软岩遇水软化的非线性抗剪强度模型

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1、http://www.paper.edu.cn1软岩遇水软化的非线性抗剪强度模型周翠英，朱凤贤，张乐民中山大学岩土工程与信息技术研究中心工学院，广州（510275）E-mail:zhoucy@mail.sysu.edu.cn摘要：基于前期软岩在包水条件下软化的微观机制研究结果，分析了软化过程中影响软岩2+抗剪强度的主导因素，选择软岩中粘土矿物含量、溶液中Ca浓度、溶液PH值以及软岩微观孔隙分布分维作为软化因子，研究了各软化因子对抗剪强度的软化效应；在此基础上，以各软化因子的演化速率构造了软岩软化过程中抗剪强度衰减

2、的动力学表达式；基于耗散结构思想，认为各种软化因子对抗剪强度的效用将趋于有序，即达到软化效应的均衡化，从而引入影响函数的概念，运用反分析理论确定了各影响函数的消长系数，采用Lagrange乘数法建立了抗剪强度软化模型。该模型不仅包含了各种主要因素的影响，在计算中，还可考虑实际软化情况进行不同因素组合分析。利用该抗剪强度软化模型，可解释软岩和水相互作用过程中抗剪强度的软化规律及其力学效应，从而，为软岩遇水软化试验研究提供良好的理论基础。关键词：软岩；软化；非线性；软化因子；抗剪强度模型中图分类号：TU45文献标识码

3、：A文章编号：1.引言岩石（软岩）遇水软化是国际上岩土力学与工程地质学领域的前沿课题之一。岩石在一定的水环境下所产生的物理的、化学的和力学的作用过程是导致工程岩体发生变形破坏的根本原因之所在。针对岩石遇水软化机制问题，不少学者从试验和地质分析角度入手，宏观上[1-3]探讨了水化学作用对岩石性能和变形特点的影响；也有部分学者以室内试验为基础，探[4]讨了化学作用对岩石性能和变形特点的影响：B.K.Atkinson开展了化学溶液对裂隙扩展速[5]率、应力强度因子和应力强度系数的影响；Peck初步考虑了石英岩的应力腐蚀

4、及裂隙扩展[6]特点；LaijtaiE.Z.等人在花岗岩浸水时变形和裂纹发展的研究中，通过与水溶液中的化学[7]场的演化分析得出一系列与时间相关的岩石参数的演化规律；王泳嘉等采用分形理论研究[8-10]了化学环境侵蚀下的岩石破裂随时间发展的规律。周翠英等从软岩饱水试验入手，较系统的研究了华南软岩软化的化学规律、力学规律、微观结构演化规律，发现软岩与水相互作[11]用具有显著的非线性动力学特点。但以上研究主要侧重于对软岩软化机制及过程分析，[5,7,8]部分学者在试验基础上建立了一系列与时间相关的岩石参数的演化规律

5、及方程，但软化过程各种复杂因素的综合作用导致强度衰减的定量定量解析研究尚待进一步加强。研究表明：影响软岩软化河强度衰减的因素是极其复杂的，其关键在于从诸多因素中选择具有代表[11]性的变量，这些变量必须是对软岩——水系统的演化历程有较好的反应。为此，本文基于前期软岩遇水软化的微观机制的研究结果，从软化过程中对软岩抗剪强度的各类影响因素分析入手，以各软化因子的量变速率构造软岩软化过程中抗剪强度衰减的动力学表达式，最终建立软岩抗剪强度随饱水时间的软化模型，旨在从非线性动力学的角度揭示软岩软化过程中强度的衰减演化规律。

6、1基金项目，国家863高技术研究发展计划（2007AA11Z112）、国家自然科学基金（40672194）、高等学校博士学科点基金（20060558060）、广东省自然科学基金重点项目（06104932）-1-http://www.paper.edu.cn++30.0KK+NaNa25.02+CaCa2+Mg20.0Mg2+SiSi15.02+AlAl浓度(mg/L)10.02+FeFe+5.0ZnZn2+CaCa的拟合0.0拟合曲线线+02468101214K的拟合线K时间(月)拟合曲线图1浅黄色粉砂质泥岩水溶

7、液中阳离子浓度变化曲线Fig.1Variationcurveofcationconcentrationinaqueoussolutionoflightyellowsiltymudstone2.软岩遇水软化机制与强度衰减影响因子分析[12,13]研究表明，软岩遇水软化的微观机制包括：吸水膨胀机制、崩解机制，易溶性矿物的溶解机制与次生矿物的生成机制，离子交换机制与吸附机制，微观力学作用机制等，这几种机制的综合作用导致其力学性质软化和强度衰减。这里，作者以上几种作用机制入手，对软化过程中影响软岩抗剪强度的主导因素进行分

8、析，从而确立软岩软化及强度衰减影响因子。2.1基于吸水膨胀机制、崩解机制的软化因子分析工程环境中的软岩一般都含有粘土矿物，当这类软岩遇水时就会发生吸水膨胀、崩解作用。岩样吸水后粘土颗粒可吸收大量水分，使晶胞间距增大或扩散层增厚，使粘土胶结物崩解，而碎屑颗粒之间失去联结造成重力解体；另外由于粘土矿物吸水膨胀是不均匀的，使得岩石内部产生不均匀的应力，从而产生大量的微孔隙，这些