西南某电站河床坝基开挖卸荷条件下变形破坏的数值分析

西南某电站河床坝基开挖过程中,在河床底部出现大量表征岩体卸荷的变形破坏现象。开挖卸荷深度与卸荷强度成为大坝建设及其长期稳定性的关键问题。采用三维有限差分程序FLAC3D,分析开挖卸荷条件下坝基岩体变形破坏特征。结合现场卸荷裂隙现象调查资料,综合确定出所研究的河床坝基开挖卸荷影响深度及强度。为坝基综合治理提供必要的参考信息,也为今后此类中等地应力边坡开挖卸荷分析储备可以借鉴的资料。     

卸荷条件下高边坡大规模开挖的“地质-力学”响应研究——以西藏如美水电站右坝肩为例

以西藏如美水电站近700 m开挖边坡为例,通过现场卸荷的详细调查,对复杂地质条件下的岩质高边坡大规模开挖离散元模拟的变形响应进行了研究,得出此类边坡在卸荷条件下开挖后的变形响应过程、基本规律及地质-力学模式。模拟结果表明:高边坡大规模开挖之后,边坡的变形与开挖部位具有较强的联系,开挖面上部往往变形较大;边坡主要以浅表部碎裂岩体及深部的“滑移-拉裂”地质-力学响应为主导模式;边坡变形与开挖之后岩石卸荷有必然联系。随着开挖的继续,随着开挖面越来越远,坡体下部变形逐渐衰减,变形主要向开挖面上部累积,最终趋于稳定的响应特征。     

黄土路堑边坡变形破坏机理的三轴试验研究

通过原状黄土的减压三轴压缩试验,研究了黄土边坡不同深度不同含水量土体的应力-应变关系,并与原状黄土的常规三轴试验结果进行了比较,发现减压三轴试验能合理地模拟和解释开挖卸荷作用下黄土边坡土体的变形与破坏过程。试验结果表明:坡脚开挖卸荷时,黄土边坡中浅层非饱和黄土易出现应变软化或塑性流动,强度较低,易产生较大变形,而深层饱和黄土仅在高围压下发生应变硬化,强度增加,在中低围压时均发生应变软化现象。分析认为黄土边坡特殊的工程地质条件,使得黄土边坡的特定部位在开挖卸荷作用下常形成了不利于土体稳定的含水量和围压组合,导致坡体特定部位的土体变形破坏,进而诱发边坡的变形破坏;开挖卸荷作用下黄土边坡变形破坏的力学机制应为蠕滑-压致拉裂或牵引式滑坡。     

峰前卸荷对节理岩体力学特性影响试验研究

实际工程中,岩体的应力变化状态非常复杂,并不只是简单的加载或者卸荷,如水利工程中的大坝,当坝基开挖时其力学条件主要表现为开挖方向的卸荷(其他方向有可能卸荷,也有可能加载),而坝体修筑以后,力学条件又主要表现为加载。因此,对卸荷损伤后的岩体再次加载时的力学性质进行研究具有十分重要的工程意义。通过三轴卸荷及卸荷损伤后加载破坏试验,研究了不同围压下,含断续预制节理岩体经过不同程度卸荷损伤后再次加载时的力学特性。研究结果表明:围压对于含断续节理岩体变形模量影响不明显,岩体弹性模量与围压没有明显关系,相同围压下节理岩体弹性模量和变形模量均显著低于完整岩体:节理岩样峰值应变随着围压的增大线性增大,二者之间有较好的相关性,相比于完整岩样,节理岩体峰值应变随围压增大增长更快:围压越低,卸荷对岩体强度的影响越大,随着围压增加,卸荷量不同造成岩样的损伤差异逐渐减小。     

小湾水电站低高程坝基开挖卸荷松弛机理试验研究

小湾电站低高程坝基开挖过程中,表层岩体卸荷松弛强烈,主要形式有沿已有裂隙地错动、张开和扩展,及因新生破裂而松弛。后者主要包括:葱皮现象、板裂现象和岩爆现象。试验测试表明,开挖面附近微新岩石为坚硬极坚硬岩石,但其初始损伤明显,其损伤发展启动应力在5.2~12.4MPa之间,抗拉强度在3~6MPa之间,这是坝基表层岩体卸荷松弛强烈的物质基础;坝基面爆破开挖的应力集中和爆炸作用影响是坝基岩体卸荷松弛强烈的岩石力学环境条件。     

开挖卸荷对砂岩力学特性影响试验研究

卸荷作用广泛存在于人类的工程活动和地质作用过程中,岩体在卸荷条件下的力学特性研究一直是工程界探讨的热点问题之一。根据实际边坡工程开挖后应力变化状态确定试验方案,进行了砂岩三轴卸荷破坏试验,研究了卸荷状态下岩体的应力应变特征、破坏特征及力学参数变化规律,并与加载破坏试验数据进行了对比分析。试验结果表明,卸荷破坏时岩样变形模量随着卸荷量的增加可降低5%～42%左右,二者之间的关系可用指数函数拟合;卸荷破坏时岩体的峰值应变随围压线性增长,残余应变与围压无明显关系;相比于加载破坏,卸荷破坏时岩体凝聚力c值降低了4%左右,内摩擦角? 增加了12%左右;卸荷速率对岩样强度和变形参数有较大影响;卸荷条件下岩体破坏具有沿卸荷方向强烈扩容特征,主要表现为张剪破坏,并伴随有环向裂纹,初始围压越高,卸荷程度越强烈,岩体的破碎程度越高。     

基于开挖卸荷劣化的边坡岩体宏观力学参数USMR分析评价方法及验证

为研究锦屏某边坡岩体在开挖卸荷条件下的岩体宏观力学参数,对该区砂岩进行室内卸荷试验研究,结果表明：相对于加载试验,卸荷过程中岩样的强度及变形参数发生了劣化,低、高围压下岩石变形及破裂形式也有所不同。为此,在对SMR及CSMR修正的基础上,提出了考虑开挖方式、边坡形态及卸荷损伤的边坡卸荷岩体的评价体系USMR法。基于USMR法对研究区边坡开挖岩体宏观参数（变形模量Em、岩体抗压强度 、岩体抗拉强度 、岩体抗剪强度参数cm和 ）进行了动态分析,并分别考虑了不同围压 及卸荷损伤De条件下岩体参数的劣化规律。分析表明：开挖卸荷过程中岩体宏观参数发生了不同程度的劣化,拉应力区、低应力区和高应力区岩体参数的劣化规律有所不同,拉应力区及低应力区岩体力学参数对开挖卸荷更加敏感。研究结果对边坡开挖卸荷岩体的稳定性分析与评价具有一定指导意义。     

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。     

不同卸围压速率下煤样卸荷破坏能量演化特征

岩体破坏实际上是在能量驱动下的一种状态失稳现象,其变形破坏过程中的能量演化规律能够反映岩体变形破坏的本质特征。为探求煤样破坏过程中能量的演化规律,对其进行了常规三轴及不同卸围压速率的三轴卸围压试验。试验结果表明:不同试验路径下,煤样在峰值应力前以能量的存储及耗散为主,在峰值应力后以能量的释放及耗散为主;煤样在较高的卸围压速率下,卸荷段经历时间较短,内部裂纹扩展及环向变形不充分,耗散能和克服围压做功耗能都较小,大量的能量在破裂时释放出来,破裂更加剧烈;同时,卸围压速率越快,煤样在破裂前后损伤量增加速率越快,损伤曲线急剧增高,因此,高应力煤岩体在开挖卸荷时,在岩体开挖施工速度较快时,极易引起大量积聚能量的突然释放,造成严重的灾害。     

某水电站进水口高边坡开挖的变形响应研究

针对西南某大型水电站高达近106 m的人工进水口垂直高边坡,通过现场跟踪施工的地质调查工作,系统研究了复杂地质条件和高地应力环境下岩石高边坡大坡比、强开挖所表现的变形响应,揭示了此类边坡变形响应的基本规律及特殊表现。研究表明：高边坡开挖过程中,边坡的变形与开挖过程有较强的同步性。变形主要受开挖卸荷影响,随着开挖的进行,坡体的变形随开挖面的远离表现出总体衰减,最终稳定的响应特征。变形可归纳为3种性质,即浅表松弛型、协调渐变型和回弹错动型,总体以浅表松弛型为主等。     

开挖与支护应力路径下硬岩破坏过程的真三轴与声发射试验研究

针对硬岩的脆性破坏问题,利用真三轴和声发射（AE）试验系统研究了灰岩试样在不同应力路径和应力水平下的力学特征与变形破坏机理、AE活动特征及能量释放规律。试验研究表明：（1）开挖卸荷应力路径下,试样强度受卸荷作用影响较大,且随中间主应力呈区间性变化,试样以脆性劈裂破坏为主;（2）开挖卸荷+支护的应力路径下,支护力显著改善了岩石的力学性质,破坏形式以张剪性破坏为主;（3）试样AE活动过程可以分为三个活跃期（裂隙压密阶段、卸荷阶段和失稳-破坏阶段）和两个相对平静期（弹性变形阶段和微破裂稳定发展阶段）,AE信号表征参数“absolute energy”作为能量度量指标能够较好地定量描述和研究硬岩的脆性破坏过程。试验结果和许多工程开挖和支护过程中岩体的力学行为和支护作用类似,可为工程现场开挖支护设计提供试验依据和有益指导。     

近水平红层开挖边坡变形破坏特征

通过对四川盆地近水平红层公路建设中路堑边坡开挖病害的调查分析,归纳出近水平红层边坡开挖引起的主要变形破坏型式是堆积层滑坡、顺层座滑型滑坡、边坡拉裂变形、边坡岩体倾倒破坏,总结了近水平红层边坡的主要工程地质特征,提出边坡变形破坏的过程一般经历开挖卸荷变形、陡倾节理发展扩大、变形破坏形成三个阶段,并结合工程实例分析了其形成机理。     

某水电站左岸坝基岩体卸荷松弛特征与形成机制

坝基岩体稳定性是水电站建设过程中至关重要的问题,而坝基岩体卸荷松弛现象对其稳定性具有极大的影响作用。因此加强坝基卸荷松弛特征及机制的研究具有重要的工程实际意义。本文以某水电站左岸坝基为研究对象,通过现场调查、勘探,在查明了坝基卸荷松弛特征、影响因素的基础上,结合地质分析及数值模拟方法对坝基松弛机制进行了研究,结果表明该水电站左岸坝基卸荷松弛现象是由爆破作用所产生的瞬时调整以及开挖之后出现的时效性应力调整两者共同作用所导致的,为该坝基的稳定性预测及评价提供了依据。     

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。     

基于RFPA3D和微震监测的白鹤滩水电站左岸边坡稳定性分析

白鹤滩水电站左岸边坡受缓倾角软弱面及NW向断层影响,施工、运行期的边坡稳定性问题尤为重要。为研究左岸边坡在开挖卸荷过程中应力场、位移场分布规律,揭示岩体内部破坏失稳机制,利用RFPA3D（realistic failure process analysis）软件以拱轴线剖面为例建立准三维数值模型,再现坝基边坡岩体裂隙萌生、发育、扩展直至贯通的渐进损伤破坏过程。结合左岸边坡开挖卸荷及应力调整过程中的微震活动演化特征,圈定工程边坡潜在危险区域,探讨可能的失稳破坏模式。分析表明：基于离心加载法计算得到工程边坡开挖后安全系数为1.33;边坡表层区域受缓倾角错动带控制,变形破坏最为明显,以小范围楔形体滑移为主。该研究结果可为白鹤滩水电站坝基边坡后期施工提供依据,对于类似岩质边坡工程施工具有一定的指导作用。     

西南某水电站层状建基岩体松弛特征研究

建基岩体开挖松弛及其形成的松弛带是水利水电工程中一种常见的现象,对建基岩体的岩体质量有重要的影响。建基岩体在开挖后必然产生新的爆破裂隙,同时伴随开挖卸荷、应力的释放,尽管岩体并未发生进一步风化,但因岩体发生松弛、卸荷,在浅表部形成松弛带,因此,确定松弛带厚度及其分布,更有效地对松弛、卸荷岩体进行处理具有重要的工程实际意义。本文在现场地质环境条件调查、原位声波测试及室内综合分析的基础上详细地对一重力坝层状建基岩体的松弛带厚度及其特征进行了研究,并分析了建基岩体产生深部松弛的原因,在此基础上分析了对建基岩体工程特性的影响,其成果对类似工程的坝基开挖实践具有指导作用。     

西南某水电站层状建基岩体松弛特征研究

建基岩体开挖松弛及其形成的松弛带是水利水电工程中一种常见的现象,对建基岩体的岩体质量有重要的影响。建基岩体在开挖后必然产生新的爆破裂隙,同时伴随开挖卸荷、应力的释放,尽管岩体并未发生进一步风化,但因岩体发生松弛、卸荷,在浅表部形成松弛带,因此,确定松弛带厚度及其分布,更有效地对松弛、卸荷岩体进行处理具有重要的工程实际意义。本文在现场地质环境条件调查、原位声波测试及室内综合分析的基础上详细地对一重力坝层状建基岩体的松弛带厚度及其特征进行了研究,并分析了建基岩体产生深部松弛的原因,在此基础上分析了对建基岩体工程特性的影响,其成果对类似工程的坝基开挖实践具有指导作用。     

卸荷条件下花岗岩力学特性分析

岩体工程中的开挖会不可避免地与岩体卸荷相关联。以花岗岩为试验材料,通过室内试验研究线性卸荷条件下花岗岩的破裂特征,其表现为径向快速扩容及塑性特征的增强。在室内试验的基础上,基于PFC(particle flow code)颗粒流程序,采用平节理模型FJM(flat joint model)模拟花岗岩卸荷条件下的力学特性。鉴于实际工程中岩体的开挖大部分为非线性卸荷,文中运用一种新的“应力/时步”卸荷方式,能够方便地完成非线性卸荷的模拟。数值模拟结果表明,在加轴压卸围压的条件下花岗岩试样损伤严重,承载能力急剧下降,无残余强度,随着初始围压的增加,破坏形式由劈裂过渡为剪切破坏,卸荷速度越快,裂纹扩展越慢。研究结果可为岩石卸荷条件下的力学行为分析以及实际工程提供借鉴。     

三峡库区平缓层状软硬相间斜坡变形模式变化分析

三峡库区发育大量软硬相间斜坡岩体,其变形机制复杂多变。以涪陵岩上危岩体为例,分析塑流-拉裂型斜坡的变形控制因素为厚层软基;以云阳云江路高边坡为例,分析压致-拉裂型斜坡的变形控制因素为薄夹层。采用应力分析的方法,对两种类型的岩体破坏进行了分析。塑流-拉裂型斜坡岩体以岩石的拉张破坏为主;滑移-压致拉裂型斜坡岩体以岩石的压张破坏为主。两种模式在结构上的差别为软岩厚度的差别。以巫山望霞危岩体为例说明,当软岩厚度处于相间位置时,其变形模式为复合模式。因此斜坡内部的岩体结构类型与斜坡变形破坏地质力学模式有着密切关系,斜坡结构变化则变形模式相应变化,其模式可能为过渡的复合式。这一认识对判断单个平缓软硬相间斜坡的变形问题具有积极的指导意义。     

区域非稳定动力学环境下的岩体松动效应

区域非稳定动力学环境下,长期的构造变形、重力卸荷以及地震动力作用的共同影响,可以导致岩体发生大范围变形、松动。松动岩体内发育大量的软弱结构面,且表现出整体破碎、松弛严重、透水强烈,张性节理裂隙发育、地表裂缝较发育、岩体地震动力破坏信息反映明显等特征。岩体的变形松动可以分为卸荷变形松动、倾倒变形松动、顺层滑移松动、断层控制松动、节理裂隙控制松动等5种模式。岩体的物理振动试验结果表明,地震动力是造成岩体松动的主因。数值模拟结果表明,在单纯自重应力影响作用下,松动岩体不会出现大面积的失稳破坏现象,但在地震动力作用下,松动岩体会发生大面积屈服破坏。