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昔格达粘土岩水理及力学特性研究

作　者: 张威
导　师: 徐则民
学　校: 昆明理工大学
专　业: 地质工程
关键词: 昔格达粘土岩水理性质力学性质
分类号: TU43
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

昔格达地层原名“混旦层”,1958年根据出露地点昔格达村而改称“昔格达层”。其发育于青藏高原东南缘的大江大河及其支流,是一套非连续分布的新生代湖泊相半成岩沉。昔格达地层是我国三级阶梯中一级与二级阶梯过渡区斜坡夷平、地貌重塑的产物,是对青藏高原隆升过程的沉积响应,主要发育于堰塞湖和断陷湖盆区域。由于分布区零散,不同地区的昔格达组矿物成分和内部结构差异较大,表现出的工程特性也各不相同。西昌地区昔格达组粘土岩不仅分布广泛,且工程危害较大,因此研究该区昔格达组粘土岩的水理特性及力学特性,对加强昔格达地层认识、避免工程安全隐患具有十分重要的意义。目前关于昔格达组粘土岩的研究尚不完整,影响因素还不够明确。本文就昔格达水理性质和力学性质两方面入手,从不同角度研究了含水率对昔格达组粘土岩主要力学行为的影响和昔格达粘土岩水岩反应损伤机理,研究表明水是西昌昔格达组粘土岩水理性质和力学性质的主控因素,本文的主要研究成果如下：(1)对西昌粘土岩进行膨胀率测试实验,结果表明其自由膨胀率的离散程度较高,但相对于膨胀土判别标准,这些数据本身都处于较低水平。其塑限、液限和塑性指数的平均值均小于攀枝花昔格达组粘土岩,说明不同地区昔格达组地层之间的不可比性。(2)对西昌昔格达粘土岩进行剪切试验发现其c、φ平均值明显低于攀枝花昔格达组粘土岩,这与其成岩程度相对较低有关。四种工况下的c、φ平均值基本符合“固结快剪(c,φ)>天然快剪(c,φ)>浸水固结快剪(c,φ)>浸水快剪(c,φ)”的变化规律,φ平均值则完全满足上述规律,说明φ对土体含水率更为敏感。(3)通过对昔格达地层的承载力测试试验及分析发现,原位岩体载荷试验确定出的软岩岩体承载力远高于用岩石试块在无侧限的单轴压应力状态下的试验所得到的饱和单轴抗压强度值；昔格达地层浸水后地基承载力降低幅度较大,表明该地层水敏感性较强,因此在工程建设中因注意对已开挖基坑、基槽的保护。(4)昔格达为西南地区静水环境沉积的早第四纪地层,因其沉积空间、时间不同,其胶结物和物源物也不近相同,根据实地测试的结果分析,压缩系数和压缩模量随取样深度的加大,分别降低和升高,这种现象主要受控于昔格达组地层的卸荷回弹效应。(5)实验研究表明,水的作用导致粘土岩的固化粘聚力和原始粘聚力共同降低,含水率对西昌昔格达组粘土岩粘聚力影响显著,总体趋势随着含水率的增加呈阶段性降低；含水率升高使土体颗粒表面摩擦力和颗粒间的咬合摩擦力共同降低,导致内摩擦角降低,摩擦角随含水量率的增加而降低的程度表现为先快后慢的阶段阶性变化趋势,最终直到土体接近饱,内摩擦角趋于定值。(6)力学分析表明,剪切过程中,土体的抗剪强度由双应力(净应力和吸力)、粘聚力和内摩擦角联合控制,随着含水率的增加,土体的基质吸力不断降低,土体的剪切强度呈现非线性降低。(7)从微观矿物化学效应方面研究表明软岩在水浸作用下,组成岩体结构的粘聚体或矿物结构在渗流场、应力场和化学场等因素作用下产生：微裂隙、微裂纹等结构空穴加剧发展,岩石矿物之间的水-岩反应为不可逆的热力学过程,此过程改变着岩石的物理状态和微观结构,腐蚀晶格,削弱了矿物颗粒之间的联系,多重裂隙定向化贯通汇聚,形成宏观结构面,使对岩土体生成不可逆转的材料损伤,这种微观成分的改变和的微观结构的破坏积累导致宏观物理、力学性质降低。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-9
目录  9-11
第一章前言  11-22
  1.1 选题依据及研究意义  11-14
  1.2 已有研究成果综述  14-20
  1.3 研究内容和技术路线  20-22
    1.3.1 主要研究内容  20-21
    1.3.2 研究思路与技术路线  21-22
第二章昔格达粘土岩水理特性  22-33
  2.1 塑限、液限及塑性指数  22-29
  2.2 渗透性  29-31
  2.3 膨胀性  31-32
  2.4 小结  32-33
第三章昔格达粘土岩力学特性  33-48
  3.1 变形特性  33-37
  3.2 强度特性  37-47
    3.2.1 抗剪强度研究  37-41
    3.2.2 承载力确定  41-47
  3.3 小结  47-48
第四章昔格达粘土岩水岩作用机理研究  48-62
  4.1 含水率对力学特性的影响机理分析  48-56
    4.1.1 样品及实验设计  48-50
    4.1.2 实验结论  50-53
    4.1.3 机理分析  53-56
  4.2 昔格达粘土岩水损伤机理分析  56-61
    4.2.1 实验设计  56-57
    4.2.2 实验结论  57
    4.2.3 机理分析  57-58
    4.2.4 空穴损伤理论  58-61
  4.3 小结  61-62
第五章结论  62-64
致谢  64-65
参考文献  65-69
附录A 攻读学位期间发表的论文  69

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