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《成都理工大学》 2009年
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高地应力地区花岗岩强度偏低的成因研究

赵青  
【摘要】: 本文从双江口坝区花岗岩出现大量单轴抗压强度较低的异常现象入手,通过大量现场调查和分析,对坝区花岗岩赋存环境,如地质背景、应力场特征、地质构造等进行研究,并结合工程区花岗岩的岩石学、建造特征以及后期改造和岩体结构特征,分别针对坝区强度较高和强度较低的花岗岩进行了大量宏观力学试验和微细观特征分析,主要取得了如下几点研究成果: (1)通过大量的现场调查分析,对坝区不同高程、不同深度的花岗岩的岩体质量、风化卸荷特征、地应力场、地下水条件、回弹、波速进行了较为系统的调查试验,在此基础上将地质环境特征进行量化,并与饱和单轴强度之间的关系进行相关分析。 (2)通过对坝区花岗岩基本物理指标的测定,考虑坝区的地应力条件,设置不同围压条件分别对强度不同的花岗岩进行了渗透性测试,揭示了裂隙发育情况、围压情况与花岗岩渗透特性的关系,并初步分析了坝区花岗岩强度变异与微裂纹的关系。 (3)通过开展花岗岩单调和循环加载过程的声发射试验等的研究,揭示了花岗岩裂纹的起裂—扩展—贯通过程中声发射率变化特征,揭示了花岗岩破坏过程中强度的差异造成其破坏能量释放的差异,认为强度较低的花岗岩的破坏是一个渐进性的稳定破坏,而强度高的花岗岩的破坏是一个集中式的猛烈破坏。 (4)通过常规三轴试验、不同围压、不同卸荷速率、卸荷起点的卸围压三轴试验,揭示了花岗岩卸荷条件下的破坏特征及破坏过程中参数变化特征。尤其是弹性模量方面,试验显示,在一个加卸载试验过程中,弹性模量可以分为加载段、卸载段和回弹段,各段的模量差距较大,其中加载段弹模普遍为卸载段弹模的3~4倍,而回弹段的模量又比卸载段模量小等特点。 (5)通过循环加卸载围压的记忆性试验,揭示了卸荷过程中同样存在应力滞后现象和滞回梯形,只是其形成机制与单轴加卸载的回滞环不同,变化特征和形成机制都较为复杂,本文从变形破坏过程中能量变化特征的角度,揭示了封闭梯形的形成机制。 (6)通过扫描电镜和矿物含量分析认为,花岗岩强度偏低在微观结构方面主要包括三个方面的原因:其一,试验结果显示,饱和单轴强度随着长石含量的增加而降低,同时数值试验结果显示,三种矿物中云母含量对抗压强度最为敏感性,而坝区似斑状花岗岩长石和云母含量均高于其他地区,因此长石和云母含量较高是坝区花岗岩强度低于其他地区的细观因素之一;其二,根据坝区花岗岩的单轴、常规三轴、卸荷三轴试验以及现场岩爆拓片的破坏断面的扫描电镜分析,坝区花岗岩中长石内部解理面非常发育,并非常密集,镜下许多长石甚至呈鳞片状和针状解理,揭示了坝区花岗岩的主要的破坏模式不是各矿物颗粒之间的沿晶破坏,而是沿着长石解理面发生的穿晶破坏,证明了坝区花岗岩强度较低的又一原因,也是坝区平洞硐渣呈粉砂状的主要原因;其三,由于花岗岩三轴压缩试验和卸围压三轴试验的微观破裂的机制有着本质的区别,常规加载时,虽然各矿物的弹性模量差距较大,但云母在其中起到协调作用,因此云母含量对花岗岩常规三轴试验强度是有利的,而卸围压三轴试验则正好相反,随着围压的卸载,云母由于弹性模量比其余矿物低得多,给予了其余矿物体积回弹的空间。由于矿物之间的差异回弹,更有利于矿物之间和矿物内部裂纹的产生和发展。而常规三轴试验显示,坝区花岗岩比其他地区花岗岩易受围压影响,围压25MPa以后,强度甚至高于其他地区的花岗岩,且随着围压的升高,弹性模量也跟着变大,就是对云母作用的一个较好诠释。 (7)结合图像处理技术和大型模拟软件FLAC,建立图形图像处理技术的细观数值试验方法体系,并针对坝区花岗岩真实细观结构模型,模拟了其在外力作用下各矿物内部的应力分布演化规律及裂纹起裂—开展—贯通的破坏过程。并在此基础上开展了矿物组构和矿物参数的敏感性分析。 最后,在以上系统研究的基础上,认为坝区花岗岩强度较低及其离散性较大的原因是:宏观受到地质环境的影响,包括地应力场、地质构造、浅表生改造、岩体结构的影响;微观主要取决于长石和云母含量、长石内部解理面密集程度以及各矿物内部裂纹的发育情况;而后期改造(浅表生改造),边坡和围岩应力进一步调整,是坝区花岗岩微观结构改变,并导致其强度差异的外动力条件。总体来说,花岗岩内部较为发育的长石解理面和云母含量较高的特点是花岗岩卸荷岩体破裂的基础条件;而坝区高地应力环境和花岗岩良好的储能条件下,伴随河谷的快速下切,边坡应力和构造应力的强烈释放是坝区应力场分异和造成坝区花岗岩内部裂纹差异的内动力条件;而后期改造(浅表生改造),使得围岩应力进一步释放和调整,是导致坝区花岗岩强度较低和离散性较大的外动力条件。
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