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《湖北工业大学》 2012年
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绿泥石片岩力学—水化学特性及其对隧洞稳定性影响研究

李震  
【摘要】:针对锦屏II水电站绿泥石片岩洞段施工中遇到的高地应力下围岩大变形和支护困难问题,本文从基础试验、力学模型和数值计算三个方面开展研究,取得了如下创新性成果和认识: (1)开展了一系列干燥和饱水条件下完整岩样和含单裂隙面岩样的力学试验,结果表明:绿泥石片岩的剪切强度和剪切刚度分别随法向应力增大和含水率减小而增大,完整岩样的抗剪强度大于含结构面岩样的抗剪强度;干燥岩样的峰值强度大于饱水岩样的峰值强度;绿泥石片岩的力学性质对围压比较敏感,围压越大,峰值强度和弹性模量越大,软化系数越大。 (2)开展了含裂隙面岩样和裂隙面灌浆岩样的渗流试验,结果表明:在围压作用下,含裂隙面岩样的渗流量起始时增大,而后逐渐呈线性减小,而水泥充填的单裂隙面岩样的渗流量呈指数形式减小,因此,围压和灌浆对减小岩体渗透性有显著效果。 (3)开展了干燥岩样、饱和AlCl3岩样、饱和NaCl岩样、饱水岩样的单轴压缩试验,通过对比上述不同条件下绿泥石片岩的抗压强度和弹性模量,得到如下关系:干燥岩样>饱和AlCl3岩样>饱和NaCl岩样>饱水岩样。采用双电层理论,分析了水化学作用对绿泥石片岩力学性质的影响机理,并给出了双电层厚度的演化公式,分析了不同条件下双电层厚度的大小关系。 (4)基于三轴压缩试验,考虑应力状态对塑性演化的影响,定义了新的内变量;分析了黏聚力和内摩擦角随内变量的演化规律,结果表明,黏聚力先近似呈线性减小,而后近似呈抛物线递减至残余破坏;而内摩擦角一直近似呈抛物线递增;分析了剪胀角随内变量演化规律,结果表明,剪胀角与内摩擦角呈相反的演化趋势。考虑硬化软化和剪胀特性,建立了绿泥石片岩的力学模型,对室内三轴压缩试验结果的模拟分析表明,该力学模型可以较好地描述绿泥石片岩的硬化软化规律和剪胀等性质。 (5)使用FLAC3D对锦屏II水电站辅助洞绿泥石片岩洞段的开挖过程进行了模拟,并考虑了开挖顺序,研究了塑性区、位移变化和大小主应力情况,并给工程施工提供了建议。
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