卸荷条件下裂隙岩体变形破坏及裂纹扩展演化的物理模型试验

 岩体工程开挖是一个卸荷过程,通过裂隙岩体物理模型试验,研究2种卸荷应力路径下裂隙岩体的强度、变形及破坏特征,并探讨裂隙的扩展演化过程和力学机制。卸荷条件下裂隙岩体的强度、变形破坏及裂隙扩展均受裂隙与卸荷方向夹角及裂隙间的组合关系影响;卸荷速率及初始应力场大小主要影响岩体卸荷强度及次生裂缝的数量,对裂隙扩展方式影响相对较少;卸荷条件下裂隙扩展是在卸荷差异回弹变形引起的拉应力和裂隙面剪切力增大而抗剪力减小的综合作用下的破坏,且各个应力对裂隙扩展的影响大小与裂隙的倾角密切相关。     

不同卸荷路径下贯通裂隙岩体流变试验研究

节理、裂隙作为高陡边坡常见的地质缺陷,对其长期变形和稳定造成重大危害。为研究节理、裂隙岩体卸荷流变力学特性,以贯通裂隙岩体为试验对象,进行不同卸荷路径下的流变试验。试验结果表明:贯通裂隙岩体轴向及侧向流变各向异性显著,侧向流变变形在节理、裂隙作用下随流变时间延长,围压卸荷量增大较轴向更为显著;在一次及分级卸荷流变对比试验中,相同条件下分级卸荷流变变形发展更充分,对岩体扰动更大,但试样破坏形态分析表明一次卸荷流变更易导致岩体破坏。根据试验成果,利用Burgers流变模型,分析卸荷流变参数,建立各参数在不同卸荷路径下的线性函数关系,并将函数关系代入Burgers流变模型,得到能综合反映不同卸荷路径影响的岩体流变模型。研究成果可为高陡边坡长期稳定理论研究及工程设计提供参考。     

裂隙岩体加载和卸荷条件下应力强度因子

裂隙岩体在加载和卸荷条件下的力学特性有显著的区别。研究裂隙岩体在卸荷条件下的变形和强度特性具有重要的理论和现实意义。本文利用断裂力学知识，分析了单轴、三轴加载，单轴卸荷、围压卸荷和轴压卸荷各阶段的应力强度因子，给出了各种情况下应力强度因子的显式表达式，并研究了单轴、三轴加载和单轴卸荷、围压卸荷和轴压卸荷各阶段的应力强度因子的相同和不同点。对实际岩体工程具有重要的参考价值。     

裂隙岩体加载和卸荷条件下应力强度因子

裂隙岩体在加载和卸荷条件下的力学特性有显著的区别。研究裂隙岩体在卸荷条件下的变形和强度特性具有重要的理论和现实意义。本文利用断裂力学知识 ,分析了单轴、三轴加载 ,单轴卸荷、围压卸荷和轴压卸荷各阶段的应力强度因子 ,给出了各种情况下应力强度因子的显式表达式 ,并研究了单轴、三轴加载和单轴卸荷、围压卸荷和轴压卸荷各阶段的应力强度因子的相同和不同点。对实际岩体工程具有重要的参考价值     

断续节理岩体渐进破坏数值模拟方法及等效力学参数的测定

工程岩体分级标准一般不考虑工程岩体的本构关系,仅提供黏聚力和内摩擦角,岩石的力学参数及现场小尺度的试验结果也不能直接用于工程计算。针对这一问题,利用岩石及结构面的实测参数建立含随机裂隙的岩体数值模型,模拟裂隙岩体渐进破坏过程,并获取岩体等效力学参数的数值模拟方法。计算结果证实,考虑地应力及卸荷条件下,计算获得的岩体强度参数较基于工程岩体分类体系的经验值高30%~50%,各风化、卸荷区结论一致,数值模拟获得的岩体卸载变形模量与工程实测值反演获得的变形模量一致。采用数值模拟方法获取岩体破坏模式、本构关系及相应的强度、变形参数是可行的。     

采用滑动测微计监测坝基岩体卸荷变形

介绍了瑞士高精度滑动测微计监测沿钻孔中应变分布的原理和方法；采用滑动测微计成功监测了小湾坝基开挖及混凝土压重状态下的岩体卸荷变形，探测卸荷裂隙分布和张开位移量，定量分析了坝基卸荷岩体变形发展规律，为评价坝基岩体质量和调整坝基岩体力学参数提供了依据，可供类似工程参考。     

类土质边坡开挖的卸荷作用及卸荷带宽度的确定

分析了类土质边坡开挖过程中卸荷裂隙的产生机理,认为工程开挖改变了边坡岩土体的应力状态,使边坡岩土体受到一个指向坡外的侧向附加应力,从而导致了原有裂隙的张开和新裂隙的产生。进行了粉质粘土、粉土及粉砂质泥岩开挖卸荷的离心模型实验,实验结果表明,原有裂隙倾角越大、深度越大、离卸荷面的距离越近,卸荷过程中,裂隙的变形量越大,文中给出了上述因素与裂隙变形量的关系曲线;同时,裂隙变形量受结构面与卸荷方向夹角的影响较为明显,实验得出了岩体卸荷受拉破坏时的变形模量与该夹角的函数关系,分析了裂隙变形量受结构面与卸荷方向夹角的影响。提出了在实际工程中确定卸荷带宽度的方法,并以重庆长江库岸为例证明了该方法的可行性。     

基于核磁共振技术的白云岩卸荷损伤与渗透特性试验研究

深部岩体工程往往面临开挖卸荷效应日益增强、节理裂隙愈加发育、强地下水环境等复杂的工程地质问题。为掌握开挖卸荷对岩体力学特性和渗透特性的影响规律,以白云岩为试验对象,开展不同卸荷围压比△σ(100%,90%,60%,30%,0)和不同孔隙压力P(0,5,10MPa)下的三轴卸荷渗透试验,并借助核磁共振技术对试验前后的岩石孔隙度进行测试,以阐述岩石卸荷损伤及渗透特性演变规律。试验结果表明:不同孔隙水压下岩石的卸荷变形规律基本一致,均经历平稳过渡→匀速增长→快速增加→急剧扩张4个阶段,且岩石所能承受的应变极限几乎相等,与之相对应,卸荷过程中岩石渗透率亦具有缓慢渗透→稳定渗透→加速渗透→渗透突增四级演变特征;孔隙水压的存在加速了岩石内部裂隙的产生和扩展,孔隙水压力越大,孔隙度越大,渗透率越大,孔隙度、变形和渗透率具有显著的正相关,但相比孔隙水压,卸荷围压比对岩石变形影响更大,当△σ60%后,岩石中的裂隙数量和贯通程度会发生突增,说明强烈的开挖卸荷可导致岩体宏观破坏面的形成进而使渗透能力急剧增大,这对地下水丰富地段的地下工程施工安全不利。     

法向卸荷条件下含单裂隙砂岩剪切强度与破坏特征试验研究

在地下工程及边坡开挖和河谷下切等人为和自然因素作用下,岩体应力将沿至少某一个方向卸荷,造成复杂的岩体应力重新分布。这种卸荷易诱发岩体工程灾变,其中法向应力卸荷诱发岩体剪切破坏尤为突出。采用法向应力逐渐卸荷而剪切应力保持恒定的直剪试验方法,模拟开挖卸荷诱发岩体剪切破坏的力学机制。研究法向应力卸荷条件下,裂隙与剪切方向的夹角(后面简称夹角)及应力水平对单裂隙砂岩试样剪切变形、强度及破裂演化的影响规律。随着夹角从0°向180°增加,破坏模式依次表现为剪切破坏、张拉破坏、张剪混合破坏及剪切破坏的过渡。卸荷过程中法向位移和剪切位移均随初始法向应力的增大逐渐增大,而随初始剪应力的增大均逐渐减小。卸荷过程中法向位移随夹角的增大呈现先减小后增大的变化,而剪切位移对夹角不敏感。破坏时法向应力卸荷量随初始法向应力的增大逐渐增大,随初始剪应力的增大逐渐减小,随夹角的增大先减小后增大,夹角为60°时试样最容易发生破坏。通过对破裂面的应力状态分析,从力学机制的角度解释了破坏模式与夹角的相关性。研究成果丰富了卸荷岩体力学基础理论,为岩体工程开挖灾害防治提供理论支撑。     

砂岩三轴卸荷力学特性试验研究

基于三轴卸荷破坏试验,分析研究砂岩在卸荷应力状态下的应力-应变及破坏特征。试验结果表明:岩体卸荷破坏时脆性特征非常明显,相比于加载破坏,卸荷破坏更加突然和剧烈,岩体破碎程度更高;卸荷过程中轴向变形随围压降低不断增加,在开始卸荷阶段增加较慢,当卸荷量达到一定值后,变形突然增大,很小的卸荷量就会引起较大的变形。根据卸荷过程中岩体应力-应变曲线变化特征,将卸荷量作为重要参量,假定岩体在卸荷损伤屈服阶段符合Griffith屈服准则,接近极限破坏强度时符合Hoek-Brown屈服准则,认为卸荷造成岩体屈服发生塑性变形后,岩体卸荷条件下的屈服函数随卸荷量在Griffith准则和Hoek-Brown准则间呈线性变化,推导考虑卸荷应力状态的弹脆塑性力学模型。     

柱状节理玄武岩各向异性特性的调查与试验研究

针对几何形状特殊且为镶嵌结构的柱状节理岩体,为认识其各向异性力学特点和开挖卸荷下的破坏模式,首先在柱状节理玄武岩截面几何特征的现场调查统计和3类结构面的扫描电镜(SEM)分析基础上阐述柱状节理岩体在结构上的横观各向同性特点,然后通过垂直其柱体轴线方向和平行其柱体轴线方向的柱状节理岩体原位声波测试揭示柱状节理玄武岩的变形各向异性,进而通过不同取样方向岩芯的单轴压缩试验和现场岩块的点荷载试验阐明其强度各向异性特点,最后结合上述所获得的柱状节理玄武岩各向异性认识分析其开挖卸荷下的“结构–应力”控制型破坏模式及其结构劣化的具体表现形式,所得认识和结论对柱状节理岩体地层中地下洞室稳定性分析和支护设计具有参考意义。     

基于颗粒流程序的仿真节理岩体模型及其应用

为实现采矿巷道周边节理网络的仿真模拟以及节理岩体中巷道的稳定性分析,构建了包含颗粒流块体模型、原生节理网络和次生节理网络的仿真节理岩体模型。针对岩体内部次生节理产状和面积不可准确测量的难题,提出了卸荷作用下次生节理产状和面积的计算方法:根据开挖前后应力张量变化计算卸荷方向,利用Fisher分布函数生成围绕在卸荷方向附近的随机节理产状;监测卸荷前后颗粒中储存能量的变化,计算节理面积和半径。通过布置测线方式获得巷道中原生节理密度和产状信息,利用Monte-Carlo方法实现对原生节理的重建;利用次生节理计算方法实现次生节理网络的建立,从而建立仿真节理网络以及仿真节理岩体模型。计算结果显示:无节理模型中顶板和底板先破坏,以张拉破坏为主;而在仿真节理岩体模型中节理部位最先破坏,原生节理以剪切破坏为主,次生节理以张拉破坏为主,在高应力作用下巷道周边基本全部破坏,需整体支护且重点在左右两帮。该计算方法可为节理岩体中巷道的稳定性计算提供参考及建议。     

开挖卸荷的瞬态特性研究

  针对中、高地应力条件下的岩体爆破开挖,通过岩体开挖荷载释放过程的力学分析及卸荷持续时间的计算,提出并论证岩体开挖荷载的释放为瞬态卸荷的观点,认为在中、高地应力条件下,岩体开挖荷载的释放需要考虑荷载的瞬态特性及其动力效应。同时,对与分段微差爆破对应的分步开挖荷载、瞬态卸荷方式、开挖卸荷诱发围岩振动及节理岩体瞬态卸荷松动机制等关键问题进行讨论。最后,结合二滩和瀑布沟等高地应力地区水电站地下厂房开挖瞬态卸荷诱发围岩振动的实测资料及观察到的动力破坏现象,对所提出的观点进行例证。     

柱状节理岩体渗透性模型试验研究

针对柱状节理岩体渗透性质的研究较少,开展了柱状节理岩体相似材料的模型试验,研究了柱状节理岩体相似材料在多次围压循环加卸载作用下的渗透性质,分析得出柱状节理岩体存在表征单元体积,可以采用等效连续介质模型分析柱状节理岩体的渗流性质,提出了计算柱状节理岩体渗透率张量的方法,基于张量不变性理论,推导出了柱状节理岩体渗透张量的主渗透系数的计算公式。研究表明:在围压初次加载阶段,柱状节理岩体渗透张量的主渗透系数随围压加载显著降低,在随后的围压循环加卸载阶段主渗透系数保持较低值,围压的加卸载对柱状节理岩体的主渗透系数影响较少,且在每个围压加卸载阶段,柱状节理岩体渗透张量的主渗透系数与围压均呈幂函数关系;柱状节理岩体渗透张量的主方向随着围压加卸载逐渐增大,在初次围压加卸载阶段增长显著,在此后的围压加卸载阶段缓慢增长;柱状节理岩体在低围压下渗透各向异性较为显著,且随着柱体倾角增大渗透各向异性逐渐减弱,在第一次围压加载阶段,随围压增大柱状节理岩体的渗透各向异性迅速减弱,当加载到高围压时,柱体倾角对柱状节理岩体的渗透各向异性几乎没有影响,在此后的围压循环加卸载阶段,柱状节理岩体的渗透各向异性稳定在较低水平,柱体倾角对渗透各向异性的影响很微弱;柱状节理岩体的渗透性质均是在第一次围压加载阶段发生显著变化,且围压卸载后渗透性质不能恢复,此后的围压循环加卸载对其渗透性质影响很小。     

含节理岩石试件的卸荷变形特性研究

 开展含节理岩石试件在主应力差卸载路径下的变形特性试验,试验发现：(1) 恒定s3减小s1卸载主应力差过程中,完整岩石卸载变形曲线与加载变形曲线基本重合,但节理试件加卸载变形曲线表现出较大差异,且卸载后试件轴向和环向均出现较大残余应变;(2) 按照2种不同路径卸载主应力差时,含节理试件变形特征存在很大差异。为从理论上研究含节理试件变形特征并解释上述试验现象,建立节理加卸载本构模型,并提出确定模型参数的方法。研究表明：用节理面加载与卸载变形特征的差异,从理论和试验结果两方面能很好地解释含节理岩石试件加卸载变形特性的差异以及在不同卸荷应力路径下的变形差异。研究成果可以反映含单组节理岩体的加卸载变形特性。     

不同加、卸载条件下片岩的变形特性试验研究

对丹巴电站调压井围岩的片岩试样进行了加载试验和卸荷试验研究,分别分析了常规三轴试验及加轴压卸围压、以相同速率同时卸轴压与围压的3种加、卸载方式下的应力-应变关系及整个加、卸载过程中变形参数的变化规律,分析表明:片岩在卸荷条件下表现出明显的脆性破坏特征,而且有强烈的扩容现象,卸荷条件下岩石的破坏也是由于扩容所引起的;卸荷会造成岩体变形模量迅速减小、泊松比迅速增大;试验采取的两种卸荷方式与常规三轴相比较,岩石试样从受力至破坏的整个过程中其变形模量和泊松比的变化趋势有明显的不同,尤其是在相同速率同时卸轴压与围压的卸荷方式对岩石的变形参数影响很大。     

节理岩体爆破开挖过程的动态卸载松动机理研究

提出岩体爆破开挖过程中初始应力场的卸载是一动态过程的观点，并利用波动理论分析了岩块在初始应力场瞬态卸载条件下的运动过程。研究表明，瞬间卸载条件下，岩块除产生弹性回复位移外，还会发生水平向的刚体位移，导致岩体结构面被拉开，岩体产生水平向松动现象。岩体初始应力较高条件下。动态卸载引起的岩块水平刚体位移远大于弹性回复变形值。计算结果同时表明，岩体结构面的张开位移与初始应力的平方近似成正比。岩体初始应力场的动态卸载过程能较好解释节理岩体开挖过程的松动机理。     

基于电镜扫描实验的柱状节理隧洞卸荷破坏机制研究

 采用现场调查、室内力学实验、细观实验的方法,对导流洞内柱状节理玄武岩的卸荷破坏机制进行研究。研究结果表明：(1) 柱状节理岩体内节理面主要包括：柱间节理面、柱内竖直隐节理面、柱内水平节理面,柱间节理面表面粗糙不平,为岩浆岩冷却后形成;柱内竖直隐节理面存在羽毛状陡坎,开挖卸荷后易松弛成为显节理;柱内水平节理面表面平整,方向近乎水平。(2) 将现场破坏面与标准破坏模式下的电镜扫描结果对比表明：柱内竖直隐节理面为原生节理面,破坏形式主要为拉破坏;柱间节理面为原生张拉节理,破坏形式包括拉伸与剪切及其混合破坏;水平节理面为构造运动中形成,无明显开挖卸荷破裂特征。(3) 柱状节理塌方机制为：受多组节理切割,柱体易沿节理面从柱体内外共同破裂,呈小柱体垮落,即硐室开挖后,当法向力超过柱间节理面抗拉强度时,柱状节理沿着柱间节理面开裂,并滑移;在滑移过程中,柱间节理面相互摩擦,形成剪破坏特征;当法向力超过柱内竖直隐节理抗拉强度时,柱体内部沿着柱内竖直隐节理破裂;节理面相互切割形成小柱体,从柱体内外共同破裂,并向临空面滑落;由于水平节理面非常发育,小柱体最终会在重力及开挖扰动作用下垮塌脱离母岩,严重时形成塌方。该机制可以很好地解释现场边墙柱体破裂面中三弱面共存的原因。     

开挖动态卸荷对节理岩体渗透特性的影响研究

 利用应力波理论分析高地应力条件下节理岩体边坡开挖过程中的动态卸荷效应，探讨卸荷松动后节理岩体渗透特性的变化规律。研究结果表明，高地应力作用下节理岩体边坡开挖过程中的动态卸荷松动效应显著，其影响必须考虑。开挖荷载幅值、岩体弹性模量和节理分布间距等因素通过影响节理开度而影响岩体的渗透特性；岩体中完整母岩与节理岩体的结合部位往往是开挖松动较大的部位，其渗透系数变化明显。对于等间距平行节理组垂直切割的直立坡岩体，若岩体的弹性模量由坡外向坡内呈线性增大，计算得到的节理岩体渗透系数分布符合幂函数衰减规律(由坡外向坡内)；若节理岩体的弹性模量由坡外向坡内无变化，则开挖动态卸荷松动现象不会发生。     

基于组合模型法的贯通节理岩体动态损伤本构模型

针对贯通节理岩体动态变形特点并结合已有岩石动态本构模型的相关研究成果,将贯通节理岩体变形过程中的动态应力视为贯通节理岩体静态应力分量与相应动态应力分量的叠加。其中贯通节理岩体静态应力分量采用考虑岩石细观损伤的非线性元件、节理面闭合及剪切变形元件等3个基本元件的串联来模拟,动态应力分量采用黏性元件来模拟,从而建立了贯通节理岩体动态单轴压缩损伤本构模型。其次,根据贯通节理岩体在单轴压缩荷载下往往会沿节理面发生剪切破坏的特点,在前述已建立的损伤本构模型中引人节理剪切破坏准则对该模型进行修正,从而更好地考虑了节理剪切强度对该模型的影响,最终建立了考虑节理剪切强度的贯通节理岩体单轴压缩损伤本构模型。最后利用该模型对贯通节理岩体在压缩荷载作用下的力学特性进行了分析计算,重点讨论了节理倾角对岩体单轴动态压缩峰值强度的影响规律。研究结果表明随着节理倾角的变化,节理岩体将发生岩块张拉或剪切破坏、沿节理面的剪切破坏及上述两种破坏模式的复合破坏,相应地节理岩体的单轴压缩动态峰值强度也随之有较大变化。