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岩体加卸荷破坏的力学特性研究及其工程应用

陈星  
【摘要】:层状岩体卸荷条件下的各向异性规律对于指导工程设计、施工具有重要指导意义。对含显著平行、垂直层理的宜昌砂岩加载、卸载破坏的研究表明:回弹值、纵波波速与岩石强度存在一定的相关性,其基本规律是回弹值或者纵波波速越大,岩石强度越大,平行、垂直层理砂岩的力学特性规律与回弹值、纵波波速公式得出的结论基本一致;无论采用加载破坏还是卸载破坏方式,相同围压下,垂直层理岩体的强度一般大于平行层理岩体;无论是平行还是垂直层理岩体,砂岩卸荷破坏峰值强度在低围压下高于加载破坏强度,而高围压下低于加载破坏强度;卸载和加载条件下的岩体抗剪强度参数有较大差异,且和岩体的各向异性密切相关,对于平行层理岩体,卸荷后岩体黏聚力c较加载条件下增加,而内摩擦角降低,对于垂直层理岩体与之相反;加卸载破坏形式主要是剪切破坏,几乎未见轴向和环向裂纹,这可能与荷载控制方式(加轴压卸围压)、卸载速率较慢和卸荷后残余围压较高有关,Mohr-Coulomb准则岩样的预测破坏角和实测值非常接近,平行层理和垂直层理的加卸载破坏的破裂面均贯穿了沉积弱面,从实际的破裂线的形态来看,破裂迹线并未受到沉积弱面的影响。 采用卸荷试验方案,对高温后砂岩的纵波波速—温度和力学特性—温度的变化规律进行研究。试验结果表明:随着烘烤温度的升高,砂岩的纵波波速降低,而且经历的温度越高,波速下降的幅度越大;随着烘烤温度的升高,砂岩的回弹值并非简单的单调递增或递减;加载段弹性模量随围压变化规律具有一定离散性,但从基本趋势上看,随着围压增大,砂岩的弹性模量逐渐增大,同等围压下,高温烘烤后砂岩弹性模量有所降低;砂岩的强度力学特性是在摩擦和胶结特性共同主导下变化,砂岩高温烘烤后摩擦特性大大加强,在较大围压下,由于摩擦作用其强度得到显著提高;高温烘烤后纵波速度、回弹值和强度不具备必然规律;自然风干岩样在低围压下卸载破坏,依然表现出了明显的压剪破坏形式,300℃,600℃,900℃烘烤岩样的轴向劈裂现象却逐渐增强,分析认为高温烘烤后岩样的抗拉强度出现了明显降低,热处理后砂岩内部产生热应力,由此诱发表面热开裂及内部微裂纹是造成抗拉强度降低的本质原因。 卸荷条件下的岩石强度特性研究对于分析开挖作用下岩石工程的安全性具有极为重要的意义。依据三峡花岗岩和宜昌砂岩两类典型岩石的加卸荷试验,得到以下结论:根据三峡花岗岩卸荷试验,无论从拟合相关性,还是包络线的吻合情况看,Hoek-Brown准则比Mohr-Coulumb准确, Hoek-Brown准则描述拉剪破坏和压剪破坏,均显示了良好的适用性;根据层状和高温后宜昌砂岩卸围压破坏试验,Hoek-Brown准则拟合相关性较高,Hoek-Brown曲线比Mohr-Coulumb曲线与离散点的吻合度也更高。基于加卸荷强度准则,研究岩体的变形、破坏特征及其演化机制,建立了加卸荷条件下岩体的本构模型。 结合深溪沟水电站窑洞式安装间开挖工程,采用RMR法对围岩进行分级,基于最新的Hoek-Brown准则岩体参数,建立有限差分计算模型进行洞室的稳定性分析,并将计算结果和监测值进行了对比。结果表明:RMR分类法显示各硐段岩体中既有Ⅳ类围岩,也有Ⅲ类围岩,其中岩层Zbdn1基本属于Ⅳ类围岩,岩体质量差,岩层Zbdn2、Zbdn3都属于Ⅲ类围岩,岩体质量一般;基于Hoek-Brown准则估算岩体参数,充分考虑了岩体结构、岩块强度、应力状态等多种因素的影响,十分高效、快捷和经济;采用FLAC3D对安装间开挖施工过程进行仿真,将计算结果和监测结果进行对比,发现计算结果和监测结果能取得良好的一致。


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