自然界中普遍存在水敏性结构岩土材料，由于受自然环境和工程建设的影响，其结构性与强度特性变化复杂，使得岩土工程地质灾害频发。而水敏性结构岩土材料初始结构强度的合理确定、结构性的定量化表征与水-力耦合作用下的强度特性研究，对提高岩土工程施工质量以及保障工程结构安全具有重要的理论与科学意义。基于此，本文以典型的水敏性结构岩土材料黄土与红层软岩为研究对象，通过现场调查、室内试验、数值模拟和理论分析，探究了水-力耦合作用对水敏性结构岩土材料结构性与强度特性的影响机制。本文开展的主要研究工作和取得的成果如下： （1）在饱和土力学先期固结压力的基础上，提出用于统一表征岩土材料初始结构强度的广义先期固结压力，为不同状态下岩土材料在侧限压缩条件的初始屈服应力。通过对水敏性结构岩土材料黄土的一系列侧限压缩试验，分析了含水率与干密度对初始结构强度的影响。发现随着含水率增加，同一干密度重塑、原状土的初始结构强度均逐渐减小；压实重塑土的初始结构强度与试样干密度具有良好的指数关系，试样干密度越大所对应的初始结构强度也越大。并基于红层软岩、黄土以及文献中24种不同地域、不同沉积年代的岩土材料，探究了成岩作用对初始结构强度的影响，结果表明岩土颗粒之间的作用强度与沉积环境、机理、年代与母岩等因素相关。 （2）通过对水敏性结构岩土材料黄土在不同干密度、含水率下的侧限压缩试验，基于应变能密度理论，推导提出了定量表征岩土材料的结构性参数映射能，并将该参数推广至复杂加载条件。进一步通过多个区域内，不同含水率、干密度、埋深、粒度的原状与重塑土侧限压缩试验结果，以及不同含水率土体的等向压缩试验结果，对提出映射能的合理性进行了验证。同时与现有结构性参数比较，对提出映射能的优越性进行了评价。结果表明本文提出的结构性参数映射能物理意义明确，且能准确地定量表征不同状态，不同试验条件下土体的结构性；还可同时表征初始结构性与加荷过程中结构性的动态变化，以及能很好地描述施加外荷载达到初始结构强度时的突变性。 （3）通过对水敏性结构岩土材料黄土，使用GDS非饱和土三轴系统进行了不同含水率、不同围压的固结不排水三轴试验，基于Fredlund双应力状态变量非饱和土抗剪强度模型，对吸力影响非饱和黄土强度进行了探究。随后使用考虑基质吸力的Hill模型，通过PFC3D颗粒流程序，从细观角度对不同基质吸力下的非饱和土在常规三轴剪切过程中的破坏机理进行了分析。结果表明随着吸力增加，数值试样内部颗粒最大位移均增加，但数值试样端部的平均竖向位移会随基质吸力的增加而降低；数值试样中部的最大横向位移随吸力的增加而减小。 （4）通过对水敏性结构岩土材料红层软岩进行不同高径比的试样单轴压缩试验，提出了用特征力学参数变异系数的均值作为“离散度”，来描述反映尺寸效应的离散性特征。发现高径比对试样离散度影响显著，离散度随着高径比增加，会先增加然后迅速降低，为后续室内试样脆-延转化特性的研究结果服务于工程岩体奠定基础。进一步对干湿状态的红层软岩进行不同围压下的常规三轴压缩试验，引入脆性指标对岩样脆性程度进行定量表征，并基于Mohr-Coulomb强度准则以及考虑结构强度的初始屈服面模型对各特征应力、扩容特性以及能量转化进行了分析。在此基础上，从宏细观尺度上探究了红层软岩脆-延转化机理。结果表明：脆性区的黏聚力均小于延性区，但内摩擦角均大于延性区；延性区试样在施加围压时，试样已经进入了弹塑性变形阶段；脆-延转化压力与初始结构强度的关系与地质历史沉积环境，强度参数相关。 |
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