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。     

残余强度阶段大理岩流变特性试验研究

锦屏二级水电站引水隧洞埋深大、地应力水平高,高应力状态下的大理岩具有明显的时效特性,工程部分岩体处于残余强度阶段,其流变特性对围岩长期稳定性具有显著影响。利用三轴压缩全过程试验获得进入残余强度阶段的大理岩试件,以此来模拟工程塑性区岩体,并对残余强度阶段的岩石试件进行不同围压下的三轴蠕变试验,系统研究残余强度阶段大理岩的蠕变特性及其长期强度。试验表明:残余强度阶段的大理岩具有明显的瞬时变形、减速蠕变和稳定蠕变特性;受内部大量破裂网格的影响,残余强度阶段岩体的瞬时应变和蠕变量较完整岩块有很大程度的提高;残余强度阶段大理岩的总蠕变量及蠕变速率均随偏应力的增大而增大;长期强度小于其残余强度且随围压的增大而增大;试件长期抗剪强度不具有黏聚力,内摩擦角较残余内摩擦角有所提高。基于残余强度阶段大理岩的蠕变特性,采用Burgers模型模拟其蠕变过程,并对蠕变参数进行辨识,研究表明:Burgers模型模拟结果与蠕变试验具有很高的吻合度,能很好地反映残余强度阶段大理岩的流变特性;其流变参数中弹性模量EM和黏性系数ηM均随着偏应力的增大而减小,黏弹性剪切模量GK与黏弹性系数ηK随偏应力的增大先增大后减小。     

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。     

砂质泥岩三轴卸荷蠕变试验研究

为了揭示深部软弱地层开挖卸荷后围岩流变力学特性,开展砂质泥岩恒轴压逐级卸围压三轴卸荷蠕变试验,研究软岩轴向、侧向和体积蠕变规律和卸荷流变过程中偏应力–应变关系特性。主要结论有:(1)每卸除一级应力(10 MPa)产生的瞬时变形、蠕变变形、蠕变变形相对该级荷载下的瞬时变形的比值、蠕变变形占总变形量百分比均随偏应力的增加而增大,围压越低蠕变变形增加的幅度越大;(2)随着围压逐级卸荷,岩石内部产生竖向张性微裂纹,微裂纹的萌生和扩展使得卸围压瞬时产生较明显的侧向变形,且蠕变过程中微裂纹将发生与应力水平相应的时效扩展,产生黏塑性变形;(3)岩石在时效条件下的渐进破坏的本质是损伤随时间的逐渐累积,并伴随着裂纹的时效扩展,统称为时效损伤破裂;(4)随着围压逐级卸荷,偏应力增大,历史上经历的卸荷级数多、蠕变时间长,试样内部积累的不可恢复应变和损伤越多,时效损伤破裂越剧烈,在该级荷载条件下轴压低的试样其流变速率越大,蠕变变形量越大,卸荷效应和流变特征更加明显,同时伴随显著的侧向扩容,导致蠕变扩容;(5)卸荷和蠕变所产生的损伤和塑性变形对后续力学行为影响非常显著。     

深埋大理岩强度参数变化规律的综合试验研究

 深部岩体强度参数的研究相当复杂,与研究尺度、应力状态、应力路径都有关系。以锦屏二级水电站深埋引水隧洞T2b大理岩为研究对象,开展室内标准尺寸岩块岩样、中等尺寸岩石岩样和大尺寸岩体岩样在低–中、中–高、高–极高应力水平下的三轴加、卸载试验,探讨深部岩体强度参数的应力水平效应、应力路径效应和尺寸效应。取得以下成果：(1) 获得室内标准尺寸、中等尺寸和大尺寸大理岩岩样在加、卸载应力路径下低–中、中–高、高–极高应力水平下的10组强度参数;(2) 大理岩抗剪强度参数随应力水平的变化规律基本相同：随着应力水平的提高, 值逐渐减小、c值逐渐增大,但是,不同尺寸和不同应力路径下, 值和c值随围压应力水平的变化幅度并不相同;(3) 相对加载条件,卸载路径下岩体强度参数 值增加,c值减小;(4) 在 50 mm×100 mm至500 mm×500 mm×1 000 mm尺度范围内,大理岩强度参数 值的尺寸效应不明显,而c值的尺寸效应显著。     

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。     

深埋大理岩破裂扩展时间效应的颗粒流模拟

 由于颗粒流程序(PFC)对岩石基本力学特性的描述是从颗粒间接触状态及其变化特征入手,因此PFC能够克服由于岩石本身细观特性所造成的描述上的困难,实现在岩石模型中对细观结构的模拟,而这些都是传统断裂力学理论无法解决的。针对锦屏深埋大理岩在破裂过程中表现出的时间效应,通过在平行黏结模型中引入损伤速率概念形成平行黏结应力腐蚀模型(PSC),结合室内大理岩静态疲劳破坏试验,确定PSC模型中的相关细观力学参数。利用PSC模型对锦屏深埋大理岩破裂扩展的时间效应的模拟,分析在不同驱动应力比作用下大理岩的变形特征、裂纹特征和破裂特征。研究结果表明,利用PFC能够展现出与岩石破裂过程相符的细观特征,而这些细观表现有利于更好地理解脆性岩石强度的时间效应。     

高围压高水压条件下大理岩断口微观机理分析与试验研究

为了探讨高围压高水压对大理岩变形、强度、脆–塑转化特性及破坏断裂损伤劣化的影响,取锦屏二级水电站引水隧洞大理岩分别进行高水压、高围压、低围压作用下全应力–应变过程三轴压缩对比试验,然后,对大理岩破坏断裂断口进行微观电镜扫描试验,分析不同工况条件下大理岩断口微观形貌特征。试验结果表明,在低围压作用下莫尔强度包络线近似为线性的,在高围压作用下莫尔强度包络线是非线性的。高水压力的存在抑制岩石脆性向塑性的发展,降低岩石的强度,同时对软化区裂纹的扩展、贯通起到加剧作用。通过微观数字图像试验分析发现,高围压条件下大理岩断口裂纹长度小、密度大、分布相对均匀,给出高水压高围压作用下岩石破裂产生的微观损伤力学机理,为进一步分析高围压高内外水压条件下非圆形洞室围岩失稳破坏机理提供了可靠的试验依据。     

锦屏大理岩加、卸载应力路径下力学性质试验研究

 地下岩体开挖卸荷应力路径不同于加载应力路径,由此引起的岩体强度、变形特征和破坏机制也不尽相同。针对锦屏二级水电站引水隧洞群围岩赋存于高地应力环境的特点,对其中3# 引水隧洞大理岩开展单轴加、卸载以及三轴压缩和高应力条件下的峰前、峰后卸围压等4种不同应力路径力学试验,得到了的应力–应变全过程曲线、变形破坏特征和主要力学参数的变化规律。试验研究结果表明：(1) 建立在岩样单轴逐级等量加、卸载应力路径下的回滞环面积递减,尤以屈服阶段的卸载对应变影响最大;(2) 不同围压下岩样三轴压缩全过程试验结果表明,当围压达到40 MPa时,应变软化特性转化为理想塑性,可以认为该值为锦屏大理岩脆－延转化点;(3) 对比以上不同应力路径下的强度准则方程以及峰前、峰后黏聚力和内摩擦角,相同初始应力条件下,岩石卸载破坏所需应力变化量比三轴压缩破坏情况下对应的应力变化量小,说明岩石卸载更容易导致破坏;(4) 在变形破坏机制方面,由于峰后比峰前卸围压塑性变形大,岩样塑性变形已吸收较多的弹性变形能,其脆性特性受到抑制,因而不像峰前卸围压破坏具有突发性,岩样由张性破坏过渡到张剪性破坏;(5) 根据大理岩岩样加、卸载破坏断口SEM扫描结果,从细观角度验证了脆性岩石在不同路径下微观剪断裂破坏机制。总之,以上研究结果揭示了锦屏大理岩加、卸载应力路径下力学特性差异,对解决工程实际问题具有重要的参考价值。     

基于莫尔–库仑准则的岩石峰后应变软化力学行为研究

 岩石类材料的应力–应变曲线关系分为峰值前区和峰值后区2个部分。在岩石应力–应变曲线峰前部分,一般将岩石视为弹性体,在此阶段采用线弹性本构关系;而在峰后部分,由于不能确定岩石的破坏形态和应力的跌落方式,其力学行为难以用经典理论来描述,因此确定岩石峰后模量的变化是研究岩石峰后力学行为的关键。基于莫尔–库仑强度准则,以内摩擦角?作为中间变量,通过理论推导,将峰后弹性模量 表征为应变 的函数,建立峰后岩体力学非线性应力–应变关系。通过数值算例得到大理岩在不同围压下的全应力–应变曲线,其数值计算结果与试验结果吻合较好,表明所提出的非线性本构模型是正确合理的,同时也表明该模型可以较好的描述不同围压下大理岩的峰后力学行为。     

锦屏深埋大理岩破裂扩展时间效应与控制效果评价

锦屏二级水电站大理岩在高的地应力条件作用下表现出破裂随时间扩展的现象,给引水隧洞的运行期安全产生重大的影响。现场开挖后出现的滞后破裂现象、锚杆应力计和声波测试都反映出大理岩破裂随时间发展的特征。首先采用室内试验和数值分析,证明破裂是大理岩开挖后的主要响应方式,表明锚杆应力计和声波测试在现场测试中具有更好的适用性,而多点位移计敏感性较差。利用GSI随时间指数递减代表大理岩强度随时间递减,进而表征隧洞开挖损伤区随时间的增加而增加,在此基础上,建立应力腐蚀模型SC。将现场已获得的监测数据作为SC模型中相关参数的校核依据,对大理岩的长期力学响应、锚杆受力状态和衬砌结构安全性进行详细分析,采用SC模型得出的特征与现场实际开挖响应具有很好的一致性。     

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。     

绿片岩软弱结构面的剪切蠕变特性研究

 针对锦屏II级水电站引水隧洞超埋深、高地应力的特点,选取边坡和地下洞室围岩中含有绿片岩软弱结构面的灰白色大理岩为研究对象,对含有软弱结构面的大理岩试样进行分级加载剪切流变试验,并对试验结果进行分析,探讨软弱结构面的蠕变特性。通过对不同法向应力条件下岩体结构面的蠕变力学特性及其规律的研究,以及对结构面剪切蠕变试验过程中的蠕变速率特性进行分析,结果显示结构面的剪切蠕变试验曲线表现出明显的3个阶段。在此基础上选用改进的Burger模型对结构面蠕变试验结果进行拟和分析,并讨论改进的Burger模型对于描述结构面剪切蠕变特性的适用性。     

互层状岩体黏弹塑性流变特性的数值分析

 对锦屏II级水电站辅助交通洞的绿片岩进行单轴压缩蠕变特性试验,并以绿片岩和大理岩互层的层状岩体为研究对象,采用FLAC3D对互层状岩体进行单轴压缩蠕变试验的数值分析。试验和数值分析结果表明：当大理岩夹层倾角小于60°时,互层状岩体的破坏强度随着夹层倾角的增大而减小,但当夹层倾角大于60°时,互层状岩体的破坏强度反而随着夹层倾角的增大而增大;当大理岩与绿片岩之间的破坏强度比值较小时,采用Reuss模型和Voigt模型预测复合层状岩体的破坏强度是合适的。     

Laboratory creep tests for time-dependent properties of a marble in Jinping Ⅱ hydropower station

In order to investigate the time-dependent behaviors of deep hard rocks in the diversion tunnel of Jinping II hydropower station,uniaxial creep tests were carried out by using the triaxial testing machine RC-2000.The axial compressive load was applied step by step and each creep stage was kept for over several days.Test results show that:(1) The lateral deformation of rock specimens is 2-3 times the axial compressive deformation and accelerates drastically before damage,which may be employed as an indicator to predict the excavation-induced instability of rocks.(2) The resultant deformation changes from compression to expansion when the Poisson’s ratio is larger than 0.5,indicating the starting point of damage.(3) In the step-loading stages,the Poisson’s ratio approximately remains constant;under constantly imposed load,the Poisson’s ratio changes with elapsed time,growing continuously before the specimen is damaged.(4) When the applied load reaches a certain threshold value,the rock deteriorates with time,and the strength of rocks approximately has a negative exponent relation with time.(5) The failure modes of the deep marble are different in long-and short-term loading conditions.Under the condition of short-term loading,the specimen presents a mode of tensile failure;while under the condition of long-term loading,the specimen presents a mode of shear failure,followed by tensile failure.     

锦屏二级水电站绿片岩双轴压缩蠕变 特性试验研究

 利用岩石双轴流变试验机对锦屏二级水电站辅助洞的绿片岩进行不同加载路径、不同应力水平下的双轴压缩蠕变试验,将一维Burgers模型推广到双轴受压状态,对试验曲线进行辨识。结果表明,轴向和侧向的蠕变规律与加载方式有很大关系,当以定侧压比同时加轴向和侧向荷载时,轴向和侧向应变基本随荷载的增加而增加,而采用定侧压的加载方式时,侧向应变则随轴向荷载的增加而逐渐减小。采用Burgers模型拟合试验曲线时,其理论值与试验结果比较接近,因此,Burgers模型比较适合描述绿片岩的黏弹性流变特征,研究得到的双轴压缩蠕变参数也可供锦屏二级水电站深埋隧洞的设计参考。     

锦屏深埋大理岩破裂特征与损伤演化规律

 锦屏二级引水隧洞最大主应力超过70 MPa,在如此高应力条件下,必然存在岩体强度和地应力之间的尖锐矛盾。深入认识大理岩的破裂特征,把握围岩的损伤演化规律,对于支护优化设计和评价围岩稳定性具有重要意义。在已有关于脆性岩石破裂问题研究成果的基础上,借助于裂纹体积应变拐点和大理岩体积应变拐点配合声发射测试,确定不同围压条件下大理岩的特征强度,并将特征强度在主应力空间中进行表达,形成现场可用的强度包线。利用起裂强度曲线分析损伤区的应力状态,并根据计算成果确定不同损伤区分区的范围,描述监测断面随掌子面推进过程中损伤区的演化过程。为进一步分析损伤区的演化规律,在监测断面布置声波和声发射测试,声波检测获得的松弛圈深度主要与损伤区中的破坏区相对应,而声发射测试可以获得完整的损伤区分布特征,更有利于了解围岩的损伤特征,可为支护优化设计和支护时机的选择提供更加科学的依据。     

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.