锦屏二级水电站大理岩复杂加卸载应力路径力学特性研究

地下洞室开挖围岩经历典型径向卸载、环向加载应力路径,由此引起的岩体强度、变形特征和破坏机制也不尽相同。针对锦屏二级水电站高地应力赋存环境,对施工排水洞大理岩开展常规单轴全应变、三轴压缩、卸围压、卸围压-加载轴压等4种不同应力路径力学试验,得到应力-应变全过程曲线、变形破坏特征和极限储能变化规律。试验研究结果表明, （1）锦屏二级水电站大理岩破坏时轴向应变一般较小,为硬脆性材料,卸荷应力路径下该脆性特征更为明显;（2）卸围压同时加载轴压试验峰值强度对应轴向应变、环向应变及体积应变值一般高于单纯的卸围压值,而对应峰值强度则一般低于卸围压值;（3）卸荷速率较大时,变形模量越大,大理岩峰值强度越低。加载速率越大,变形模量越小,峰值强度越高。初始围压越高,变形模量值越低,峰值强度越高;（4）无侧限作用时试件主要为张拉破坏,低侧限作用时为剪切破坏为主,局部存在张拉破坏,较高侧限时,剪切面为典型X或Y型;（5）岩石试件具有极限储能值,该值受多种因素的影响。一般情况下试件破坏对应围压越高,极限储能值越高,卸载速率越大,极限储能值越小。研究结果对于岩爆孕育发生机制解释以及工程实际问题的解决均有参考价值。     

砂质泥岩三轴卸荷流变力学特性试验研究

流变对工程岩体的长期变形稳定具有十分重要的影响,但目前关于卸荷流变的试验研究中通常只考虑恒轴压卸围压的应力路径,与隧洞开挖过程中围岩的应力调整过程存在一定的差距。以砂质泥岩为试验研究对象,设计进行了加轴压卸围压和恒轴压卸围压条件下的分级卸荷流变试验。试验结果表明：恒轴压卸围压和加轴压卸围压方案下岩样的流变变形趋势总体一致,但相同初始围压条件下,加轴压卸围压试样破坏的围压相对较高,偏应力相对较大,但长期强度与破坏应力的比值相对较小;在围压卸载至岩样临近破坏时,加轴压卸围压方案下岩样的流变应变增长速率明显较快,试样破坏的更加突然;恒轴压卸围压条件下岩样的破坏形态相对简单,一般只存在一条完整的剪切破坏面,而加轴压卸围压条件下岩样的破坏形态要复杂得多,除了控制性的剪切破坏面之外,还伴随有一定数量的次生剪裂纹和张拉裂纹,而且初始围压越大,试样的次生裂纹越多。因此,在隧洞围岩长期变形稳定分析过程中,单纯的恒轴压卸围压流变试验不能满足工程实际需求,应该尽量丰富岩石力学试验的应力路径,以便较好地模拟工程岩体应力的实际变化过程,研究成果为隧洞围岩的长期变形稳定性研究提供了较好的研究思路。     

盐岩三轴卸荷力学特性试验研究

结合金坛地下盐穴储气库工程,以腔体围岩实际受力状态为研究依据,进行了盐岩卸围压力学特性试验,得到了盐岩卸围压过程的应力-应变关系、变形特征及其规律。试验结果表明,在卸围压初始阶段,试样的轴向和径向应变增加相对缓慢,且应变值和围压基本呈线性,随着围压继续降低,轴向与径向应变值急剧增加;卸载曲线与加载曲线相比,在最大主应力 相等的条件下,当卸载围压达到与常规三轴压缩围压相对应值时,对应的轴向和径向应变值较三轴压缩时应变值要大,表明卸荷试验能引起试样更大的变形,卸荷产生的扩容量比加载时扩容量更大,更容易导致试样变形破坏;盐岩卸围压表现为塑性变形特征,与其他硬岩卸围压属脆性破坏有较大区别。研究结果对盐穴储气库工程的稳定性评价和注采气过程具有一定的指导意义和参考价值。     

锦屏大理岩卸荷本构模型与数值模拟研究

锦屏二级水电站深埋引水隧洞位于高地应力区,对取自隧洞内的大理岩进行常规三轴压缩试验、峰前卸围压试验。基于大理岩的峰前卸荷试验,研究峰前卸荷条件下岩石的变形、参数及破裂特征,建立峰前卸荷条件下岩石的幂函数型Mohr强度准则,给出数值仿真试验中大理岩的峰前卸载条件,利用有限差分程序FLAC3D建立了数值仿真模型,对模型进行了计算与分析,最后与室内试验结果对比,得到峰前卸荷状态下大理岩力学特性的相关规律。研究结果表明,幂函数型Mohr强度准则可较好地反映峰前卸荷条件下岩石的强度特性;卸围压初期,岩石试件呈现出明显的弹塑性特征;卸荷过程中岩石试件发生破坏时的峰值强度和围压降值随着围压增加而变大。研究结论揭示了锦屏大理岩卸载应力路径下的力学特性,具有一定的理论参考价值。     

复杂应力路径下大理岩三轴渗透试验研究

在隧道施工过程中,围岩的应力条件非常复杂,研究复杂应力路径下围岩渗透性能的变化规律对在高水压地区修建隧道具有重要意义。以锦屏水电枢纽二级电站交通辅助洞大理岩为研究对象,进行了常规三轴渗透试验与控制轴向应变（简称应变 ）、围压先升后降的三轴渗透试验,探讨了轴压与围压之差的绝对值 （简称应力差）与渗透率的关系。试验结果表明: (1)常规渗透试验大理岩渗透率的变化过程有3个重要的特征点：渗透率最低点、渗透率峰值点以及渗透率稳定点;(2)大理岩的渗透率随着应力差的增大而减小,两者呈负指数关系;(3)对某一固定的应力差,升围压阶段测得的渗透率大于降围压阶段测得的渗透率;(4)对任何试验岩样总存在一阈值,当应力差小于该值时,应力差的改变对渗透率有显著影响;(5)应力差减小过程中岩样渗透率的“恢复能力”随着岩样轴向应变的增大而逐渐减弱。     

三轴疲劳-卸围压条件下大理岩力学特性试验研究

为了揭示应力扰动和卸载围压作用下大理岩损伤破裂的物理过程和非线性力学行为,采用GCTS RTR-2000伺服加载岩石力学试验机进行了岩石疲劳卸围压试验,同时对破坏试样进行了压后裂纹形态CT扫描可视化分析。结果表明：周期性的加卸载作用对大理岩起到了主因损伤作用,卸围压的作用对大理岩起到了根本性的破坏作用。岩石疲劳循环形成滞回环,滞回环面积由疏变密,滞回环加载和卸载曲线接近重合,加卸载模量近似相等;岩石经过卸围压作用,岩石的轴向、径向和体积应变表现为不同程度增大,表明应变对围压降低具有强敏感性,敏感程度由高到低依次为体积应变、径向应变和轴向应变;由于疲劳循环的影响,卸围压作用产生的围压降幅随循环次数增多而降低,卸围压时长随循环次数增多而减少;量化宏观应变变形,求得应变损伤指数 、 、 ,疲劳循环次数越多,应变损伤指数越大;岩石破坏后细观CT扫描揭示了疲劳循环损伤对岩石破裂形态影响的内在机制。随疲劳循环次数的增加,裂纹密度和规模显著增加。研究成果可为地下工程疲劳活动规律和开挖卸荷问题提供理论和模型支撑。     

三轴疲劳-卸围压条件下大理岩力学特性试验研究

为了揭示应力扰动和卸载围压作用下大理岩损伤破裂的物理过程和非线性力学行为,采用GCTS RTR-2000伺服加载岩石力学试验机进行了岩石疲劳卸围压试验,同时对破坏试样进行了压后裂纹形态CT扫描可视化分析。结果表明：周期性的加卸载作用对大理岩起到了主因损伤作用,卸围压的作用对大理岩起到了根本性的破坏作用。岩石疲劳循环形成滞回环,滞回环面积由疏变密,滞回环加载和卸载曲线接近重合,加卸载模量近似相等;岩石经过卸围压作用,岩石的轴向、径向和体积应变表现为不同程度增大,表明应变对围压降低具有强敏感性,敏感程度由高到低依次为体积应变、径向应变和轴向应变;由于疲劳循环的影响,卸围压作用产生的围压降幅随循环次数增多而降低,卸围压时长随循环次数增多而减少;量化宏观应变变形,求得应变损伤指数Da,Dr和Dv,疲劳循环次数越多,应变损伤指数越大;岩石破坏后细观CT扫描揭示了疲劳循环损伤对岩石破裂形态影响的内在机制,随疲劳循环次数的增加裂纹密度和规模显著增加。研究成果可为地下工程疲劳活动规律和开挖卸荷问题提供理论和模型支撑。     

基于裂纹体应变的深埋大理岩加、卸荷破坏机制研究

为了弄清深埋硬岩的加、卸荷破坏机制,系统开展了深埋大理岩的常规三轴试验、保持 不变的卸围压试验和变 的卸围压试验等。以裂纹体应变为主要分析变量,结合体应变、等效塑性应变等参量深入分析上述不同应力路径下硬岩的破坏过程。运用裂纹体应变-轴向应变曲线、等效塑性应变-轴向应变曲线和轴向应力-应变曲线来解释岩石破坏过程所产生的现象与规律。结果表明：在裂纹闭合阶段岩样裂纹闭合的变化程度（裂纹体应变改变的大小）可以反映岩石的初始损伤程度;裂纹闭合阶段对岩石弹性模量的计算有重要的影响,需要根据合适的阶段划分,消除裂纹闭合阶段对弹性模量计算的影响,进而得到较为准确的弹性模量;在卸围压点处岩石的可闭合程度突然增加,裂纹体应变-轴向应变曲线发生突变;岩石卸荷破坏过程中裂纹扩展存在滞后性。研究成果有助于进一步理解深埋硬岩的加、卸荷破坏过程和机制,为深埋隧洞的灾害防治提供理论依据。     

脆性岩石卸围压强度特性试验研究

岩样的承载能力由材料强度和围压共同确定,轴向压缩和卸围压二者都能导致岩样破坏,但由于应力路径不同,两种条件导致岩样的破坏过程并不相同。对取自位于雅砻江上的锦屏二级水电站辅助洞内的白山组大理岩进行了常规三轴试验和峰前、峰后卸围压试验,通过对试验曲线和岩样破坏特征的分析表明：无论是峰前还是峰后卸围压,岩样都表现出脆性破坏的特征,而岩样破坏表现出的脆性峰前卸围压比峰后卸围压更为强烈;岩样在加、卸载条件下的变形均随主应力差的增大而增大,但在相同的主应力差下,卸载产生的扩容量比加载的扩容量更大;峰前卸围压试验当围压卸到初始围压值的60 %左右时,岩样发生破坏;峰后卸围压试验当围压卸到初始围压值的80 %左右时,岩样发生破坏。结论对相关工程稳定性分析、设计和施工具有一定的指导意义和参考价值。     

两种应力路径下无烟煤的变形破坏特征及能量分析

煤矿井下巷道开挖及采煤是一个卸围压过程,与常规三轴压缩试验相比,煤岩在卸围压时表现出不同的力学性质。通过对常规三轴和卸围压两种应力路径下的试验研究发现,无论是常规三轴还是卸围压试验,高围压均导致煤样更大的应变和更强烈的破坏。在初始围压相同的情况下,与常规三轴试验相比,卸围压试验中峰值点割线模量较小、割线泊松比较大;煤样在卸围压时的破坏更强烈,侧向应变较大,而轴向应变差别不大。通过卸围压效应系数分析发现,初始围压越高和卸围压速率越大,煤样的卸围压效应系数越小,越易失稳破坏,与高围压下割线模量降低相一致。对常规三轴和卸围压试验中无烟煤破坏过程的能量变化分析结果表明,卸围压速率越快,煤样的极限储存能Up越小,煤样越易失稳破坏,验证了卸围压效应系数分析结果。高围压下常规三轴试验和卸围压试验中煤样的破坏需要更多的能量,揭示了高围压下煤样变形破坏强烈的多的原因。     

锦屏电站深埋隧洞大理岩卸荷力学特性试验研究

利用MTS 815.04电液压伺服可控制刚性试验机,对取自四川凉山雅砻江大河湾锦屏二级水电站的大理岩试样进行了不同方式的卸荷试验。试验结果表明：在保持主应力差不变的卸荷试验中,随着围压降低,轴向应变先降低后又增大,而弹性模量先增大,后又突然降低;在保持轴向位移不变的卸荷试验中,随着围压的降低,试样的弹性模量先增大,达到峰值后开始降低,而轴向应力则不断降低;在保持主应力和不变的卸荷试验中得到泊松比大于由常规三轴试验得到的泊松比,但两者的强度值相差不大。     

不同初始损伤下大理岩卸荷的核磁共振试验研究

为研究不同初始损伤下大理岩的卸荷特性,开展相同初始围压、不同初始轴压的常规三轴加-卸载试验,并进行加-卸载后岩样的核磁共振（NMR）特性试验研究,得到岩样孔隙度、应变、核磁共振图像及T2谱分布等参量。结果表明：（1）随着卸荷的进行,岩样孔隙度增大,且当初始轴压为三轴抗压强度（TCS）的90%时,其卸荷过程比80%与70%时更加平稳;（2）初始损伤可以有效促进应变的增大,尤其对环向扩容效应影响显著,同时应变的增长能促进裂隙的发育;（3）初始损伤较小时,岩样经历弹性变形到塑性变形的转化,岩石的T2图谱中小孔隙谱峰先向左移,后向右移,大孔隙谱峰不断向右扩展,反映了卸荷初期产生新的小孔隙,卸荷后期主要是大、小裂隙的扩展、贯通。当初始损伤较大时,T2图谱只向右扩展,反映岩样以扩展大孔隙为主,岩样只经历塑性变形;（4）初始损伤越大,相同卸荷围压比的核磁共振图像白斑亮度和面积越大,岩样的孔隙度就越大。     

高地应力区砂岩在卸荷条件下的变形参数劣化试验研究

以锦屏某高边坡砂岩所赋存的高地应力环境为基础,开展峰前卸围压力学特性试验,研究了应力-应变全过程曲线、变形特征及参数劣化效应。试验结果表明,相对于加载试验,岩样卸荷破坏表现出明显的脆性特征,相同初始围压下卸荷破坏所需偏应力较加载试验少;卸荷过程横向应变和体积应变急剧增大,卸荷方向表现出明显的扩容特征;当初始围压小于某一值（30 MPa）,岩样破坏所需卸荷量随初始围压增大而增大,当初始围压达到一定值（40 MPa时）,脆性特征更加明显,很少的卸荷量即可引起岩样破坏。以表征岩石卸荷程度的卸荷量H为参变量,分别对高、低围压下卸荷过程中变形参数（变形模量和泊松比）随卸荷量变化关系进行拟合,得到高、低地应力区卸荷过程中变形劣化参数的关系式。试验结果和计算方法对高应力区边坡开挖的稳定性评价具有一定指导意义。     

不同卸荷速率下岩石强度特性研究

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。卸荷试验中影响岩石强度的因素很多,包括岩性、卸荷点的位置、卸荷应力路径和卸荷速率等,以锦屏大理岩为对象,重点研究卸荷速率对强度的影响。提出用屈服接近速率来统一表征加荷和卸荷下的应力增加或减小的速率,通过比较加荷和卸荷条件下的屈服接近速率表明,当围压卸荷速率为常规试验轴向应力加荷速率的0.2～0.3倍时,两种应力路径下接近破坏时的屈服接近速率相当。通过2D弹塑性细胞自动机的数值试验和大理岩的室内卸围压试验来验证理论分析的结果,表明:围压卸荷速率越大,岩样的强度就越高;当卸荷速率为常规轴向加荷速率的0.2～0.3倍时,卸荷和加荷路径下的强度相当。从而得出结论:对于各种卸荷应力路径,如果卸荷点处于弹性范围内,当接近破坏时的屈服接近速率一定时,应力路径对强度的影响不明显。