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高边坡硬岩卸荷状态力学特性试验研究及其应用

郭喜峰  
【摘要】:高陡岩质边坡在水利水电、露天采矿、交通、国防等工程普遍存在,高陡岩质边坡岩体处于卸荷应力状态,现有加载条件或者地下洞室高应力环境的岩石力学研究很难有效针对此类边坡工程问题。为此,开展高陡边坡岩石卸荷条件下力学特性研究尤为重要,为进一步研究边坡变形机制或稳定性分析提供理论基础,它直接关系到边坡工程的安全性和经济性。卸荷岩石力学特性受初始围压、试样尺寸、卸荷速率、应力路径等多因素影响。以锦屏大奔流沟料场边坡石英砂岩为研究对象,首先探索石英砂岩这一坚硬岩石在不同卸荷速率下岩石力学参数演化规律。然后研究初始围压及岩块尺寸等试样条件对硬岩力学特性的影响。通过对不同卸荷条件下岩石力学参数的对比分析,揭示边坡应力环境的卸荷岩石力学特性。通过扫描电镜、CT扫描技术揭示岩石卸荷破坏机理的细观特征。最后,以具有多年监测资料的大奔流沟料场边坡为例,研究边坡岩体变形、应力等物理量变化规律,应用上述试验得到的力学参数演化规律及地质结构特征,通过数值模拟验证了该边坡卸荷变形机制,并评价其稳定性。得出如下主要结论:(1)卸荷作用下岩石破坏的脆性特征更明显;常规加载试验为剪切破坏,卸荷试验为张剪混合破坏;随着围压的降低,弹性模量不断降低,卸荷速率越快,非线性关系越明显。卸荷条件下岩石的摩擦系数比加载条件下摩擦系数增大,粘聚力c值降低或基本不变。(2)卸荷速率v_u越快,泊松比增加越慢;卸荷条件下岩样的粘聚力c减小,而内摩擦角?增大,卸荷速率v_u越快,c减小的越多,?增大的较少。在中低应力环境三轴卸载破坏应力路径下,硬岩的强度参数φ值的尺寸效应不明显,而c值尺寸效应显著。如大尺寸大理岩岩体c值与中等尺寸大理岩相比降低了约21%,与小尺寸大理岩相比则降低了约54%,而三种尺寸的强度参数φ值变化范围均在10%左右。岩石卸荷强度随着围压的不断变化表现出非线性特征,围压越大,摩擦系数越小;围压越大,粘聚力越大。(3)对锦屏大理岩开展了5种应力路径的真三轴试验,试验结果反映了硬岩在不同应力路径下强度参数的非线性特征,采用广义米赛斯屈服条件准则研究了不同应力路径的广义强度参数及强度准则。无论是加载破坏和卸载破坏,σ_1和σ_3之间具有典型的非线性关系。加载试验峰值强度的φ值略低于卸载试验,而加载试验峰值强度的c值高于卸载试验。三种不同卸载路径强度显著差别在c值上,φ值差别不大,在相同侧向平均应力σ_(23)范围内,它们的洛德角θ_σ都随着侧向平均应力的增加而减小。(4)硬岩在高边坡低应力环境下,加载试验试样微裂纹经历了压实-稳定扩展-不稳定-贯穿阶段,试样隐性层理是岩石发生破裂的主要影响因素,主破裂面基本与隐性层理平行且较为光滑,表现出压剪破坏特征。卸荷条件下破裂断口出现了较多的扩展裂纹,三维重构图上显示为波澜起伏状的空间破裂曲面,岩样破裂断口较为粗糙,破坏形式主要是裂隙面之间的摩擦型剪切滑移,卸荷条件岩样宏观表现出张剪破坏模式。(5)长期监测数据成果表明大奔流沟料场各监测物理量变化不大,边坡无大的裂隙出现,坡面无异常滑动变形情况,锚杆应力和锚索锚固力变化总体趋势逐渐收敛,边坡总体稳定,但需注意局部溃屈垮塌风险。(6)采用数值模拟方法,计算分析了开挖支护条件下边坡的应力及变形特征。结果表明,边坡开挖支护后,边坡上部受下部开挖卸荷影响变形较小,下部变形较大;层间错动面及陡倾断层错动变形较大,开挖高程内层间错动面多处于剪切极限状态和间断张开状态;在坡脚部位存在一定程度的压应力集中,边坡内有小范围的拉应力区;边坡开挖过程中,各级马道坡脚部位的应力值随上覆岩层的开挖而逐步降低;塑性屈服区主要为拉伸破坏,剪切破坏区较少;在正常工况、短暂工况和偶然工况下,安全系数分别为1.35、1.18和1.17,边坡均处于稳定状态。工程地质分析表明边坡存在滑移剪出破坏和溃屈破坏两种破坏机制;采用离散元强度折减法计算结果表明,大奔流沟料场高边坡为溃屈破坏模式。


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