层状大理岩卸荷力学特性试验研究

 以锦屏一级水电站地下厂房实际应力环境为基础,利用MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统,对该厂房区域典型层状大理岩开展常规三轴加、卸荷破坏试验研究。研究成果表明：平行层理面压缩时,卸荷试验得到的抗剪断、抗剪强度参数较加载试验得到的c,j 值低,残余内摩擦角jr值却较高;相同卸荷条件下,垂直层理面压缩得到的抗剪断、抗剪强度参数较平行层理面压缩得到的c,j 高,jr值却较低;卸荷条件下岩样的破坏是其向卸荷方向的强烈扩容所致,峰值强度后继续卸荷对岩石峰后承载力有显著的弱化作用;试验得到的各组弹性模量大致随围压增加而增加,而峰值应力对应的变形模量则反之,单个岩样在卸荷试验中,变形模量大致随围压卸荷而降低,垂直层理面压缩得到的变形模量较平行层理面压缩的高20%～51%,侧胀系数m 的变化规律则反之,前者较后者的低3%～12%;在相同卸荷条件下,平行层理面压缩时,岩石更易发生破坏,而垂直层理面压缩时,大理岩的脆性变形特征更显著。这些结论揭示了层状大理岩的卸荷力学特性,对解决工程实际问题有重要的参考价值。     

锦屏一级地下厂房大理岩变形破裂细观演化规律

脆性大理岩的变形破裂与其内部微裂纹的扩展贯通密切相关,其宏观力学响应取决于细观结构构造;因岩石内部的封闭性,难以掌握其内部微裂纹的发育演化机制。基于三维颗粒流理论,通过引入 BPM 模型和超级单元clump技术,并依据锦屏一级地下厂房大理岩的SEM矿物成份检测结果,建立基于矿物形状的大理岩细观结构模型,在对细观力学参数敏感性分析的基础上,根据室内单轴和三轴压缩试验结果确定大理岩的细观力学参数,构建大理岩的细观力学数值模型,对不同应力状态和应力路径下大理岩的变形破裂演化及扩容孕育过程进行数值模拟分析。研究结果表明：大理岩细观力学数值模型所描述的宏观力学响应与室内试验结果具有很好的一致性;单轴或低围压时微裂纹呈缓慢-急增的指数型增长趋势,高围压时微裂纹呈缓慢-急增-缓慢的近似S型增长趋势;随着围压的增加,张拉裂纹所占比例逐渐减少,剪切裂纹所占比例逐渐增加;与相同初始围压时的加载应力路径相比,卸载应力路径下岩石峰值应力对应的轴向应变小,张拉裂纹所占比例高,且随卸载过程逐渐起主控作用,最终形成张性宏观破裂面,体现了大理岩卸荷扩容效应更为显著且脆性更强。在不同应力状态和应力路径下,张性裂纹扩展控制机制和剪切裂纹摩擦控制机制相互作用,此减彼增逐步过渡。研究结果从细观尺度上揭示锦屏一级大理岩扩容孕育机制,为正确认识和把握锦屏一级地下厂房洞室群施工期围岩大变形形成机制以及岩体卸荷破裂规律提供基础。     

锦屏二级水电站深埋大理岩力学特性研究

采用锦屏二级水电站埋深2000m的白山组大理岩试样进行单轴压缩-声发射试验,通过试验结果的分析确定白山组大理岩的启裂强度和损伤强度,分别为0.4～0.5倍和0.8倍的单轴抗压强度,试验结果与加拿大URL针对Lac du Bonnet花岗岩的测试成果相接近。针对白山组深埋大理岩开展室内三轴压缩试验,试验成果显示锦屏白山组大理岩随着围压的增大其峰后应力-应变曲线具有明显的脆-延-塑转换特征。对比锦屏白山组大理岩、Lac du Bonnet花岗岩以及三峡花岗岩的三轴试验成果,说明大理岩和花岗岩峰后力学特征的显著差异。采用Hoek-Brown强度准则的本构模型描述大理岩的脆-延-塑转换特征,并将研究成果应用于引水隧洞的围岩损伤深度预测。     

板岩渐进剪切破坏各向异性及其数值模型研究

层理面是导致岩石试样在变形和力学特性上表现出各向异性的根本原因。为研究层理弱面影响下板岩的渐进破坏模式,揭示其各向异性的力学机制,选取贵州东部的层状板岩开展不同加载空间位置关系下的直剪试验。结果显示:剪切强度各向异性是由其破坏机制控制的,层理面与剪切面平行时,属于沿层理面的剪切滑移破坏;层理面与剪切面垂直且其交线与剪应力方向也垂直时,属于剪切作用下层理面的张拉和基质体的剪切破坏;层理面与剪切面垂直而其交线与剪应力方向平行时,垂直于层理面方向试样在泊松效应作用下产生拉伸破坏,剪应力方向试样发生基质体的剪切破坏,此时强度最大。基于层理结构的本构关系,构建层理体系的材料模型,并采用数值模拟研究层理结构对板岩破坏模式的影响,模拟结果与试验结果吻合较好,进一步解释了层状板岩破坏模式各向异性的产生机制。     

含层理构造的非均质片麻岩巴西劈裂试验及离散单元法数值模拟研究

 为了研究岩石各向异性及非均质性对其破坏形式的影响,对含层理构造的非均质片麻岩进行了多组加载角度的巴西劈裂试验,获得不同层理方向片麻岩试件“抗拉强度”。其计算“抗拉强度”随着层理方向与加载方向夹角减小而迅速减小,当层理方向平行于加载方向时,计算“抗拉强度”可认为是片麻岩软弱层理面间的抗拉强度;当层理方向垂直于加载方向时,计算“抗拉强度”可认为是片麻岩岩石矿物基质的等效抗拉强度;当层理方向与加载方向夹角小于90°时,则属于拉–剪复合破坏形式,是片麻岩各向异性和非均质性共同作用的结果,此时对计算“抗拉强度”的应用需要特别谨慎。用UDEC程序建立离散单元数值模型,利用随机分布的条状块体集合,通过设置层理界面和矿物颗粒之间的接触参数,模拟层理构造对片麻岩破坏的影响。数值模拟与试验结果吻合较好,解释了劈裂破坏形式产生的机制,揭示岩石在荷载状态下的破裂过程是裂纹从萌生初期的无序分布,到受微观构造影响而有序集中的自组织过程。     

大型洞室群稳定性分析与智能动态优化设计的数值仿真研究

 为实现数值仿真计算结果能准确反映大型洞室围岩实际力学行为,结合锦屏二级水电站地下厂房枢纽洞室群稳定性分析,在阐述大型地下洞室群数值仿真计算要点基础上,首先重点从岩体本构模型识别和力学参数识别2个方面详细介绍如何实现数值仿真计算的正确化。采用考虑空间分布协调的多元监测信息的6次岩体力学参数跟踪识别,获得锦屏二级地下厂房岩体的等效力学参数,从而通过参数反分析的方法在一定程度上证明岩体等效力学参数具有相对稳定性和可识别性。同时,结合数值模拟展现出的围岩应力、变形、塑性区等方面计算结果与工程岩体的具体地质条件和洞室群结构特点,论述锦屏二级水电站地下厂房上游高边墙变形较大、下游侧拱围岩与喷混凝土破坏、母线洞环状开裂、交叉洞口局部塌落等洞室围岩的变形与破坏机制。最后,结合锦屏二级地下厂房枢纽洞室群稳定性分析与实践的研究认识,对大型地下洞室修建中诸如结构面密集的高边墙支护问题、围岩应力集中区支护问题、工程区地下水对围岩稳定性影响等问题进行论述,并探讨如何通过数值仿真计算、现场监测与经验丰富的专业人员的有机结合来实现大型地下洞室群稳定性设计的科学化。     

大连地下石油储备库洞室群围岩稳定性及渗流场分析

为分析水封式大连地下石油储备库洞室群围岩稳定性及渗流场特征,首先基于现场地应力实测结果的回归分析,利用Fish语言编写函数,反演初始地应力场。其次,采用三维离散元程序3DEC生成三维节理网络模型,反演库区初始渗流场的各向异性特征。最后,利用应力与渗流耦合模块实施开挖仿真计算,获取围岩应力场、位移场变化特征。考虑平行、垂直层理面不同材料特性,基于带有抗拉的Mohr-Coulomb强度储备型点安全系数,定量评价洞室群的稳定性。借鉴国外水封效果评价标准,分别从地下水位线和垂直水力坡降2个方面,分析渗流场变化特征。研究表明:在洞室周边平行层理面点安全系数为1.02～1.25,垂直层理面点安全系数为1.95～2.00。在补水隧道及注水孔组成的人工水幕系统作用下,建设期内地下水位下降3～5 m,地下水位距洞室顶55 m。开挖洞室附近平均垂直水力坡降大于1.0,满足设计规范及密封性要求。     

黑色页岩力学特性及气体压裂层理效应研究

 气体压裂作为一种新型的无水压裂技术,对页岩气开采具有重要意义。为探究不同层理方向页岩气体压裂破坏机制,以彭水黑色页岩为试样,首先系统地分析其力学各向异性特征,并利用自行改造组装的高压气体压裂系统分别对轴向平行层理页岩和轴向垂直层理页岩开展气体压裂试验,研究层理方向对页岩的变形、强度、声发射特征和破坏形态的影响,揭示页岩气压致裂破坏的机制,讨论不同加载方式下层理效应对页岩破坏强度的影响。研究表明：(1) 黑色页岩的拉、压力学特征受层理方向影响明显,平行层理面加载页岩与垂直层理面加载页岩的抗压强度、抗拉强度、弹性模量、剪切模量之比分别为：138.22%,44.37%,169.17%,173.27%,泊松比受层理影响小。页岩平行层理面加载时,容易沿层理面产生张拉破坏;垂直层理面加载时,在层理本身发生剪切滑移破坏。(2) 轴向垂直层理面页岩的破坏气压、破坏时间分别是轴向平行层理面页岩的4.2和3.35倍,前者沿层理弱面发生拉伸破坏,后者以拉伸破坏为主,也有剪切破坏发生,其破裂面凹凸起伏明显。所有变形曲线呈非线性变化,垂直层理面页岩的变形大,其变形曲线出现异常拐点,侧向变形曲线呈下凹趋势;轴向平行层理试样的变形曲线相对光滑,侧向变形曲线呈上凹趋势。AE能率反映了轴向垂直层理页岩破坏更加剧烈。(3) 加载方式对页岩强度的层理效应系数影响显著,影响最大的是气体压裂试验,最小的是单轴压缩试验。     

锦屏I级水电站地下厂房围岩变形破裂的三维损伤流变分析

 锦屏I级水电站处于高地应力区,地下厂房围岩在此是表现有一定塑性的大理岩。在工程开挖后围岩和支护结构的变形开裂特征明显。针对这些特点,采用损伤流变耦合的三维模型和分析方法,结合运用裂隙张开产生的附加变形分析法,对该工程地下厂房洞室群的稳定性进行分析,将厂房若干关键点的位移量与实测值进行对比,取得了较好的结果;同时,对洞室的长期时效变形进行预测分析。     

围岩外加固抗爆炸成坑试验研究

为进一步提升洞库围岩的抗爆炸性能,采用相似模型试验方法对采用交叉锚索进行加固的均质、层状和块状围岩进行2组爆炸成坑试验,并对比分析加固前后围岩模型的宏观破坏形态、隆起形态、裂缝形态及爆坑尺寸。研究结果表明:(1)交叉锚索对岩体提供了较大的抗拉、抗剪能力,从而对岩体抗爆炸成坑具有较强的加固作用;(2)岩体特征对成坑试件破坏程度有较大影响;(3)从有加固的试件表面隆起高度上看,均质和层状岩体试件的都较小,块状岩体试件的较大;(4)岩体特征不同,试件表面的裂缝形态不同;(5)有加固试件的爆坑平面尺寸均质岩体试件的最小,块状的较大,层状的最大。研究结果可为地下防护工程设计和坑道围岩加固提供参考。     

Investigation of meso-failure behaviors of Jinping marble using SEM with bending loading system

In this study, the meso-failure mechanism and fracture surface of Jinping marble were investigated by means of scanning electron microscope(SEM) with bending loading system and laser-scanner equipment. The Yantang and Baishan marbles specimens from Jinping II hydropower station were used. Test results show that the fracture toughness and mechanical behaviors of Yantang marble were basically higher than those of Baishan marble. This is mainly due to the fact that Baishan marble contains a large percentage of dolomite and minor mica. Crack propagation path and fracture morphology indicated that the direction of tensile stress has a significant effect on the mechanical behaviors and fracture toughness of Baishan marble. For Yantang and Baishan marbles, a large number of microcracks around the main crack tip were observed when the direction of tensile stress was parallel to the bedding plane.Conversely, few microcracks occurred when the direction of tensile stress was perpendicular to the bedding plane. The presence of a large number of microcracks at the main crack tip decreased the global fracture toughness of marble. The results of three-point bending tests showed that the average bearing capacity of intact marble is 3.4 times the notched marble, but the ductility property of the defective marble after peak load is better than that of the intact marble. Hence, large deformation may be generated before failure of intact marbles at Jinping II hydropower station. The fractal dimension of fracture surface was also calculated by the cube covering method. Observational result showed that the largest fractal dimension of Yantang marble is captured when the direction of tensile stress is parallel to the bedding plane. However, the fractal dimension of fracture surface of Yantang and Baishan marbles with tensile stress vertical to the bedding plane is relatively small. The fractal dimension can also be used to characterize the roughness of fracture surface of rock materials.     

锦屏水电站大理岩加卸荷本构模型研究

以锦屏水电站深埋引水隧洞开挖稳定分析为背景,开展大理岩加卸荷变形特性试验,发现无论加载还是卸荷破坏,大理岩试件破坏前都经历显著的体积膨胀过程.从描述岩石体积变形规律的角度出发,在对Weng模型改进的基础上,建立锦屏大理岩加、卸荷本构模型.研究结果表明:模型计算结果与试验结果具有较好的一致性,能较好地描述大理岩加、卸荷体积变形特征.模型可以考虑岩石加卸荷强度特性的差异,能够描述从轴向压缩状态开始卸荷的情况,具有较为广泛的适用性.     

锦屏I级水电站地下厂房施工期围岩变形开裂特征及地质力学机制研究

 锦屏I级水电站是雅砻江流域最为重要的控制性梯级电站。地下电站的规模巨大并且赋存的地质环境条件十分复杂,特别是岩石的相对低强度和高地应力特征,地下电站在施工过程中遇到前所未有的有关围岩稳定及支护设计方面的难题。结合地质、监测、物探、施工及试验资料,分析地下厂房洞室群围岩及支护结构的变形开裂及破坏失效的特征。探讨地下电站区的地应力状态、岩体结构、岩石的加卸载力学特性等对围岩变形开裂的影响规律,解释围岩变形破坏的地质力学机制。高地应力及其方向使得主厂房和主变室下游侧围岩(特别是拱腰)的切向应力加载效应明显,易于压致劈裂,而上游侧边墙等法向应力卸荷强度较大,易于卸荷拉裂松弛。高应力条件下破裂围岩具有一定的流变特性,表现出由表及深的渐进性特征,反映随围岩松弛而发生的破裂岩体的时效变形。主厂房和主变室上游侧为缓倾角顺向坡而下游侧为反向坡,在二次应力场作用下下游侧易弯曲折断而上游侧很难剪切滑移。厂房区大理岩具有相对低强度高脆性力学特性且具有较低的应变强度特征,卸荷条件下易于压致拉裂。     

基于声发射定位的自然裂隙动态演化过程研究

 利用MTS815岩石力学试验机和PCI-II声发射三维定位实时监测系统对取自锦屏II级水电站交通辅助洞的含自然裂隙大理岩岩样进行单轴压缩条件下的声发射(AE)测试,并结合AE振铃数实现对不同空间分布类型自然裂隙时空演化过程的精确定位和追踪。试验结果表明：含自然裂隙大理岩岩样受压破坏过程中的局部渐进特征显著,AE累计数曲线的上升与试验的加载过程和岩样内部的应力调整关系密切;单一型和平行型自然裂隙空间分布形式相对简单,在压应力水平较低时AE大事件(振铃数＞20)随着压应力的渐增沿自然裂隙面展布,当压应力接近峰值强度时,AE大事件在裂隙面末端部位大量集聚,并朝着最终的实际破裂方向扩展;含交叉型自然裂隙岩样体内的AE大事件在初始压密阶段分布相对均匀,但随着压应力的持续增加,裂隙面附近的AE数量逐渐增加,并向裂隙面的交叉部位集聚;混合型自然裂隙结构最复杂,但仍不难根据AE大事件的空间分布确定岩样内部的软弱部位及相应的应力场变化规律。以上试验和分析结果对于深入研究岩体破裂失稳机制具有一定的意义,也可为现场微震监测提供指导。     

脆性岩体破裂扩展时间效应对引水隧洞长期稳定性影响研究

 对于锦屏二级引水隧洞,脆性岩体破裂损伤发展的时间效应已从现场围岩破坏情况及多种监测仪器长期监测数据中得到反映,成为影响引水隧洞长期稳定性的控制因素。为系统研究这一问题,针对锦屏二级引水隧洞沿线所占比例最大的岩层之一--白山组大理岩,在论述岩体破裂扩展时间效应的现场体现的基础上,进行破裂时效室内试验,得到破裂时效拟合式和临界驱动应力比;继而采用CPM模型建立可以考虑脆–延–塑转换特征的白山组大理岩数值试样,标定其微观参数,并进行室内破裂扩展试验的PFC模拟;最后,首次对工程尺度的引水隧洞进行破裂扩展时效的PFC模拟,研究不同岩性、不同埋深下,在100 a运行期内引水隧洞围岩的破裂情况。结果表明,室内试验中破坏时间的增加和荷载的降低呈现出较明显的指数非线性关系,且亚临界裂纹开始扩展,具有一个门槛值(定义为临界驱动应力比),对于白山组大理岩此应力比为0.492。采用CPM模型标定的PFC短期细观参数可较好反映锦屏白山组大理岩试样的三轴压缩应力–应变曲线及屈服破坏特征表现出的明显围压相关性,低围压下裂纹数目随围压增加明显,高围压下增加速度减缓,且拉裂纹在高围压下数目不再随围压增高而增加。数值试验中发现轴向应变和裂纹数目发展均表现出明显的蠕变三阶段特征。随着驱动应力比减少,由蠕变产生的应变量值是增加的。侵蚀裂纹的发展也符合蠕变三阶段特征,驱动应力比越小,侵蚀裂纹数目基本线性增加,但侵蚀裂纹发展速率呈指数减少。在开挖完成100 a后,II类大理岩岩体中引水隧洞的破裂区最大范围为2.1～3.1 m,III类大理岩为3.3～4.5 m,引水隧洞的长期稳定性可以得到较好保障。     

三点弯曲下热处理北山花岗岩的断裂特性研究

针对我国未来高放核废料地质处置等重大工程实际需要,开展热处理后岩石的断裂破坏行为研究具有重要意义。以我国未来可能的核废料储库选址地北山花岗岩为研究对象,通过带加载SEM高温试验系统对经过热处理后的花岗岩进行三点弯曲破坏试验,在25 ℃～100 ℃范围内,北山花岗岩以脆性破坏为主。在低应力作用下,裂纹扩展主要受到应力集中及多种矿物力学行为及它们之间的黏结力作用大小的影响,最终裂纹的萌生主要发生在矿物颗粒之间较弱的胶结面上,裂纹初始扩展角主要由这些矿物颗粒之间夹角来决定,因此裂纹初始扩展角通常与水平面有个夹角;随着荷载继续增加后,裂纹会逐渐沿着水平方向扩展,这个主要方向的矿物承受了最大的弯曲拉应力,而岩石的抗拉强度通常很低。室温到100 ℃的范围内,花岗岩平均断裂韧性几乎不发生变化,稍微的波动可认为是花岗岩的非均值性所造成的。通过数字散斑相关计算方法实现岩石细观尺度变形全场测量。测量结果表明,各个矿物颗粒表面发生较为复杂的变形,多个矿物颗粒界面两边发生完全相反方向的位移,这表明界面两边颗粒受到拉应力作用。尽管在初始阶段,变形主要发生在弯曲拉应力最大界面,但最终破坏可能发生在另外地方,这时的破坏主要受到非均匀的弱面所控制。可见,细观尺度岩石的破坏受到最大应力状态处与岩石的非均质处变形的综合影响。     

硬脆性大理岩单轴抗拉强度特性的加载速率效应研究——试验特征与机制

 加载速率效应是岩石材料力学特征的一个重要性质。通过对锦屏II级水电站硬脆性大理岩T2b开展单轴抗拉强度特性的加载速率效应试验,获得以下5点试验规律：(1) 在巴西圆盘劈裂试验中,岩样的破坏过程基本可以归纳为应力集中区出现、应力集中区扩展、破坏面形成和岩样破坏4个阶段;(2) 岩样的峰值抗拉强度随着加载速率的提高而呈对数增大;(3) 应力峰值对应的平均垂直应变随着加载速率的增大而增大,而平均侧向应变随着加载速率的增大而减小;(4) 对岩样电镜扫描图进行断口学分析表明,在较低的加载速率(0.000 255 MPa/s)下,岩样的破坏面中张拉破坏区域(即镜面区)所占的比例较大,剪切破坏区域(即锯齿区)所占的比例较小,且锯齿区分布均匀规则,而在较高的加载速率(2.55 MPa/s)下,岩样的断口中镜面区比例较小,锯齿区所占的比例较大,且锯齿区剪切脆断痕迹明显;(5) 在0.000 255 MPa/s的加载速率下,岩样一般劈裂成2块,岩石破坏所消耗的能量较小,而在2.55 MPa/s的加载速率下,岩样破碎成多块,岩样破坏所消耗的能量较大。本文通过宏细观两方面的分析,并引入断口形貌学的分析方法,揭示了硬脆性岩石力学特性加载速率效应的试验特征和内在机制,为岩石破坏机制研究提供一条新的途径。     

大理岩脆–延–塑转换特性的细观模拟研究

 针对锦屏深埋大理岩峰后变形破坏的脆–延–塑转换特性,采用颗粒流程序(PFC)中的簇单元模型(CPM)对其进行细观模拟研究。经过对室内试验结果的反复模拟校准,获得描述锦屏深埋大理岩力学性质的一组细观物理力学性质参数。模型试验结果表明：试样的一系列宏观力学表现,包括弹性模量、泊松比、单轴与启裂抗压强度、应力–应变曲线、峰值与残余强度包络线、拉压强度比以及破坏形态等均与锦屏深埋大理岩的试验结果具有良好的一致性。对不同围压下裂纹发育规律的研究表明：不同应力状态下细观裂纹发育特征的显著差异是导致大理岩的变形破坏出现脆–延–塑转换特性的主要原因;张性裂纹的大量发育决定介质的脆性破坏模式,而剪切裂纹数目的快速增长则促使介质由脆性破坏模式逐渐向延–塑性破坏模式转换。