锦屏二级水电站大理岩不同应力路径下加卸载试验研究

 针对锦屏二级水电站引水隧洞赋存于高地应力环境的特点,对隧洞内的大理岩开展常规三轴压缩试验及峰前、峰后卸围压试验,通过试验数据对比分析,研究大理岩的强度变形特征及破裂机制。主要研究成果：(1) 大理岩峰值强度与实时围压关系密切,应力路径不同、实时围压相同时,峰值强度相同。(2) 围压效应明显,峰值强度随初始围压增加而增加;相比三轴加载试验,峰前卸围压试验峰值强度降低约19.5%,峰后卸围压试验规律不明显,而峰后卸围压试验达到峰值强度时的围压值约占初始围压值的 97.2%,峰前卸围压试验结果较离散。(3) 相比三轴加载试验,峰前卸围压试验c值降低约27.5%, 值提高约22.6%,而与此相反,峰后卸围压试验c值增加约13.7%, 值降低约6.5%,表明大理岩抗破裂的主控因素峰前卸围压试验由摩擦力控制,峰后卸围压试验由黏聚力控制。(4) 峰后卸围压试验自卸荷点开始出现明显的应变平台,表现为理想塑性变形。(5) 峰前卸围压试验的体积应变自卸荷点开始出现明显的转折点。(6) 三轴压缩试验和峰后卸围压试验,大理岩的破坏模式主要为单一剪切破坏,随着围压增加,剪切破裂面端口的粗糙程度降低;峰前卸围压试验的破坏模式为：低围压时的劈裂破坏～中等围压时的“X”型共轭剪切破坏～高围压时的单一剪切破坏。这些研究结论揭示了锦屏大理岩加、卸载应力路径下的力学特性差异,可为西部深埋引水隧洞的开挖、支护设计及稳定性分析提供理论参考。     

深埋隧洞大理岩卸载路径真三轴强度参数研究

 为研究深埋隧洞围岩卸载路径破坏特性,在现场深埋试验平洞内进行大理岩原位高压真三轴卸载试验,获得大尺度(50 cm×50 cm×100 cm)、高应力( =11.2 MPa)、真三轴( ＞ ＞ )、卸 破坏状态下,能反映深埋隧洞围岩实际应力状态和隧洞开挖应力路径的大理岩全过程应力–应变曲线和三轴强度。在高压卸载路径大理岩原位真三轴试验基础上,引入H-B经验强度准则研究大理岩卸载路径真三轴强度参数。研究成果表明：(1) 对于大理岩卸载真三轴原位试验,按H-B经验强度准则评估卸载路径真三轴强度偏低情况较多,评估经验参数s = 0.003 951 7,mb = 3.414,而由试验成果反算s = 0.095 53,mb = 12.208。(2) 在H-B经验强度准则基础上,按M-C强度准则,评估大理岩卸载真三轴试验强度参数：tan? = 1.39,c = 6.61 MPa,评估未扰动大理岩卸载真三轴强度参数：tan? = 1.60,c = 6.73 MPa,前者可代表卸荷损伤岩体。     

锦屏层状大理岩断裂机制的细观试验研究

 锦屏地下深埋岩石处于高应力状态,地下洞室开挖后围岩变形破坏所引起的工程问题十分突出。结合取自锦屏二级交通辅助洞的层状盐塘组大理岩及均质的白山组大理岩,利用扫描电镜高温疲劳试验系统,对层状盐塘组大理岩进行不同作用方向下的三点弯曲试验,并和均质的白山组大理岩试件进行对比分析研究层状大理岩不同层理方向的细观断裂机制及其与特征参数间的关系,同时,研究层理与主应力方向的关系对洞室围岩破坏机制的影响。结果表明：围岩层状特性是由于白云石及方解石矿物条带状分布所致;作用力方向对层状围岩的断裂机制有着决定性的影响,均质白山组大理岩试件细观断裂机制为沿晶断裂,作用力方向垂直盐塘组大理岩层理时为穿晶断裂与沿晶断裂的耦合作用模式,作用力方向平行层理时则以沿矿物条带间的沿晶断裂机制为主;断裂机制的不同使得宏观上的强度参数呈规律性差异,盐塘组平行层理试件与白山组试件的峰值荷载分别为盐塘组垂直层理的58%,44%,峰值断裂能分别为42%,29%;作为断裂机制外在宏观表现的3组试件断面形貌具有自相似分形特征。     

大理岩加卸载力学特性的研究

利用锦屏一级水电站坝址区边坡的大理岩试件进行了加载和卸载条件下的系列三轴试验,对大理岩在加、卸载条件下的力学参数进行了计算整理,并对其应力–应变全过程曲线进行分析和比较。结果表明,大理岩在不同试验路径下的参数变化明显同加载条件比较,卸载条件下的变形模量减小,相同围压条件下抗压强度减小,而抗剪断强度参数中c值大幅减小、?值略有增加;在破坏过程中表现为卸载条件下侧向应变值较同等围压加载条件时增大,塑性特征减弱而脆性特征增强。这一结果揭示了大理岩在加、卸载条件下力学特性的具体差异,对解决工程实际问题有重要的参考价值。     

高应力下原煤三轴压缩力学特性研究

 基于取自淮南矿区－780 m标高B10煤层的原煤的试件,通过MTS815.04电液伺服试验系统进行高应力下原煤的常规三轴压缩试验,研究煤岩的变形、强度、参数及破坏特征。研究结果表明：(1) 煤岩偏应力–轴向应变曲线主要由弹性、屈服、峰后脆性破坏阶段或应变软化段构成。其中,弹性段明显较长,且围压越大,曲线越陡,弹性模量越大;屈服段则总体较短。(2) 煤岩在单轴或低围压条件下,峰后脆性破坏特征明显;随着围压升高,峰后开始呈现延性特征,且围压越高,延性特征越明显。当围压达到50 MPa时,峰后轴向应变几乎呈现塑性流动状态。(3) 随着围压的增加,峰值轴向应变呈抛物线趋势增加,峰值侧向应变则呈线性增加趋势。(4) 煤岩偏应力–体积应变曲线,在低围压条件下表现出扩容机制,且围压越低扩容特征越明显;在高围压下,从峰前越至峰后,则始终向右延展,呈现出不断收缩的状态;而峰值体应变随围压的增加呈抛物线形式增加,收缩特征明显。(5) 煤岩强度随围压增加呈线性趋势增加,且强度参数c,φ值分别为12.72 MPa,24.12°。(6) 煤样的破坏模式主要以剪切破坏为主,破断角大小为23°～35°,且随着围压的增加,以抛物线趋势增加。采用Mohr强度理论可以较好地解释这一变化。     

锦屏水电站大理岩在高应力条件下的卸荷力学特性研究

结合锦屏水电站深埋引水隧洞开挖工程,选取该区域典型大理岩,并以隧洞围岩实际应力环境为基础,开展卸围压破坏试验以及卸围压多级破坏试验.研究成果表明,锦屏大理岩在高应力条件下的卸荷力学性质主要表现为:(1)相同初始应力条件下,岩石达到卸荷破坏所需应力变化量比轴向压缩破坏时小,卸荷更容易导致岩石破坏;(2)岩石卸荷开始后侧向变形明显加快,且表现出显著扩容,如果忽略卸荷前岩样变形,则体积变形几乎按照侧向变形的规律增大;(3)卸围压过程中,泊松比近似按照多项式关系增长.变形模量初始变化不显著,屈服前微量围压减少引起变形模量急剧减小;(4)卸荷条件下抗剪强度参数c值比加载条件下低14%,而φ值比加载条件下高23%.这些结论揭示高应力条件下大理岩的卸荷力学特性,为深埋引水隧洞开挖稳定分析提供可靠依据.     

高地应力条件下卸荷速率对锦屏大理岩力学特性影响规律试验研究

 岩石所处的初始应力状态及开挖等工况诱发的卸荷速率大小对其力学特性具有明显的影响,通过室内三轴卸荷试验和破裂断口的SEM细观扫描分析,研究高应力环境中不同卸荷速率下锦屏一级水电站大理岩的变形破裂及强度特征。卸荷速率vu和初始围压 越大,岩石脆性及张性断裂特征愈明显,快速双向卸荷时甚至可在次卸荷方向产生张拉裂缝。张性破裂断口细观形态随vu和 的增大依次呈现“树枝形张裂状”、“千层饼形撕裂状”和“近光滑平面形弹射状”;卸荷过程中轴向压缩应变增量 随vu和 增大而减小,而侧向膨胀应变增量 却增大;不同的卸荷变形阶段卸荷速率vu对变形模量E的影响规律不同,峰前E随vu的增大而增大,而峰值E随vu增大先逐渐增大再迅速降低;卸荷过程中岩石的泊松比 逐渐增大,并随vu和 增大而显著,特别是从峰值点后;相对于加载试验,卸荷条件下岩体的黏聚力c大大减小,而内摩擦角j却有少量增大,vu越快,c减小得越多,j增大的较少。     

高温下大理岩力学性质的试验研究

 对徐州大理岩在常温至800 ℃下的力学性质进行试验研究,详细分析高温下及高温后大理岩的峰值应力、峰值应变、弹性模量以及应力–应变全过程曲线等随温度的变化情况,并通过扫描电镜对不同温度状态下大理岩的细观特征进行初步探讨。研究表明,随温度的上升大理岩的体积增大,而其质量及密度下降;低于400 ℃,大理岩的力学性质变化不大;高于400 ℃,大理岩的峰值应力和弹性模量均有不同幅度的降低,峰值应变随温度的升高而大幅增加;经800 ℃高温作用后大理岩的结构整体发生转变导致其力学性质发生突变;大理岩高温后的强度指标(峰值应力、弹性模量)低于其高温下的强度指标,同时,大理岩高温后的峰值应变低于其高温下的值。200 ℃以下大理岩断面微裂纹主要为张性裂纹,600 ℃以上大理岩出现缩聚裂纹和剪性裂纹且逐渐增多;高温后大理岩微裂纹的扩展、贯通比高温下更为明显。     

高温作用下大理岩应力—应变全过程的试验研究

采用液压伺服刚性岩石力学试验系统，研究了大理岩在常温至800℃高温作用下的应力－应变全过程特性，比较系统地分析了高温作用对大理岩的刚度、峰值强度、峰后特性及残余强度等的影响。试验结果表明：随着温度升高，岩石总体刚度、单轴强度降低表现出明显的软化特性，峰后特性及残余强度宏观上表现出由脆性向塑性的渐次演化。这些结果一定程度上反映了大理岩在温度作用下，其内部结构变化的基本规律，对今后高温岩体工程有一定的实用参考价值。     

大理岩蠕变特性试验研究

岩石的流变特性是岩石重要的力学特性之一，它控制着岩石的蠕变参数。利用自行研制的UCT-1型蠕变试验装置，采用单调连续加载和分级加载方式，对南阳大理岩进行了单轴压缩蠕变试验研究。根据试验结果，将蠕变强度与瞬时强度进行了比较，得出蠕变强度与瞬时强度之比为0．9左右的结论。拟合试验曲线得出了蠕变曲线经验公式，认为蠕变试验曲线接近对数规律；并分析了曲线的特点，建立了由Kelvin模型和Maxwell模型串联组成的Burgers大理岩蠕变理论模型，求出了相应的蠕变参数。     

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。     

不同初始损伤和卸荷路径下深埋大理岩卸荷力学特性试验研究

 在卸荷速率研究的基础上,较为系统地开展不同初始损伤程度和卸荷路径下深埋大理岩三轴卸围压试验研究。提出新的卸荷力学描述参量：应变围压增量比和统一围压降参数,并结合扩容参数和塑性内变量深入分析初始损伤程度和卸荷路径对深埋大理岩卸荷变形破坏规律的控制作用。通过直观的卸荷破坏概念模型解释卸荷破坏试验中规律的根源和机制。结合深埋隧洞工程,重点探讨初始损伤程度试验规律的重要工程指导意义,为高应力硬岩脆性破坏灾害(如岩爆)的防治提供理论依据。     

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.     

不同卸围压速率下深埋大理岩卸荷力学特性试验研究

为了更准确认识卸荷速率对岩石力学性质的影响规律,进行不同卸荷速率的三轴卸围压试验,试验采用新的试验路径和加载方式,减少试验过程对试验结果的不利影响。针对锦屏二级水电站深埋大理岩,通过新提出的描述变量(应变围压柔量)重点分析卸围压速率在0.01～1.0MPa/s范围内围压卸荷对变形规律的影响,研究扩容过程的演化规律和强度特征的差异。研究结果表明,大理岩的轴向变形和扩容过程受卸围压速率的影响较为显著,影响规律主要由初始围压水平控制。卸围压试验扩容过程与常规三轴压缩试验峰前阶段的扩容演化规律存在显著差异。不同卸围压速率破坏时获得的极限承载强度均高于加载速率为0.5MPa/s时常规三轴压缩的峰值强度。随着卸围压速率的增大,极限承载强度不断提高,达到1.0MPa/s速率时极限承载强度可提高10%～15%。     

卸荷条件下花岗岩力学特性试验研究

 基于岩石试件的卸荷试验,研究卸荷条件下岩石的变形、参数及破裂特征。研究结果表明：(1) 卸荷过程中岩石向卸荷方向回弹变形较为强烈、扩容显著,脆性破坏特征明显。(2) 卸荷过程中岩石的变形模量E逐渐减小,泊松比m逐渐增大,E减小了5%～27%,而m增大了50%～335%,变化均随初始围压的增大和卸荷强度的增强而增大,两者均与体积应变相关。(3) 相对于加载试验,卸荷岩石的c减小而j增大,且卸荷强度愈强,c减小得越多,j增大的程度越小。峰值c减小了33.2%～47.8%,而残余c为正常值的65.3%～77.6%,峰值j增加了14.7%～33.2%,而残余j增大了5.9%～9.4%。(4) 卸荷条件下岩石破坏具有较强的张性破裂特征,各种级别的张裂隙发育,双向卸荷时甚至在次卸荷方向上也可能出现张拉裂隙,剪性破裂面一般追随张拉裂隙发展。     

不同加载路径饱和岩石力学特征的试验研究

不同加载路径对岩石强度特征、变形特征和破坏特征存在影响。据此，探讨饱和岩石在排水、非排水、比例加载、侧向卸载、在不同偏应力状态下注水和非排水（但在不同偏应力状态下水压力卸载）等加载情况下以及在常规三轴试验和拥有循环加载的三轴试验等试验方式下，岩体的强度特征、各向异性变形特征和破坏特征。试验结果表明：循环加载、饱和岩石在不同偏应力状态下注水、非排水但在不同应力状态下水压力卸载、比例加载和侧向卸载等具有降低岩石强度、增加岩体变形以及水压力对岩石具有劈裂破坏作用等特征，这些力学特征对岩土工程具有现实意义。