层状软岩力学特性现场试验研究

水布垭水电站地下厂房薄层页岩、粉砂岩互层岩体及层间剪切带属于层状软岩,针对其进行原位承压板法变形试验、直剪试验及三轴试验,对通过不同试验得到的力学参数进行了对比分析,结果表明：变形模量的围压效应明显,通过三轴试验得到的变形模量大于承压板法变形试验的变形模量,且随围压的增加而变大;三轴试验有整体拉裂破坏和较软层首先拉裂而导致破坏两种破坏方式;通过三轴试验求出的抗剪强度参数明显大于以层面为剪切面的直剪试验抗剪强度参数。     

大岗山水电站坝区岩体的刚性承压板试验研究

 压板试验是承一种应用广泛的测定岩体变形参数的现场试验方法,根据中国水电顾问集团成都勘测设计研究院在大岗山水电站坝区现场进行的直径达1 m的刚性承压板变形试验资料,详细介绍试验点岩体的加卸载变形关系曲线,根据推导的深部岩体压缩变形公式,计算出了坝址区左右岸试验点岩体的弹性模量、变形模量和等价变形模量等变形参数。通过回归分析,获得坝区试验点岩体的声波波速与变形模量的回归经验方程和高度显著的回归拟合曲线。现场承压板试验的计算分析结果表明：坝区左右岸辉绿岩脉地层的变形参数较小,岩体的压缩变形主要集中在辉绿岩脉软弱夹层上,右岸试验点岩体的变形参数总体小于左岸。这些试验分析结果为有效揭示坝区岩体力学参数的变化规律提供了重要依据。     

含层间剪切带的层状复合岩体质量分级

层间剪切带作为一种特殊的软弱结构面,常常构成威胁工程岩体稳定性的控制性因素。分析常用岩体质量分级方法对于层间剪切带的初步认识和存在的问题,提出从岩体结构控制论观点出发,在考虑层状岩体结构类型的基础上,根据层间剪切带发育规模特征及其对层状复合岩体稳定性的影响机制,建立含层间剪切带的层状复合岩体质量分级与评价方法:(1)对于厚度大于10 cm、连续性好、有一定规模的层间剪切带,将其划定为独立的剪切错动型软弱夹层结构,根据层间剪切带的抗剪强度参数,对其单独进行质量分级与评价。(2)而对于厚度小于10 cm、规模相对较小的层间剪切带,特别是泥化夹层,则将其作为折减因素,对含层间剪切带的层状复合岩体质量分级进行弱化处理,建立含层间剪切带的层状复合岩体质量分级修正BQ方法。以黄河中游地区某大型水利枢纽工程为例,利用建立的修正BQ方法研究得到坝址区2个层间剪切带较发育的勘探平硐围岩质量分级评价结果,并将其与RMR法、Q系统法以及HC法得到的岩体质量分级结果进行对比分析和相关性研究,验证含层间剪切带的层状复合岩体质量分级方法的有效性。     

乌东德坝基岩体变形模量与波速相关性及应用

坝基岩体变形模量是拱坝设计最重要的参数之一,实际中由于受到资金、时间、尺寸效应等限制,承压板试验不可能大量开展,工程常采用岩体变形模量与波速之间的相关关系来估算坝基岩体变形模量以评价其工程地质特性是否满足建坝要求。在乌东德水电站坝基边坡开挖工程中,开展了钻孔变形模量和声波测试。乌东德坝基为典型层状岩体,左岸坝基及河床岩体测试孔方向与层面走向近平行,右岸坝基岩体测试方向与层面近垂直,分析表明坝基岩体中有明显充填特征层面对岩体变形模量值和声波值具有不对称影响。结合测试钻孔高清电视选择合理数据,建立了坝基岩体变形模量与单孔声波二者之间的相关关系。通过与坝基岩体的承压板试验成果对比验证,所建立的相关关系是符合实际地质条件的。将该方法应用于大坝坝基深部岩体变形参数估算及坝基表层松弛岩体灌浆处理效果评价工作中,证明是可行的有效方法。本文的研究成果为坝基岩体变形特征的评价提供科学依据,对高拱坝坝基工程勘测设计具有重要的理论和实践意义。     

基于Copula理论岩体质量Q值及波速与变形模量多变量相关性研究

 以锦屏I级水电站坝址大理岩岩体原位变形试验和勘察结果为例,在分析岩体变形模量 、纵波波速 以及岩体质量指标Q值间的两两相关关系的基础上,利用Copula函数能够描述多变量相关性的优点,构造了拟合 , 和Q值间关系的最优Copula函数,并在岩体变形模量估值中进行运用。研究结果表明,三维Clayton Copula函数是拟合岩体波速 ,Q值和变形模量 间相关关系最优Copula函数。利用构造的 - -Q间关系的最优Copula函数求条件概率,可在已知岩体 和Q值条件下计算其他方法对变形模量估值的保证率,或者计算具有一定保证率的岩体变形模量估值,得到具有最优拟合的变形模量估值。该方法建立多因素间的相关关系,使现场试验和勘察的数据得到充分利用,为建立岩体变形模量与岩体参数间相关关系及估值提供一种新的途径。     

超高应力作用下锦屏二级水电站深部岩体变形特性试验研究

锦屏二级水电站引水线方向岩体最大埋深达2 500余米,为深入研究深部岩体力学特性,开展试验压力100MPa下岩体变形试验研究。采用刚性承压板中心孔法变形试验方法,从变形模量与岩体埋深、岩体各向异性、试验压力小于与不小于初始地应力条件下的岩体变形特征等角度分析超高压作用下深部岩体变形特性。试验研究成果表明:(1)岩体变形模量与埋深存在较大关系,随着埋深的加大,变形模量有着显著的提高。(2)不同埋深处的岩体皆表现出了各向异性特征。(3)在试验压力小于初始地应力条件下,岩体在做回弹试验,弹性变形占总变形量较大,当试验压力超过初始地应力后,弹性变形相对变小。(4)中心孔法试验成果表明,岩体在0.5~1.0 m深处压缩变形最大,其损伤程度较高。研究成果为深入研究深部地下硐室岩体力学特性与稳定性分析提供依据。     

构皮滩水电站高拱坝建基面卸荷岩体变形参数研究

 乌江构皮滩水电站高拱坝建基面开挖成型后,在建基面上进行大量的声波测试,通过不同高程、不同部位的声波测试,根据波速沿坡距综合关系曲线确定卸荷深度,并分析波速分布的规律及特征。在卸荷带内进行35点原位变形试验,其加载路径和最大压力与拱坝作用于岩体的条件相似。通过35点变形试点的动静对比试验,建立卸荷岩体变形参数与波速之间的关系,利用大范围的声波测试结果评价卸荷带岩体变形参数。结合开挖前后波速和变形参数的变化规律,分析研究该高拱坝建基面卸荷岩体变形参数的弱化程度。试验结果表明,建基面卸荷深度为6 m,卸荷带岩体平均波速降低7.0%,平均变形模量由29.1 GPa降低至16.2 GPa,平均降低43.6%。提出卸荷岩体的变形参数及取值方法。     

岩溶地区高层建筑筏板基础的实践

介绍岩溶地区一高层建筑群采用天然地基上筏板基础设计的实践。该建筑群共7栋,楼高16层,其中1层地下室,基础底板置于标贯击数为9～11击的可塑粉质黏土层,土层以下为岩溶发育区,岩面高差达15m。原桩基方案实施困难较大,故考虑采用筏板基础。为合理确定地基承载力和计算沉降的变形参数,对其地基承载力采用原位压板荷载试验确定,较大于原地质报告提供的承载力。变形参数采用原位压板试验所确定的变形模量,变形模量为压缩模量的6倍。根据原位压板试验确定的强度和变形参数计算筏板基础下地基的承载力,并采用集中力弹簧模型计算筏板各点的沉降。同时筏板基础采用有限元等方法计算其内力和沉降,并进行设计。监测结果表明,实测沉降值与原计算值较一致。     

甘肃曲溪地区混合岩化片岩变形特征参数试验研究

混合岩化片岩具有各项异性的工程力学特征,通过现场混合岩化片岩刚性承压板法试验,获得了甘肃曲溪地区混合岩化片岩的变形参数,其中微风化混合岩化片岩的弹性参数E_S=12.60GPa、E_0=7.78GPa,弱风化—微风化的混合岩化片岩的弹性参数E_S=1.67GPa、E_0=0.89GPa。研究结果表明:研究区混合岩化片岩的变形,主要是由于其内部孔隙和层理受压所致的压缩形变,变形范围在规范界限之内,满足混凝土重力坝的建设条件。研究结果可为岩体变形特性理论研究与工程应用提供参考。     

层状复合岩体变形试验尺寸效应的数值模拟

由于层状复合岩体软硬相间，不满足均匀、连续和各向同性条件，因此，通过现场试验方法确定层状复合岩体等效变形模量会存在许多问题，尺寸效应即是主要问题之一。结合清江水布垭水利枢纽地下厂房P1q^3层软硬相间层状复合岩体力学参数取值问题，在现场岩体变形试验基础上，通过开展数值模拟试验，研究了不同加载尺寸对层状复合岩体变形参数的影响。研究成果表明：层状复合岩体变形模量具有明显的尺寸效应，岩体变形模量与加载面直径之间可近似采用负幂函数表示：E=7．989D^-0.552常规变形试验加载尺寸明显偏小，当加载面直径应达到3～5m，岩体等效变形模量取值3～4Gpa，比常规试验降低70％左右。     

岩体软弱夹层的弹性模量动力测试方法

 针对岩体软弱夹层的力学参数具有渐变性,假设软弱夹层的损伤度按照二次曲线规律变化,建立应力波在软弱夹层的传播模型,研究应力波的波形变化规律,提出软弱夹层弹性模量的动力测试方法。现场试验研究表明：当采用波形变化系数量化入射侧的计算波形和实测波形差异时,随着软弱夹层峰值损伤度增加,波形变化系数先减小后再增加,波形变化系数为最小值时,入射侧的计算波形和实测波形非常接近;随着子波主频增加,软弱夹层的动态弹性模量近似成线性增加,通过线性拟合求得了软弱夹层的静态峰值弹性模量为0.74 GPa;基于变形相等原则计算得本次试验的软弱夹层的等效动态弹性模量为4.24 GPa,采用波速法测试得夹层动态弹性模量为4.70 GPa,波速法测试结果与等效动态弹性模量相近,表明该方法测试结果合理。     

Use of the equivalent continuum approach to model the behavior of a rock mass containing an interlayer shear weakness zone in an underground cavern excavation

An interlayer shear weakness zone (ISWZ) is a weak zonal geotechnical system of variable thickness that occurs between different rock strata (e.g., tuff and basalt). At the site of the future Baihetan hydropower station, Sichuan Province, China, because of the relatively poor ISWZ mechanical properties, the overall stability of the underground powerhouse is potentially at risk. In this study, to evaluate the effects of ISWZs on the stability of the future underground powerhouse by means of three-dimensional continuum modeling (3-D continuum modeling), the concept of a virtual rock mass composed of ISWZ and host rock is proposed. An equivalent continuum approach, including a rock–soil composite material (RSCM) model, is elaborated, with corresponding expressions for the input parameters. Comparisons were made between the predictions from the RSCM model, the results obtained by an analytic method, and existing data from physical model tests. The comparison showed that all three types of information showed good consistency in terms of failure mode and strength. This indicates the suitability of the RSCM model for describing the behavior of a rock mass containing discontinuities. Furthermore, comparison between the predictions of the proposed equivalent continuum approach, the joint element approach, and the solid element approach for a deformation of a test tunnel section containing an ISWZ show that the results produced by the first two approaches are similar, but much smaller than that using the third approach. Further comparison of the actual state of the ISWZ-containing rock mass in the test tunnel section confirmed the applicability of the proposed equivalent continuum approach to prediction of deformation of the rock masses containing ISWZs at the future Baihetan underground powerhouse site.     

岩石隧道塑性位移新解

 在统一强度理论和弹脆塑性模型的基础上,考虑塑性区围岩弹性模量的变化、中间主应力效应、围岩应变软化和剪胀等影响,推导了深埋圆形岩石隧道塑性位移新解。文中的隧道位移新解具有广泛的理论意义,可根据具体工程实际情况,进行多种合理选择。经工程算例分析可知,由塑性区半径相关的弹性模量计算得到的位移处于上、下限之间,反映了隧道开挖卸荷扰动影响的距离变化,更符合隧道变形真实情况,并得出统一强度理论参数和剪胀特性参数对塑性区位移的影响规律。研究结果表明：隧道塑性区位移受中间主应力、围岩剪胀特性和塑性区弹性模量的影响显著,三者相互影响,共同作用。     

岩体分级BQ与RMR的关系及其力学参数估计

在国标《工程岩体分级标准》（GB50218—94）岩体质量分级的基础上,提出了岩体基本质量指标BQ的简化计算方法。根据规范中建议的岩体物理力学参数取值范围,编制了各参数与BQ关系曲线图,通过非线性拟合分析,建立了各物理力学参数与BQ之间关系的经验公式。基于内摩擦角等效原则,通过比较已有的分别用RMR和BQ表达的岩体内摩擦角经验公式,推导出1个BQ和RMR之间的关系方程。同样基于变形模量等效原则,通过比较已有的分别用RMR和BQ表达的岩体变形模量经验公式,推导出4个BQ和RMR之间的关系方程。这5个关系方程与实测结果进行了比较分析,得到了上限线和下限线方程;由内摩擦角等效获得的关系方程趋势较好,取上限线和下限线的中间线对其进行修正,得到了本文建议的RMR和BQ之间的关系方程。     

三向高应力状态下深埋大理岩变形特性试验研究

为获得深部岩体的变形模量,在真三轴试验机上,对中等尺寸大理岩试样进行不同侧压下的变形试验,重点对同一试样进行多个等侧压和不等侧压的对比试验。试验表明：(1) 大理岩的变形模量与侧压之间具有显著的非线性关系,且当侧压增大至30 MPa后,变形模量不再随着侧压的增大而显著增大,该侧压值反映了大理岩脱离母岩后的弱化程度;(2) 建立大理岩的变形模量与三向应力之间的关系,用试样所对应部位地应力值计算出深埋大理岩的变形模量为66.7～68.2 GPa;(3) 变形模量计算值与采用其他间接方法获得的变形模量相当,并显著高于常规室内和现场变形试验值。由此说明,深部岩体在释放应力后容易使其力学性质弱化,弱化程度与所处的地应力大小有关。该方法对研究极高～高地应力环境下深部岩体及偏应力较大的边坡的变形特征具有重大意义。     

水电工程岩体变形模量与波速相关性研究及应用

 水电工程常常用原位岩体承压板法变形试验的变形模量E0与对应部位岩体的纵波速度VP之间的关系来确定大范围及深部岩体宏观变形参数,E0-VP的相关性与试点的地质代表性、测试方法、试验数量、选用的函数关系等有关。介绍建立E0-VP关系的试验方法及影响因素,以典型工程为实例,从试验数量、地质代表性、试验条件及函数关系4个方面研究E0与VP之间的相关性及对宏观变形参数的影响程度,分析国内10多个水电工程建立的E0-VP关系特点及一般规律。研究表明,在考虑主要影响因素后,建立的E0-VP关系具有一定的普遍性和适用性。对评价不同勘探阶段大范围岩体和深部岩体变形参数具有十分重要的工程意义。     

马普托大桥南锚碇工程半成岩力学特性试验研究

半成岩是一种半岩半土的特殊工程地质载体,目前针对半成岩力学特性的研究较少。依托马普托大桥南侧锚碇工程,设计可同时进行岩基承载及两相胶结面剪切的现场试验框架,开展基底细砂半成岩载荷试验和混凝土–半成岩两相胶结面剪切现场试验,获得细砂半成岩的承载和剪切力学参数,进一步深入研究和讨论半成岩变形模量的预测方法及混凝土–半成岩两相胶结面剪切破坏的形态及机制。研究表明细砂半成岩的承载性能与岩石类似,采用基于现场地质条件的经验方法可以较准确地估算半成岩的变形模量;细砂半成岩的混凝土–半成岩两相剪切具有独特的性质,其低致密性导致与混凝土形成很强的胶结作用和较明显的胶结带,从而增加了两相胶结面的粗糙程度。在预测混凝土与半成岩两相胶结抗剪强度时,需充分考虑混凝土浸入半成岩的胶结作用。研究结果为大桥锚碇设计提供了可靠的参数支持,为类似地质条件的工程提供可靠依据。