白鹤滩水电站层间错动带工程地质特性

白鹤滩水电站层间错动带结构松散、水理性质不良、力学性质差且延展范围广,是地下空间围岩体中的弱结构面,控制围岩体的变形破坏。在大量地质勘探及室内试验研究资料基础上,将白鹤滩工程区的层间错动带划分为节理带、劈理带和泥化带,有利于其力学特性的研究;在分类的基础之上,研究了C2、C4层间错动带中不同带区的形成模式、宏微观结构特征、矿物成分、水理性质以及剪切力学特性等主要工程地质问题,认为白鹤滩层间错动带主要是构造成因,不同带区在黏土矿物含量、微观结构以及水理性质等方面差异明显,错动带的剪切位移曲线整体呈理想弹塑性特征;分析了施工期层间错动带的地质特性对工程岩体的影响,含层间错动带围岩体主要存在3种破坏形式：块体塌落、剪切滑移与渗透破坏。     

岩质边坡渐进破坏的三维随机分析

层间错动带是岩体结构中普遍存在的一种地质现象,含错动带的岩质边坡三维分析更是岩土工程关注的难点问题。结合国内某高拱坝工程,根据岩体层间错动带的分布状况,利用等厚度节理单元模拟了坝区22层错动带和软弱夹层,利用Mohr-Coulomb准则确定节理单元的破环方式,提出了岩质边坡三维滑动面的确定方法,该方法考虑了岩石和错动带（软弱夹层）的随机性。利用弹塑性理论、可靠度理论和破坏追踪相结合的方法,通过3 000多次有限元的计算,得到了边坡滑动面的位置、形态、破坏的先后顺序、滑动的方向以及滑动到任何程度的概率度量。含层间错动带的岩质边坡渐进破坏模式可概括为边坡的破坏起始于层间错动带的剪切破坏。随着各层间错动带的破坏、边坡结构性能恶化,部分较薄的岩层变成不同支撑形式的板,然后部分岩层开始破坏,边坡开始滑动,形成一个或几个破坏台阶,直至失稳。     

西南某电站坝址右岸含软弱层带岩质斜坡变形破坏机制

四川雅砻江某拟建电站坝址右岸岩质斜坡主要由顺层的变质砂岩、炭质板岩及大理岩组成,在褶皱过程中形成多条贯穿性的层间弱带,其变形破坏模式为蠕滑-剪切型破坏。在获取各类地质要素和各层工程地质特性等资料基础上,利用有限元法建立斜坡三维模型对现场工程地质分析成果进行验证并对斜坡的变形破坏机制进行探讨。研究结果表明:由于层间弱带的存在,右岸坡体在重力和残余构造应力的作用下使岩体出现渐进破坏的累积过程,岩层不断弯曲、开启,发生层间剪切蠕变,并逐渐向下延伸,沿控制性结构面产生层间错动,坡体下部应力集中使前部剪切扩展,最终岩桥被剪断,滑移面贯通,岩体沿中缓倾结构面滑出。     

考虑表面形貌特征的岩体结构面蠕变特性

工程岩体开挖会遇到各种复杂应力条件，岩体在荷载作用下随时间会产生流变现象，这种“累进性破坏”导致工程岩体常出现滑坡、塌方、大变形和支护困难等问题.为解释天然岩体结构面的流变现象，以天然红砂岩结构面为研究对象，基于结构面三维形貌扫描试验、结构面分级加载剪切蠕变试验，对天然岩体结构面的剪切蠕变特性进行系统研究.研究发现，岩体结构面蠕变变形量与蠕变应力和结构面三维形貌特征指标正相关；岩体结构面蠕变曲线可分为3个阶段，即过渡蠕变、稳态蠕变和加速蠕变阶段，当法向应力一定时，结构面三维形貌特征指标越大，发生的蠕变破坏越剧烈；基于结构面剪切蠕变曲线与剪切蠕变速率曲线特征，建立了参数物理意义明确的岩体结构面剪切蠕变经验模型.      

似层状岩质边坡倾倒变形破坏过程数值模拟

在构造裂隙组合切割下形成的反倾向"似层状"结构边坡在工程中普遍存在。文章以浙江某梯级电站厂房后边坡为例,通过运用二维离散元和三维有限差分法,对"似层状"岩质边坡倾倒变形特征及破坏演化历程进行模拟,结果表明这类边坡变形破坏主要经历三个时期:初期为块体间的相互剪切错动和局部缓倾节理的剪切蠕变;中期岩体加剧倾倒后推动坡体前缘滑动,在坡体表面形成倾倒台阶后地表拉裂;后期倾倒变形剪切错动向坡体内部扩展,剪切带相互连通并逐步追踪缓倾结构面或强弱风化分界面,在空间形态上形成具有"台梯状分布"的滑动带,为深层蠕滑创造条件。     

大光包滑坡层间错动带岩体剪切特性研究

大光包滑坡滑带发育于构造作用形成的层间错动带中,带中岩体由上而下碎裂化程度增加,且底部存在一层泥化带。本研究选取大光包滑坡层间错动带中不同层位的碎裂岩体,共计进行18组中剪试验;此外,选取错动带中泥化带及临近的糜棱质带岩体进行了不同含水率下的42组快剪试验。试验结果表明:层间错动带碎裂岩体的剪切特性同碎裂程度有关,碎裂程度较低的岩体应变软化特性更明显,碎裂程度较高的岩体抗剪强度则更差;糜棱质带土体抗剪强度和内摩擦角一般大于泥化带土体,且剪切特性受地下水的影响小于泥化带;泥化带土体的抗剪强度和黏聚力随含水率的升高迅速降低,其内摩擦角与含水率呈负相关的指数关系,在地震过程中,随着岩体扩容引起地下水入侵,泥化带的抗剪强度会大大降低。研究结果对理解大光包滑坡滑面发育层位和地震中含水率上升及错动带岩体进一步碎裂化对滑带岩体抗剪强度的影响有重要意义。     

层间错动带水力耦合抗剪强度特性演化规律研究

层间错动带具有延伸规模大、物理力学性质较差等特点。水库蓄水后,水位抬升使层间错动带受到较大的水压力。在高水压力作用下,层间错动带的抗剪强度及其演化规律,尚待开展试验研究。采用新研发的HMSS-300型现场结构面水力耦合直剪试验系统,针对溪洛渡水电站的层间错动带进行了不同水压力-应力耦合作用下的直剪试验,探讨了层间错动带水力耦合作用下的抗剪强度特征及其变化规律。研究结果表明：水力耦合作用下,层间错动带抗剪断过程的剪应力-剪切位移曲线具有明显的峰值,法向位移随剪切位移的增加大多表现出先剪胀后剪缩的特征。层间错动带的有效内摩擦角随水压力的升高而降低,二者呈负指数关系;有效黏聚力也随水压力的升高而降低,二者同样呈负指数关系。在0～2.0MPa水压力条件下,层间错动带有效内摩擦角劣化程度为7%～22%,有效黏聚力的劣化程度为32%～93%,表明水压力的增加对层间错动带的有效黏聚力影响更加明显。在不同法向荷载-水压力耦合作用下层间错动带呈现出剪切滑移破坏模式与中、细角砾岩颗粒的剪断-滑移混合破坏模式。在水力耦合条件下,黏土矿物的软化、膨胀与水侵入层间错动的颗粒之间以及黏土矿物的结构单位层之间形成水...     

循环荷载作用下岩石劈裂结构面剪切力学特性演化与影响因素研究

基于现有结构面剪切力学特性研究中对简单几何形态结构面研究多,天然形态结构面研究少,力学性质演化研究多,几何形态演化研究少的研究现状,通过巴西劈裂试验制备近天然形态岩石结构面,并采用模拟材料批量复制劈裂结构面试样的方法,开展循环荷载作用下岩石劈裂结构面的剪切力学特性演化规律与影响因素研究,分析法向应力、循环剪切次数、岩壁强度以及结构面粗糙度对循环剪切作用下岩体结构面力学特性和形貌特征的影响。最终通过在黏着摩擦理论-Barton经验公式中引入与循环剪切次数Nd有关的负指数假定劣化参数,提出了岩体结构面循环剪切强度公式。研究结果表明：法向应力、岩壁强度、结构面粗糙度越大,结构面的最大剪应力越大;法向应力、循环剪切次数、结构面粗糙度越大,岩壁强度越小,则归一化粗糙度参数越小。提出的循环剪切强度公式较好地验证了试验结果,可为工程安全设计提供理论参考。     

大岗山坝区岩体现场剪切蠕变试验及参数反演

现场剪切蠕变试验是了解岩体剪切蠕变特性的最重要手段。针对大岗山水电站坝区"硬、脆、碎"辉绿岩脉进行了现场剪切蠕变试验,分析了岩体的剪切蠕变变形规律和剪切蠕变速率特性。试验结果表明,在剪应力较小时坝区岩体剪切蠕变仅呈现出减速蠕变和稳态蠕变2个阶段;当剪应力接近屈服强度时,坝区岩体剪切蠕变速率由渐变增长转为突变增长,岩体在短时间内即发生破坏,呈现出加速蠕变特性。恒定正应力下辉绿岩体的稳态流变速率与剪应力之间可用指数关系来表征。根据剪切蠕变试验曲线,进行了岩体剪切蠕变模型辨识。辨识表明,西原模型可以较好反映坝区辉绿岩脉的剪切蠕变特性。通过优化反演获得坝区岩体的剪切蠕变参数,为坝基边坡工程稳定性分析和设计提供了重要的力学依据。     

开挖扰动下地下交叉洞室错动带岩体微震演化规律

错动带具有“历史上多次剪切错动、延伸范围广、遇水易软化、力学强度低”的软弱特性,致使其在开挖卸荷作用下极易诱发不同程度的变形和破坏,进而严重影响地下洞室的稳定性。针对白鹤滩水电站右岸9#母线洞（地下交叉洞室）发生的错动带岩体塌方破坏,借助高精度、实时微震监测系统,系统地研究了塌方孕育过程中的微震活动性,包括微震事件时空演化规律、震级和视应力分布特征。采用矩张量理论,反演塌方孕育过程中的微震事件破裂机制（张拉、剪切或混合）,归纳、总结其演化过程为：表层围岩卸荷张拉破裂→裂纹渐进向围岩深部扩展→破裂沿错动带方向萌生、扩展（张拉破裂为主,伴随剪切或混合破裂）→裂缝与错动带交汇,切割出不稳定楔形体→爆破振动或重力作用下,错动带岩体塌方。该研究结果可为高应力地下交叉洞室错动带岩体的开挖、支护提供参考,同时对类似工程的施工具有重要借鉴意义。     

一种常见的岩体结构——板裂结构及其力学模型

岩体结构观念的提出对岩体工程地质和岩体力学的研究具有重要意义。岩体结构类型划分方案已经提出了许多,已有的岩体结构划分原则主要是岩体破碎程度。谷德振、孙玉科等曾提出过岩体结构基本单元是:结构面和结构体。1977年底谷德振教授曾提出过,碎碎带应作为一种岩体结构单元问题,没有引起人们的重视。     

直剪条件下非贯通节理岩体岩桥力学性质弱化机制及贯通模型初步研究

通过非贯通节理岩体直剪试验的力学特点和理论分析,修正了Lajtai岩桥张拉破坏理论。通过非贯通节理岩体直剪试验中岩桥的应力状态,提出岩桥内部的张拉破坏使岩桥力学性质发生弱化,并进一步分析研究了力学性质可能弱化的区域。分析非贯通节理岩体扩展贯通过程,提出了非贯通节理岩体的贯通破坏模式。通过非贯通节理岩体直剪试验初步验证了修正的岩桥张拉破坏理论和贯通破坏模式。     

基于量化GSI系统的破碎岩体应变软化行为研究

松软破碎岩体的复杂力学特性给深部开采工程带来一系列棘手的问题,深入研究破碎岩体峰后力学行为,对于深部巷道围岩稳定性分析及支护结构设计具有重要意义。基于量化GSI围岩评级系统及连续介质理论,建立了考虑围压影响的破碎岩体峰后应变软化力学模型。通过工程应用实例验证了数值模型的可靠性。研究结果表明：通过计算围岩与支护结构相互作用关系可知,理想弹塑性模型和应变软化模型所得计算结果差异较大,采用理想弹塑性模型进行支护设计,可能导致支护结构的安全性偏低,甚至失稳。现场应用结果表明：数值计算结果与现场实际情况吻合;提出的深部破碎岩体应变软化模型能够较为真实地反映破碎岩体的非线性破坏行为,可为硐室围岩稳定性分析及支护结构设计等提供新的思路。     

Damage Constitutive and Failure Prediction of Artificial Single-Joint Sandstone Based on Acoustic Emission

The effect law of deformation and failure of a jointed rock mass is essential for underground engineering safety and stability evaluation. In order to study the evolution mechanism and precursory characteristics of instability and failure of jointed rock masses, uniaxial compression and acoustic emission (AE) tests are conducted on sandstones with different joint dip angles. To simulate the mechanical behavior of the rock, a jointed rock mass damage constitutive model with AE characteristic parameters is created based on damage mechanics theory and taking into account the effect of rock mass structure and load coupling. To quantify the mechanism of rock instability, a cusp catastrophe model with AE characteristic parameters is created based on catastrophe theory. The results indicate that when the joint dip angle increases from 0° to 90°, the failure mechanism of sandstone shifts from tensile to shear, with 45° being the critical failure mode. Sandstone's compressive strength reduces initially and subsequently increases, resulting in a U-shaped distribution. The developed damage constitutive model's theoretical curve closely matches the test curve, indicating that the model can reasonably describe the damage evolution of sandstone. The cusp catastrophe model has a high forecast accuracy, and when combined with the damage constitutive model, the prediction accuracy can be increased further. The research results can provide theoretical guidance for the safety and stability evaluation of underground engineering.

     

层间软弱夹层发育的切向边坡失稳模式及稳定性研究

通过系统分析边坡工程地质条件及岩体结构,采用定性分析结合有限元模拟研究了边坡变形破坏模式,并采用块体理论及极限平衡法系统分析边坡局部及整体稳定性。结果表明,切向边坡的变形破坏模式可以分为两类:深层变形破坏为受层间软弱夹层空间展布特征控制的块体失稳,浅表层破坏为局部块体失稳及强风化强卸荷带岩体沿最大剪应力带的滑移-拉裂变形。稳定性分析结果认为边坡浅表层岩体稳定性差,但发生深层破坏的可能性较小。     

深部层状节理岩体分区破裂模型试验研究

随着地下工程开挖深度的增加,深部洞室围岩将产生不同于浅部洞室的分区破裂现象。为深入研究深部岩体分区破裂现象的形成机制和影响因素,以淮南矿区丁集煤矿的深部巷道为工程背景,利用模型相似材料和高地应力真三维加载模型试验系统,首次开展了带有软弱夹层的层状节理岩体的真三维地质力学模型试验。结果表明：（1）在满足一定应力条件下,带有软弱夹层的层状节理试验模型出现明显的分区破裂现象;（2）软弱夹层是影响层状节理岩体分区破裂现象的重要因素,在相同的应力条件下,软弱夹层使得巷道围岩的径向位移和应变明显增加;并且软弱夹层的间距越小,洞周破裂区的层数越多,范围越大;（3）洞周破裂区的形状近似为圆形,与是否存在软弱夹层及软弱夹层间距均无关。模型试验结果有效揭示了分区破裂的影响因素,为深入研究高地应力深部岩体的非线性变形破坏特征奠定了坚实的试验基础。     

山区隧道穿越韧性剪切带的地质条件探讨

研究了山区铁路隧道穿越脆韧性剪切带(断裂带)及与其次生的韧性剪切带时设计及施工围岩分级问题。从几何、小构造、运动形迹、组构特征、构造岩、糜棱岩、同变形变质及机械作用等方面探讨韧性剪切带特征,从宏观、微观、野外研究及测试、施工类比总结其围岩分级,对比韧性剪切带(脆韧性及韧脆性)与节理密集带内岩体的工程性质及工程设计的围岩分级的异同。确定了山区隧道通过韧性剪切带时应单独研究这种无明显破裂面围岩带的分级评价因素、评价结论和围岩分级原则,设计和施工需特别注意。可供构造带复杂山区类似工程参考。     

白鹤滩水电站左岸坝肩开挖边坡稳定性分析

白鹤滩水电站左岸坝基边坡地质构造错综复杂,坡内多条陡倾断层和顺坡向错动带是控制边坡稳定性的主要因素。结合现场地质资料、监测数据及勘察认识,利用通用离散元软件UDEC建立左岸边坡开挖变形分析模型。首先在无支护开挖工况下研究主要结构面F17、LS331、LS3319上下盘岩体关键点应力及位移变化,并指出潜在失稳破坏区;同时采用预应力锚索单元在不同施工时序下对潜在不稳定块体进行加固计算,对比研究了不同方案下左岸边坡的变形破坏机制和整体稳定性。计算结果和现场监测表明：左岸边坡变形破坏与结构面密切相关,在开挖卸荷作用下主要表现为沿错动带的压剪破坏和陡倾断层的张拉破坏,采用预应力锚索加固处理能够有效提高边坡稳定性,并且在开挖后及时跟进支护可以有效抑制边坡剪切变形。研究结果对白鹤滩左岸坝基边坡后续工程加固和施工工序具有一定的参考价值。     

梯度塑性理论及其在地质灾害预测研究中的应用

岩石结构稳定性问题是岩土工程实践中迫切需要解决的重要课题之一。文章以地震为例，讨论了地质灾害的局部化特征，介绍了经典弹、塑性理论的某些缺陷及梯度塑性理论的几点优越性：(1)控制方程总是适定的；(2)病态网格依赖性消失；(3)局部化带宽度由材料的内部长度完全确定；(4)可对岩石结构的尺寸效应及失稳回跳进行合理解释和预测；(5)对预测宏观及微观问题均比较有效。介绍了基于梯度塑性理论的岩石变形、破坏及稳定性研究进展。梯度塑性理论可用于研究单轴压缩条件下，岩石试件发生剪切破坏时全程应力一应变曲线、尺寸效应、剪切带倾角尺寸效应及失稳回跳等问题。它们对土木工程及岩土工程均十分重要。若将单轴压缩岩样比拟为矿柱，则该失稳判据即为矿柱岩爆准则。梯度塑性理论可用于研究韧性断层带内部应变、应变率分布规律、断层带错动位移及带内孔隙度分布规律，为韧性断层带定量分析提供了新的手段。此外，该理论还可对直剪试验机——岩样系统不稳定性进行分析，系统失稳可比拟为断层岩爆。发展基于梯度塑性理论尺度律及失稳判据等解析解一方面可加深对岩石变形、破坏的理解；另一方面。还可用来检验数值结果的正确性。