大理岩岩体力学特性的水压-应力耦合试验研究

为研究裂隙水压力与应力条件对大理岩裂隙岩体力学特性的影响,利用MTS815 Flex Test GT 岩石力学试验系统,采用特殊的试样制备和地质过程模拟方法,制备成与试验机围压系统、渗压系统融为一体的大理岩裂隙岩体试件,并对其进行了不同水压、不同围压下的水压 应力耦合三轴压缩试验。试验结果表明：大理岩岩体强度性能与变形性能均具随水压升高而减小,随围压升高而增大的特征;水压从0到4 MPa的变化过程中,强度参数f 减小了20%左右,内聚力C大幅降低,变形模量E₀及E₅₀分别减小了7.7%和5.9%;围压从5 MPa到30 MPa的变化过程中,f 值略有降低,C值增大了2倍多,变形模量E₀及E₅₀分别增大了58%和50%。这些成果揭示了大理岩裂隙岩体力学特性的裂隙水压效应与围压效应,对实际工程问题的研究具有重要的参考价值。     

锦屏大理岩力学特性试验及其数值模拟

采用锦屏大理岩进行三轴压缩过程中力学特性室内试验,并从岩石细观力学角度对其力学特性成因进行探讨。在此基础上通过引入两个参数,进一步建立了能够反映大理岩全应力-应变过程中强度变形特性的黏聚力弱化-摩擦角强化(CWFS)改进模型,并采用试验结果对该模型进行验证。研究结果表明:(1)随着围压的增大,锦屏大理岩表现出明显的脆-延-塑性转换的峰后力学特性,峰值强度与残余强度之间的差值呈单调减小的趋势,应力-应变曲线中由峰值强度向残余强度跌落段曲线的斜率逐渐变缓;(2)高围压条件下岩石裂隙之间的摩擦力、岩石内部材料的均匀化程度是导致大理岩表现出脆-延-塑性转换的峰后力学特性的主要原因;(3)黏聚力弱化-摩擦角强化改进模型能较好地描述大理岩全应力-应变过程的强度、变形特征,且模型参数物理意义明确,易于获得。     

深埋大理岩三轴加卸荷过程能量演化特征

为研究深埋大理岩加卸荷全过程的变形破坏特征,利用MTS岩石力学试验系统对锦屏深埋大理岩试样开展25、50、80 MPa 3种不同初始围压和0.01、0.1、1.0 MPa/s 3种不同卸荷速率的三轴加卸荷试验,引入能量转化参数以更好地表征峰前及峰后能量转化特征,并据此构建基于耗散能的损伤模型,深入探索大理岩加卸载破坏全过程的损伤演化状态。结果表明：大理岩在卸荷段前主要以弹性能的累积为主,卸荷开始后耗散能占主导地位。峰前卸荷过程中U_d耗散速率>U₃消散速率>U_e储存速率,与常规三轴加载相比,大理岩在峰前卸荷段的应变能转化速率大得多。峰后应力跌落段各应变能转化速率明显较峰前卸荷段大,表明峰后大理岩环向扩容加剧,弹性能在峰后快速释放。随着初始围压、卸荷速率的增大,大理岩由张拉-剪切破坏转变为以剪切破坏为主,峰后耗散能的耗散速率越快,则大理岩剪切破裂性质愈明显、脆性破坏越强、破坏程度越小。高围压可能会抑制岩石的损伤累积扩展,而高卸荷速率下大理岩试样内部裂纹扩展不充分导致其发生破裂时损伤曲线急剧上升。     

锦屏二级水电站引水隧洞围岩岩爆特性研究

为了解锦屏二级水电站引水隧洞围岩岩爆特性,对该工程区典型岩爆岩样系统地开展了岩石力学特性试验研究。试验结果表明岩样较完整坚硬、抗压强度高,主要以脆性破坏形式为主;典型地层试样的岩爆倾向性指数平均值W_et均大于2.0,当地处高应力区时,岩爆特征明显;岩样卸围压破坏过程中变形特征规律为初始卸载围压越大,岩石的扩容效应越显著,与常规三轴压缩试验相比,岩样卸荷破坏的峰后应力跌落时的轴向应变变化较小,初始围压越大脆性破坏特征越明显;CT扫描断面与图像重组手段分析表明,试样在卸荷试验过程中,首先经历压密阶段,然后进入扩容状态直至破坏,破坏后存在“密度回弹”现象。卸围压试验中,试样瞬间发生破坏,多数伴有破裂响声,多数产生“双剪”破坏;利用岩体基本质量指标来描述岩石坚硬程度和岩体完整程度,提出了一种新的岩爆判据形式与分级标准,利用试验成果对提出的岩爆判据与分级进行了验证,结论与锦屏二级水电站辅助洞岩爆实际情况相符。     

锦屏二级水电站大理岩加卸载力学特性试验研究

对取自锦屏二级水电站的两组大理岩进行了单轴压缩、常规三轴和卸荷三轴试验。为了便于对比加卸载应力路径下的变形参数,结合工程中岩体应力状态,卸荷试验采用了与常规三轴试验相同的静水压力初始应力条件,并对试验所得的力学参数及应力应变关系曲线进行了对比分析,结果表明:这种大理岩在加卸载不同应力路径下的力学参数及变形特征存在较大差别,同加载试验相比,卸荷条件下的强度参数:内聚力C降低了15.2%～85.97%,内摩擦角φ值增大了4.77%～59.78%,在正应力较小时卸荷条件下的抗剪强度比加载的低;随着正应力的增加,二者的差距逐渐减小;当正应力达到一定值后,卸荷条件下的抗剪强度将超过加载条件下的抗剪强度;卸荷过程中岩石的脆性特征更为显著;在相同的初始围压下,与加载条件下的变形参数相比,卸荷条件下的弹性模量E减小了14.31%～37.37%,泊松比μ增大了20.51%～100%。试验中围压从10 MPa到80 MPa,涵盖了大多数工程岩体的应力范围,对解决工程问题具有重要的参考价值。     

锦屏二级水电站深埋大理岩破裂扩展的时间效应

针对在锦屏二级水电站引水隧洞中出现的大理岩滞后破裂现象,采用试验、监测、理论分析等手段综合分析了此现象的内在机理。锦屏二级引水隧洞的最大埋深2525 m,应力和岩体强度之间的矛盾尖锐,埋深的变化导致属于脆性岩石的大理岩也出现了破裂扩展的现象。借助室内压缩试验确定破裂为大理岩的主要开挖响应方式,现场布置的锚杆应力计测量结果及声波测试结果都表明深埋大理岩存在破裂随时间扩展的特点;采用基于应力腐蚀理论开发的应力腐蚀模型PSC可以很好地模拟这一现象。     

高围压高水压条件下大理岩卸围压变形破坏与能量特征

利用伺服机对大理岩进行高围压及高围压高水压岩石的卸荷力学试验。基于试验结果,研究岩样卸围压的变形破坏及其能量特征。结果表明:①大理岩峰前卸荷比峰后卸荷表现出更大的脆性;②孔隙水压力加速了岩石的脆性破裂,降低了岩石的强度;③高围压情况下卸荷比低围压情况下卸荷更容易使岩体发生破坏。     

锦屏大理岩卸荷流变变形特性试验

结合锦屏水电站引水隧洞的工程实际,采用TLW-2000岩石三轴蠕变试验机对锦屏大理岩试样进行了分级卸围压流变试验。详细分析了恒轴压分级卸围压应力路径下岩石试样的轴向及侧向应变随时间的变化规律,并探讨了卸荷流变过程中岩样的应力应变关系以及流变过程中对岩样不可恢复变形的变化规律。分析认为卸围压不仅影响岩样的瞬时变形而且对流变变形也有很大影响;与卸荷瞬时相比,流变过程中侧向不可恢复变形相对于轴向发展更快;岩样破坏前在侧向的反应要比轴向更为剧烈和明显。通过试验研究掌握了大理岩卸荷流变的基本规律,从而为进一步理论模型的研究提供了可靠的试验数据。     

夹岩工程硬脆灰岩力学特征及数值试验研究

针对贵州省夹岩水利枢纽工程引水隧洞灰岩开展高围压三轴力学试验,结合声发射测试技术,探讨灰岩在达到峰值应力前的力学特性和裂纹发展规律,并利用自主开发的CASRock数值模拟软件进行了验证。试验结果表明:工程处灰岩在5～70 MPa围压作用下形成单一宏观剪切裂缝,无分支裂缝产生,峰后阶段具有明显的脆性特性,同时弹性模量和泊松比对围压不敏感;在压应力作用下声发射存在"平静期"和"活跃期",在临近峰值应力时声发射能量会出现加速释放现象。数值模拟结果与室内试验结果相一致,直观地展示了剪切裂纹扩展全过程。在此基础上,采用CASRock软件对夹岩工程隧洞进行了稳定性分析。研究结果对脆性岩体开挖支护设计具有一定的指导意义。     

岩体原位试验新技术在水工复杂岩体工程中的应用综述

为解决复杂岩石力学问题,研发了复杂应力路径岩体高压真三轴原位试验技术及流变试验技术、岩体原位大尺度模型试验技术以及岩体破裂扩展精细探测技术等岩体原位试验新技术,并将其应用于白鹤滩柱状节理玄武岩修建高拱坝适宜性、锦屏二级引水隧洞高应力条件下深埋岩体力学特性、乌江构皮滩垂直升船机软岩地基长期变形预测等水工复杂岩体工程关键技术问题的研究。主要研究成果为:①针对高地应力岩体和地下洞室开挖复杂应力路径岩体的变形破坏问题,获得了柱状节理玄武岩、深埋大理岩考虑中间主应力影响的非线性强度准则的强度参数;②针对高应力、复杂应力路径条件下复杂结构岩体的流变特性问题,获得了深埋大理岩流变参数;③针对柱状节理玄武岩松弛特性及预应力锚固防松弛措施,实现了柱状节理玄武岩开挖松弛过程以及岩体真三轴试验破坏过程声发射精细探测;④针对构皮滩超高垂直升船机桩-软岩复合地基长期变形问题,获得了桩-软岩复合地基流变参数。该成果提升了岩体原位试验技术水平,发展了岩石力学基础理论,对解决水工复杂条件下的岩石力学新问题提供了技术支撑。     

大理岩干湿循环力学特性试验研究

针对库水变幅带边坡岩体水力风化作用下性能劣化现象,选取锦屏水电站左岸边坡大理岩为研究对象,采用干湿循环处理,开展了单轴和不同围压下的三轴压缩试验,研究了大理岩在不同干湿循环作用下强度、变形和破坏形式等力学特性。试验结果表明:大理岩单轴峰值强度与干湿循环次数呈负相关关系,初次循环阶段的劣化效应显著;较低循环次数下大理岩内摩擦角基本不变,黏聚力有较大幅度下降,总体上黏聚力受干湿循环作用的影响效应比内摩擦角更敏感;干湿循环对大理岩有一定程度的软化作用,多次循环后大理岩弹性模量逐渐降至临界值,围压的增加能有效弱化这种软化作用。     

锦屏二级水电站岩石单轴压缩试验

结合锦屏二级水电站深埋长隧洞开挖岩块岩石单轴压缩试验结果,对岩石力学参数进行了分析研究。结果表明:岩石力学参数随着深度的增加呈增大趋势,而泊松比和软化系数基本不变化;岩石的应变软化现象随着深度的增加越来越明显,岩石解除地应力后,岩石内部存在的能量在岩石加载破坏的同时得到释放,现场发生岩爆的几率大。     

加卸荷条件下大理岩变形特征及能量演化

为揭示深埋大理岩在不同应力路径下的变形特征和能量演化特征,基于大理岩的常规三轴试验和卸荷三轴试验,分析了大理岩变形破坏过程中变形和能量演化的围压效应和应力路径影响。结果表明:大理岩在加卸荷条件下均表现出显著的围压效应;卸荷条件下大理岩的损伤扩容应力阈值和峰值强度较加载条件下的低;加载应力路径下能量耗散阶段占比更大,卸荷应力路径下能量聚集阶段占比更大;加卸荷条件下损伤扩容点对应的总能量和弹性应变能与围压具有良好的线性关系;针对峰值应力对应的总能量、弹性应变能及耗散能,加载应力路径下其均与围压具有正线性关系,而卸荷应力路径下均与围压成指数关系。基于以上结论,提出了确定大理岩破坏点的定量方法,结合应力-应变关系曲线,有效地解决了高围压作用下大理岩破坏点难以确定的问题,为深埋洞室围岩的稳定性分析提供依据。     

原始损伤性片麻岩变形破坏中的能量特征分析

为探究不同初始损伤状态片麻岩在载荷作用下能量变化特征,取某隧道工程岩样进行单轴试验和三轴试验。对各试验岩样的应力-应变曲线特征进行分析,并对能量随应变的演化规律进行研究,结果表明:原地应力环境对试件性质影响较大;三轴试验条件下,岩石的能量演化规律可分为3个阶段,即稳定二次增长阶段、稳定破裂阶段及加速破裂阶段;损伤程度较高的片麻岩弹性能储存能力较弱,峰前扩容更明显,破裂位置更多;裂隙压密岩石弹性能储存比例高,脆性破坏更明显;卸围压过程中整体能量释放速率大于理论弹性能释放速率时,将造成卸荷损伤,使得岩石强度降低。该研究丰富了损伤性岩体的能量演化特征认识,并为片麻岩岩体工程建设提供了新的分析思路。     

华山花岗岩力学特性及能量演化规律研究

为了研究华山花岗岩的强度、变形特征以及能量耗散规律, 采用MTS815岩石力学试验机开展了单轴压缩和常规三轴压缩试验。结果表明:华山花岗岩表现出明显的脆性特征, 在三轴条件下应力应变曲线的上凹现象相比于单轴变得不明显; 随着围压的增加, 花岗岩的弹性模量和峰值应变不断增大, 但增加的速度逐渐变慢; 花岗岩的扩容阈值与围压近似呈线性关系; 单轴压缩条件下, 岩石内部储存的弹性应变能峰值后几乎瞬间都转化为耗散能, 劈裂破坏特征明显, 而三轴压缩下, 岩样的耗散能占吸收能的比例随围压提高逐渐增大, 表现为整体剪切破坏; 三轴压缩下的吸收能、弹性应变能以及耗散能都远大于单轴压缩下的对应值, 并且随着围压的增大而增大; 岩石破坏时的吸收能、耗散能以及储能极限均与围压存在良好的线性关系。     

Hoek-Brown强度准则在深部岩体力学参数估算中的应用研究

以H-B强度准则为基础的岩体力学参数估算方法综合考虑了岩体结构、岩块强度、应力状态等多种因素的影响,可更好地反映岩体的非线性破坏特征。以锦屏二级深埋大理岩为例,引入深部岩体完整性系数K_V改进深部岩体GSI值确定方法,在此基础上详细分析了这一估算方法对深部工程岩体的适用性。结果表明:H-B强度准则中4个参数互相独立,且与围压应力状态无关,应用于深部岩体力学参数的估算是可行的;深部岩体完整性系数K_V可反映岩体内部各种结构面的发育程度和岩体开挖受扰动程度,岩体完整性系数K_V的引入,使深部岩体GSI值的确定更加客观;采用室内常规三轴试验结果参数σ_ci和m_i的值是比较合适的。采用上述方法估算获得锦屏深埋大理岩的强度包络线表现出明显的非线性,在中高围压阶段 (15 MPa<σ₃<40 MPa),其内摩擦角降低了32%,但黏聚力则是低围压阶段的近3倍。