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基于典型岸坡深部裂缝的岩石力学试验研究

张文居  
【摘要】: 西南部地处我国第一个地形梯度带,区内水能资源十分丰富,一系列已建和拟建大型水电工程座落于这一地区。由于该区域大地构造上位于青藏断块的东部边缘地带,受青藏高原近百万年来持续隆升的影响,地质环境条件特殊复杂。因此,在这些地区进行大型、超大型工程建设,有一系列制约工程设计,施工和运营的重大工程地质问题亟需加以研究和解决,其中之一便是岸坡深部裂缝问题。本文以青藏高原东侧的西南地区为主要研究对象,通过选取雅砻江锦屏一级,大渡河瀑布沟、深溪沟、双江口等大型水电工程勘察中所揭示的深部裂缝为研究素材,采用归纳与演绎的哲学思维方式,强调地质原型现场调研与地质过程分析,重视自然边坡的形成演化过程和深部裂缝所赋存的地质力学环境,运用现代数值模拟技术和岩石力学的理论与方法,对深部裂缝的发育分布及变形破坏特征从地质原型调研、数值模拟反演、岩石力学试验、损伤理论分析四大方面进行了综合集成研究,初步建立了一套深部裂缝研究的基本框架和技术方法体系,取得以下主要成果: (1)通过对典型岸坡深部裂缝的系统研究,归纳总结了裂缝发育的一般性特点,即:①裂缝多发育于距谷底70~120m以上的岸坡岩体中;②裂缝大多呈带状产出,破裂带之间为相对完整的岩体;③裂缝中很干净,几乎未见次生夹泥;④裂缝发育程度总体有随高程增加而增强、随水平埋深增大而减弱;⑤裂缝形成时间总体有随高程增加而变老、随水平埋深增加而变新;⑥裂缝主要沿与坡向大体平行的陡倾角构造结构面发育;等。 (2)通过对典型岸坡深部裂缝生成的地质环境的综合分析,归纳提出了裂缝生成所须满足的地质环境条件,即:①在构造改造过程中能存储较高应变能的质坚性脆的岩性条件;②有利于应变能存储和释放的地质构造(如褶皱体)和结构条件(岩性结构和构造裂隙);③作为广义“荷载”能导致岸坡岩体产生压缩变形和强烈卸荷回弹的高地应力条件;④能导致岩体应变能强烈释放的地壳快速抬升(即河谷快速下切)条件;等。 (3)认为深部裂缝是在河谷(或叠加横向沟谷)地貌形成演化过程中,伴随区域性剥蚀和河谷下切过程,岸坡应力场不断变化调整,引起岸坡岩体内部先期储存的应变能(与构造改造程度和方式有关)强烈释放,向临空方向产生差异回弹卸荷形成的,属浅生时效结构。 (4)依据岸坡地质体的形成演化过程,厘定了岸坡岩体的改造模式,提出岸坡岩体由坡表向内可划分为表生改造、浅生改造、构造改造三个带,表生改造带又可细分为外侧的卸荷拉裂带和内侧的紧密挤压带,浅生改造带则由深部裂缝带及带间板梁组成。并对各带岩体的应力、声波、点荷载、裂隙密度、裂隙开度等进行了统计分析。 (5)由典型岸坡实测地应力的详细分析表明:深部裂缝发育地区均存在较大的地质构造作用,属高(中)地应力区,岩体应力主要以水平构造应力为主。 (6)依据典型岸坡实测应力值随水平埋深的变化特点,对岸坡应力场进行了分带,即将岸坡岩体应力由坡表向内划分为应力降低、应力增高、应力波动、应力趋稳四个带。其中应力降低和应力波动带,可分别与岸坡卸荷带的范围和深部裂缝发育的范围对照。分析认为,应力波动带的底界即为河谷应力场的影响深度,由此统计显示,我西南河谷地区这一深度大致为150~387m。 (7)岸坡应力场的分布特征,与岸坡岩体的浅表生改造过程密切相关,依据成因,将岸坡应力场由坡表向内划分为斜坡应力场区、过渡区和构造应力场区三个区,可分别与表生改造、浅生改造和构造改造三个带相对应,分析了各区应力分布的特点,提出斜坡应力场区主要以自重应力为主、过渡区是构造应力场向自重应力场转化的一个过渡区域、构造应力场区主要以构造应力为主的观点,并根据实测最大主应力倾角随埋深的变化特征验证了这一认识。 (8)采用现代数值模拟技术,对岸坡应力场的分带特征进行了验证分析,并探讨了构造应力对分带范围的影响;同时还分析了岸坡应力场演化的基本特点以及深部裂缝的形成过程,并根据地质过程中裂缝单元应力Mohr圆的变化特点,探讨了深部裂缝的生成时间,得出近坡表和高高程裂缝分别比深部和低高程裂缝形成时期要早,验证了地质分析的成果。 (9)以深部裂缝形成过程中实际的应力变化状态为试验设计的依据,开展了不同围压、不同卸荷速率下的卸荷岩石力学对比试验,由试验揭示,在卸荷条件下:①随破坏围压的增加,试样破坏形式均从张性破坏向剪切破坏过渡,且在相同围压下,随卸荷速率的增大,试样张性破裂的比例也越重;②试样表现出累进性破坏特征,通常在试样表面附近有卸荷剥落的张性薄片,一般剪切破裂面在部分地段追踪张性破裂面发育,破坏具张剪性质;③卸荷对试样横向应变ε3和体积应变εV影响较大,进入卸荷阶段后,ε3变化梯度明显增大,εV则从压缩变形转为扩容;④多数试样应力-应变曲线在峰后存在较大跌落,表明试样卸荷破坏时的塑性变形较小,破坏更具突发性和脆性等特点;⑤应力-应变曲线峰后与峰前差别较大,峰前曲线较平滑,峰后曲线则凹凸不平,显示峰后试样内部应力、应变分布较峰前要复杂;⑥多数试样应力-应变曲线峰后呈“Ⅱ型”,显示出脆性特征;⑦围压对试样强度的影响要比加荷条件大,并在相同初始围压下,试样的强度和变形模量随卸荷速率的增大呈降低趋势;⑧随卸荷速率的增大,试样的抗剪强度参数c值增大而φ值减小,与加荷条件相比,岩石的抗剪强度参数c值降低而φ值增高;等。依据这些试验成果,对深部裂缝的发育分布及变形破坏特征进行了合理解释。 (10)通过假定岩石微元强度及其分布,构建了以名义应力应变表述的损伤演化方程及本构模型,并用其对不同试验条件下岩石的损伤演化特征进行了对比分析,认为试样在受荷过程中的损伤发展演化可分为三个阶段:第一阶段与试验曲线的屈服极限前段对应,该段应力-应变曲线近似成直线,岩石微元主要以弹性变形为主,仅有极少数岩石微元发生破坏,损伤演化从0呈缓慢增加态势,演化曲线斜率缓慢增大;第二阶段与试验曲线屈服极限→残余强度段对应,该段应力-应变曲线成非线性,岩石微元主要以塑性变形为主,大量岩石微元开始屈服破坏,损伤演化呈快速增加态势,演化曲线斜率迅速增大,最后稳定在某一水平保持不变;第三阶段与试验曲线残余强度段对应,该段岩石试样已发生宏观破裂,但仍有一定的承载力,少数岩石微元继续屈服破坏,损伤演化幅度逐渐变缓,演化曲线斜率逐渐减小并趋于1。初步揭示:①在相同围压下,卸荷条件下试样损伤发展的速率要比加荷条件下快得多;②相同围压下,试样损伤发展的速率随卸荷速率的增大而增大;③试样的强度只与损伤演化速率有关,而与各试样破坏时已破坏岩石微元总数的多少无关;等。并依据诸类分析成果,合理解释了深部裂缝的发育分布及变形破坏特征。


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