列的研究，并取得了一些有益的结

3、论。EinsteinH研究了膨胀岩膨胀变形特性的试验方法；[2][3]张玉军研究了膨胀岩的膨胀变形特性与矿物成分及压力之间的关系；汤连生在常温常压、不同循环流速条件下，对不同的水化学溶液作用下的花岗岩、红砂岩和灰岩进行单轴抗压强[4][5][6-10]度试验，并研究了水-岩化学作用对岩石的宏观力学效应；陈勇、范大林、朱珍德及[11]何山等探讨了膨胀红砂岩膨胀力与吸水率的相关性，研究了膨胀红砂岩膨胀力与膨胀变[12]形的规律，并对不同风化程度的膨胀红砂岩湿化过程进行了观察；孙小明认为软岩具有强膨胀性的最本质原因在于含有大量的强亲水性粘土矿物（如蒙

4、脱石和伊/蒙混层矿物等），[13-14]结合其它理化、力学指标提出了新的强膨胀性软岩的分级标准；苏永华研究了软岩崩解[15][16]物颗粒的分布特征；周翠英探讨了软岩吸水软化的微观机制；刘晓丽在试验基础上对膨胀岩一维膨胀本构关系HuderAmberg模型进行了修正，并建立了含时间效应的膨胀岩膨[17]胀本构关系；王军在不同含水量状态下红砂岩直剪试验的基础上，对膨胀砂岩的抗剪强度与含水量的关系进行了研究等等。本文在前人工作的基础上针对南京红山窑水利枢纽工程中膨胀性红砂岩，采用RMT-150B多功能刚性岩石伺服试验机，对不同含水量状态下的试样进行了

5、室内单轴压缩试验，得到了对应的应力-应变曲线、峰值强度和峰值强度对应的应变,结合损伤统计理论和Lemaitre应变等价性假说建立了能够考虑含水率影响的红砂岩损伤统计模型。2.岩样和试验方法试验制样所用岩石取自红山窑水利枢纽基岩部分，其蒙脱石含量达15%～25%，初步判定为一般膨胀岩，具有特殊的力学特性。采用机械和手工台的办法加工成型，加工时避免着水。制成圆柱体形φ70mm×140mm，用于进行单轴抗压试验。为研究不同含水率下红砂岩的变形和度演化特性，及满足模型中考虑含水率影响的需要，将试样分别配置为干燥、3％、61本课题得到国家自然科学基金项目

6、（No.50279008，No.50479021）的资助。-1-http://www.paper.edu.cn％、9％、12％和饱和（13.5%）六种不同状态，然后再进行加载试验。由于红砂岩属于软岩，试验通过位移控制，设定变形速率为0.01mm/s。通过试验，得到了各组试样全应力应变曲线以及一系列力学特性参数：弹性模量、变形模量、单轴抗压强度等。1610001490012800700pk/%10εσpk6008εpk500E/MPa6400pk/MPaorσ30042002100000%2%4%6%8%10%12%14%16%0%2%4%6%8

7、%10%12%14%w/%w/%图1含水率与弹性模量的关系曲线图2含水率与峰值强度及其对应应变的关系曲线Fig.1RelationcurvesbetweenwatercontentandFig.2Relationcurvesbetweenwatercontentandpeakelasticmodulusstressorpeakstrain3.水对红砂岩力学特性影响分析含水率对红砂岩力学性质有显著影响，主要原因是红砂岩的矿物成分中含有蒙脱石、高岭石等粘土矿物，在水的作用下发生物理化学反应，导致颗粒脱离胶结物的连接，同时由于颗粒连接以泥质、铁质、钙

8、质胶结和硅质胶结为主，这类胶接物易受外界水化学环境条件的影响而溶蚀失去胶接能力。图1和图2分别给出了红砂岩含水率与其弹性模量、峰值强度及峰值强度对应的