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原文传递干湿循环作用下红层软岩劣化特征及损伤机理研究

论文题名：	干湿循环作用下红层软岩劣化特征及损伤机理研究
关键词：	红层泥质粉砂岩;干湿循环;数值模拟;本构模型
摘要：	红层软岩主要指三叠纪、侏罗纪、白垩纪以及第三纪沉积的外观以红色为主色调的砂岩、泥岩、泥质粉砂岩等，是工程建设中频繁遇到的一类特殊岩体。由于红层软岩具有成岩作用差、抗风化能力弱、亲水性强等特点，在干湿循环作用下，其性能易发生劣化，并给工程建设带来巨大的隐患。因此，研究干湿循环作用下红层软岩宏观力学特征及能量演变规律，揭示其性能劣化的微观作用机制，对工程岩体的稳定性分析具有重要的理论价值和实际意义。为了探究红层软岩的干湿循环损伤劣化机制，本文以中国地质调查局专题项目为依托，选择桐城地区白垩纪赤山组红层泥质粉砂岩为研究对象，采用室内试验、数值模拟和理论分析等方法，对干湿循环作用下红层泥质粉砂岩的宏观力学特征、能量演变规律、矿物成分、微观结构、数值模拟破坏特征以及损伤本构模型等进行了全面系统的研究，所得主要结论如下：　　（1）干湿循环作用下，红层泥质粉砂岩逐渐“变软”，抗变形能力减弱，塑性变形破坏特征更为明显。并且，基于能量耗散理论，发现随着干湿循环次数的增加，峰值点处总输入能密度、弹性能密度、耗散能密度以及弹性能占比均逐渐减小，耗散能占比逐渐增大。进一步揭示了红层泥质粉砂岩在干湿循环作用下内部损伤加剧，其储存弹性能的能力逐渐减弱，更易发生破坏。　　（2）微观测试结果表明，干湿循环作用不仅引起了红层泥质粉砂岩内部可溶性矿物的水解和黏土矿物的膨胀，还加剧了试样内部微观缺陷的发育，削弱了内部矿物颗粒间的黏聚力，进而造成了红层泥质粉砂岩孔隙率逐渐增大。并结合宏观力学试验结果，发现随着红层泥质粉砂岩微观结构损伤的加剧，其宏观性能逐渐劣化，这证实了试样的微观结构决定着宏观性能的强弱。　　（3）数值模拟研究结果表明：红层泥质粉砂岩数值模型在压缩作用下破裂过程可划分为裂纹萌生、裂纹扩展和宏观破坏三个阶段，且数值模拟所获取的应力-应变曲线和宏观力学参数与试验结果基本一致。但在干湿循环影响下，模型初次裂化时间和最终破坏特征发生了显著变化。同时，红层泥质粉砂岩破裂过程中释放的声发射信号也发生了明显减弱。　　（4）根据干湿循环作用下红层泥质粉砂岩能量演变特征，利用连续损伤力学，推导了基于耗散能密度的损伤变量计算公式；并在统计学分析方法的基础上，引入了一种新的压密系数，以主动区分损伤本构模型中的压密阶段和压密后阶段；最后，基于应变等效原理建立了红层泥质粉砂岩在干湿循环作用下的损伤本构模型。利用所建立的损伤本构模型对红层泥质粉砂岩在干湿循环作用下的应力-应变曲线特征进行了预测，并与试验结果进行对比，验证了本文所建立干湿循环下红层泥质粉砂岩损伤本构模型的合理性。
作者：	黄凯
专业：	地质学
导师：	查甫生
授予学位：	博士
授予学位单位：	合肥工业大学
学位年度：	2022