蚀变花岗岩特征及工程特性研究

蚀变作用指包括热液作用以及表生作用等引起的岩石和矿物的各种次生变化,而岩石的蚀变特征在很大程度上影响岩体的工程地质特性。本文以某水电站坝区内的花岗岩在热液作用下发生的蚀变为例,研究花岗岩的热液蚀变成因、类型、分布及现状表现等特征,并以此评价坝区岩体的工程地质特性。通过地质调查和采样分析,以宏观-微观分析相结合,查明蚀变岩的分布和蚀变类型。同时利用现场试验,全面了解蚀变岩的物理及力学性质,研究蚀变花岗岩的工程特性。     

桂林重塑红粘土裂隙发育特性研究

对桂林重塑红粘土裂隙发育特性进行室内干湿循环试验,并结合分形特征对裂隙进行分析。结果表明,桂林重塑红粘土在初次干湿循环主要进行环向收缩,无明显表面裂隙;重塑红粘土裂隙随干湿循环次数增加逐渐发育,裂隙率、分形维数、裂隙总长度增大,而裂隙平均宽度存在增大后减小的现象;随干湿循环次数增加,试样裂隙率随初始含水率增加而减小,随初始含水率及干密度增加,分形维数减小,而裂隙总长度、裂隙平均宽度与初始含水率、干密度之间未表现出明显规律;当初始含水率高于最优含水率达到31%时,试样表面裂隙发育不明显;在第2至第5次干湿循环中,试样裂隙率与分形维数相关性较高。     

温度周期循环作用下岩石损伤特性的试验研究

选取蚀变岩为试验对象进行了不同温度周期循环次数条件下的单轴压缩试验,对温度周期循环作用下岩石力学性质的损伤规律进行研究。研究结果表明温度周期作用对蚀变岩的力学性质有明显的弱化现象,随着温度周期循环次数的增多,单轴抗压强度和弹性模量均减小,且二者与循环次数n的关系服从指数分布;不同岩石对温度周期作用敏感性不同,蚀变风化程度越高的岩石敏感性越强;单轴抗压强度比弹性模量更易受温度作用的影响,温度周期循环20次后,单轴抗压强度累积损伤值达35.69%,弹性模量累积损伤值为29.57%,且岩石力学参数损伤值与循环次数n的关系同样符合指数分布;通过电镜扫描技术发现在温度周期循环作用下岩石内部产生裂纹裂隙,矿物成分及内部结构发生改变,晶格间连接力减弱,力学性质发生改变。     

泥质白云岩干湿循环力学特性试验研究及其本构模型

水岩相互作用一直是研究的热点课题,水岩相互作用使岩石性质劣化,影响岩石的强度。以泥质白云岩为研究对象,进行了干湿循环作用后的单轴和三轴压缩试验,研究了不同循环作用下岩石的强度、变形等力学特性,并运用连续损伤力学和统计理论,推导出干湿循环作用下岩石的损伤统计本构模型。试验结果表明:泥质白云岩峰值强度随干湿循环次数增加而减小;泥质白云岩在单轴压缩试验中,岩石的总劣化度随干湿循环次数增大呈增大的趋势,而各阶段的劣化度和平均劣化度逐渐降低并趋于稳定;三轴压缩试验中,岩石的总劣化度随围压增加而总体呈现先减小再增加的趋势,较高次的循环对岩石的强度影响大于较高的围压作用对其影响;岩石的弹性模量随干湿循环次数的增大呈总体减小的趋势。通过对比理论曲线与试验曲线可知,本构模型能够较好地反映岩石三轴应力-应变关系,验证了该模型的合理性。     

水岩作用下蚀变岩力学性质损伤规律

为了研究水位升降对蚀变带边坡岩石力学性质的影响,选取仓上露天金矿坑边坡蚀变岩样,进行了不同饱水-失水循环次数的单轴压缩试验。建立了函数关系描述蚀变岩力学性质在水岩作用下的变化规律,引入损伤率的概念分析了循环次数对蚀变岩力学性质的影响,并利用电镜扫描技术从微观角度分析了水岩作用对蚀变岩的损伤机理。结果表明水岩作用对蚀变岩的力学性质有明显的弱化现象,且水岩作用越强,弱化现象越明显;不同循环次数下,蚀变岩弹性模量随循环次数增加衰减迅速,峰值强度呈持续衰减状态;随蚀变、碎裂发展,水岩作用对岩石的力学性质损伤增加,循环15次后,弹性模量损伤率最大接近60%,峰值强度接近45%。     

干湿循环下花岗岩残积土的崩解试验与微观机理研究

针对花岗岩残积土遇水易软化、崩解的特性,通过干湿循环下花岗岩残积土的崩解试验,研究了花岗岩残积土的压实度和干湿循环次数对其崩解特性和崩解参数指标的影响。得到以下结论：花岗岩残积土的压实度越小、经历的干湿循环次数越多,崩解速率越快,试样完全崩解所需的时间越短;拟合了平均崩解速率与干湿循环次数、压实度之间的函数关系式。利用电镜扫描试验,分析干湿循环作用下花岗岩残积土的微观结构变化,解释了崩解机理：随着干湿循环次数增加,片状颗粒间的层叠结构遭到破坏,颗粒的团聚性减弱,平面孔隙率增大,结构趋向疏松,加速了花岗岩残积土的崩解。     

考虑水岩耦合作用的水电站边坡岩石损伤模型

库水位上升、下降对水电站大坝边坡稳定性产生不利影响。通过室内不同干湿循环条件下岩石的三轴压缩试验,基于统计损伤力学理论,根据岩石在不同干湿循环条件下应力~应变特征,利用岩石应力~应变曲线的极值特点,推导求解模型参数的数学方程,建立三轴压缩条件下岩石损伤本构模型。通过与不同干湿循环条件下岩石应力~应变曲线的比较,损伤模型可以很好地反映岩石应力~应变关系。干湿循环次数对参数m和F_0造成影响,随着干湿循环次数的增大,两个参数的值逐渐变小,且干湿循环次数对参数m的影响较大。通过对干湿循环下岩石的内摩擦角与黏聚力劣化分析,可以得到参数α和k的值不断减小,对准则参数α和k进行折减,建立岩质边坡稳定性分析的模型,对水电站大坝边坡稳定性分析具有重要意义。     

干湿循环作用下受荷砂岩损伤劣化特性研究

为研究干湿循环作用下砂岩力学特性的劣化规律,对经历不同干湿循环次数下的弱胶结砂岩进行核磁共振(NMR)及单轴压缩试验,采用声发射技术(AE)实时监测砂岩受荷破坏过程,并采用砂岩孔隙度定义损伤变量,建立干湿循环受荷条件下岩石损伤劣化模型,探究岩体在干湿-受荷作用下的损伤劣化机制。结果表明:①砂岩在循环初期的驰豫时间T₂谱面积增幅最大,且随循环次数的增长不断减小;单轴压缩后的岩样,其T₂谱面积相较于破坏前增长幅度显著。②随循环次数的增加,砂岩试样的塑性变形不断增大,声发射累计振铃数呈降低趋势,降低幅度最大达76.21%。③单轴抗压强度和弹性模量均随干湿循环次数的增大呈指数衰减;引入劣化度表征岩石力学参数的劣化程度,发现岩石单轴抗压强度的劣化速率随孔隙度的增长不断减缓。     

代古寺水库坝址区蚀变花岗岩工程地质特性

甘肃省代古寺水库坝址区发育蚀变花岗岩,其蚀变特征直接影响岩体的工程特性,并对工程区永久和临时水工(施工)建筑物的安全性造成影响。综合分析工程区区域地质资料,通过野外地质测绘、取样试验分析和地球物理勘察等手段,以宏观和微观相结合的方式全面探讨坝址区蚀变花岗岩的工程特性。研究表明:蚀变花岗岩成因主要为岩浆及脉体热液交代,蚀变类型以黏土化为主;蚀变花岗岩集中分布于代古寺水电站下游70~180 m范围内河床及近河右岩低高程部位,蚀变深度集中在地表以下20~100 m范围;蚀变花岗岩岩石强度明显降低,孔隙率和吸水率显著增大,岩体完整性较好。研究结果对优化水工设计方案有重要的理论意义和工程应用价值。     

基于灰色关联法的膨胀岩崩解性影响因素分析

膨胀岩的崩解是众多工程灾害的主要诱因,这种崩解现象的影响因素是多样的。而灰色关联分析法是用于衡量各影响因素之间联系程度的数据分析方法,其本质是以数据处理的方式求出不同影响因素间发展趋势的相异或相似程度。采用一种分形维数的计算方法求得膨胀岩崩解的分形特征,并基于灰色关联分析法,探究在不同干燥温度、初始单块质量、干湿循环次数为影响因素的情况下,对膨胀岩崩解机理的影响程度。经过灰色关联分析,得到各影响因素对膨胀岩崩解分形维数的关联度排序为初始单块质量<干燥温度<干湿循环次数。结果表明,在处理膨胀岩的过程中,干燥温度、初始单块质量、干湿循环次数等都对膨胀岩崩解产生很大影响,其中干湿循环次数的影响最大。     

干湿循环作用下石膏岩劣化效应的试验研究

选取巴东十字垭隧道的石膏岩为研究对象,室内完成了0,1,3,6,12次干湿循环试验,测得了循环过程中吸水率、孔隙度和单轴压缩的试验数据。试验表明:石膏岩的吸水率和孔隙度与干湿循环次数呈对数函数形式,并随着干湿循环次数的增多而不断增大,但吸水率、孔隙度的增加量却逐渐减少;同样,石膏岩的单轴抗压强度和弹性模量随着干湿循环次数的增多而减小,并随着循环次数的增多,单轴抗压强度和弹性模量的减少量逐渐减少。通过分析对比石膏岩劣化参数变化率,得到干湿循环作用对石膏岩各个参数的劣化效果是不同的,其排序为:吸水率＞弹性模量＞单轴抗压强度＞孔隙度。     

基于弹塑性颗粒流本构模型的Lac du Bonnet花岗岩破坏细观机理模拟

考虑理想弹塑性弯扭-Mohr-Coulomb-最大拉应力破坏准则,以及拉伸失效、压剪失效、转动屈服和扭转屈服4种失效模式,提出一种新的离散元弹塑性本构模型。该模型植入二次开发的三维颗粒流程序,通过数值试验研究宏细观参数关系,模拟Lac du Bonnet(LDB)花岗岩试样压剪和拉伸强度试验。研究表明:颗粒转动弹塑性弯扭矩对宏观内摩擦角和黏聚力具有显著影响;宏观黏聚力随细观黏聚力和屈服弯扭矩增加而趋于恒定;宏观内摩擦角随屈服弯扭矩和细观摩擦系数增加而增加;岩石宏观单轴抗拉强度随细观极限拉应力的增加而趋于恒定;宏观弹性模量和泊松比主要受细观弹性模量和刚度比影响。弹塑性颗粒流本构模型模拟的LDB花岗岩的强度参数和变形参数,以及压拉强度比和裂缝分布与室内试验结果吻合较好。LDB花岗岩单轴压剪模拟试验在达到峰值应力前,试样内部裂缝以细观拉伸裂缝为主,从试样端部向中部发展成近似X状;在接近或超过峰值应力后,试样内部开始出现压剪裂缝、转动屈服裂缝和扭转屈服裂缝,从试样一端向另一端发展成单斜状,其倾角与宏观破坏倾角接近,发展成宏观压剪破坏面,从而揭示了宏观裂缝形成的细观机理。     

基于支持向量机的岩爆识别模型

岩爆的发生受多种因素的影响,这些因素关系错综复杂,以不同的特征和组合对岩爆产生综合影响,为科学、充分地利用现有的有限工程资料,本文从地下洞室围岩最大切向应力、岩石的单轴抗压强度和抗拉强度以及岩石冲击倾向指数四个主要因素出发,提出了基于支持向量机的岩爆识别模型,较好地解决小样本、非线性、高维数、局部极小点等的实际问题。     

基于颗粒流的花岗岩微观破坏机制研究

为研究岩石在单轴压缩条件下的微观破坏机制,利用岩石力学试验机进行花岗岩岩样的室内试验,采用颗粒流分析程序编程建立可靠的数值模型,通过分析试件压缩破坏过程的裂纹演化规律、裂纹数特征和能量耗散规律,讨论其微观破坏机制。结果表明,花岗岩岩样内部拉裂纹分布与宏观破坏面较为吻合,在裂隙发展中起着关键作用;峰值强度前,剪裂纹较拉裂纹发育显著,峰值强度后,拉裂纹数剧烈增加,造成岩样承载力的降低;岩样最终失效形式为沿对角形成宏观剪切面破坏,并有少量张拉襞裂破坏。     

裂隙对岩石力学性质影响的研究

本文根据对白云岩、正长岩、玄武岩等多种岩石的试验研究,介绍了裂隙对岩石力学性质的影响,定量描述裂隙大小的方法和指标:提出了裂隙大小对岩石单轴抗压强度和抗拉强度影响的定量关系式,并引用损伤力学的观点和岩石强度理论对该关系式进行了理论分析。     

单轴压缩和劈裂试验下不同岩性岩石声发射特性研究

为研究不同岩石声发射特性,选取均质、节理裂隙不发育的白砂岩、大理岩和花岗岩3类完整岩样和不均质、节理裂隙发育的现场岩样为试验对象,进行单轴压缩和巴西劈裂试验,研究拉-压作用下不同岩石声发射特征的差异性。结果表明,在单轴压缩试验下,完整岩样声发射参数特征与岩石强度密切相关,花岗岩破坏所释放的累积AE能量明显大于白砂岩和大理岩;现场岩样各声发射参数最大值则与岩石强度关联性不大。完整岩样和现场岩样的动态b值基本分布范围在1~4之间,且整体呈先上升中间波动随后回落的变化规律。岩石加载整个过程中的声发射特征与岩石均质程度和节理发育情况密切相关。