锦屏水电站引水隧洞大理岩卸荷变形特性试验

锦屏水电站属于国家重大工程。其引水隧洞洞线长、洞径大、埋深大,围岩岩性组合复杂,断裂构造发育,特别是该区为高地应力区。隧洞的开挖过程,就是围岩的卸荷过程。通过对大理岩在保持轴向应力不变的条件下的卸围压试验的分析,讨论了卸围压时围压与弹性模量、泊松比、轴向应变的关系,得出了卸围压时大理岩的轴向变形呈非线性特性的结论。     

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。     

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。     

深埋大理岩力学特性对岩爆发生条件的影响分析

岩爆作为深埋地下工程围岩的一种破坏方式,其发生条件受多种因素的制约。根据在锦屏二级深埋隧洞掘进过程中的岩爆统计结果,即使应力条件和岩体强度达到一定的要求,岩爆发生与否以及剧烈程度还与岩体力学特性有密切的联系。锦屏二级深埋隧洞沿线以大理岩为主,为此开展了大理岩力学特性与岩爆发生关系的相关研究工作。根据大理岩三轴压缩试验结果,验证了大理岩的脆-延-塑转化特性,确定了锦屏白山组大理岩的转化围压和相关的Hoek-Brown强度参数,并利用经验的方法初步评价了锦屏深埋大理岩的岩爆风险。为了进一步明确岩体力学特性对岩爆风险的影响,利用现场实际的岩爆破坏形态,通过考察不同深度处测点的应力路径,校核了现场岩体的力学参数。在此基础上分析了具有岩爆风险的围岩力学状态,分别研究了岩石强度、岩体完整性和岩体脆性特征对岩爆发生条件的影响。研究结果表明,锦屏大理岩岩石强度和脆性特征可以影响到锦屏深埋隧洞围岩岩爆风险程度,但其影响相对较小,而岩体完整性对岩爆风险形成具有比较明显的影响。     

大理岩弹性参数的围压效应与弹塑性耦合模型

以锦屏二级水电站 和 深埋大理岩循环加、卸载试验结果为基础,对不同围压下大理岩弹性参数的演化规律进行研究,得出其弹性模量随围压和内变量的变化显著,而泊松比随围压则变化不明显。基于试验结果确定了锦屏大理岩弹性模量与围压和内变量的定量关系,建立了考虑弹性参数围压效应的大理岩弹塑性耦合模型,并在有限差分软件FLAC3D中进行了数值实现,用于模拟分析大理岩室内三轴压缩试验结果,并将模拟结果与不考虑弹性参数围压效应的计算结果进行对比,结果表明：考虑大理岩弹性参数围压效应的数值模拟与试验结果更吻合。研究方法和结果对于提高深部工程围岩（特别是具有小变形破坏特性的硬脆性围岩）变形计算的准确性具有重要的参考价值和借鉴意义。     

高水压条件下大理岩破坏机理试验研究

锦屏二级水电站深埋隧洞中大理岩洞段处于高水压力和高应力环境中, 该段在施工过程中多次发生严重突水灾害。对该段大理岩的高水压条件岩石力学试验表明, 高水压条件下, 岩石应力-应变曲线在峰值应力附近出现明显平缓段, 应力降大, 岩石峰值强度及脆性破坏后破碎程度随水压力升高而升高, 岩石试件以压致拉裂破坏为主。基于高水压条件下裂纹周边应力解析分析, 认为裂隙中高水压力存在降低了裂隙尖端附近高应力集中效应, 与加载方向一定小夹角范围内的微裂隙尖端附近最大拉应力集中程度接近, 这使得岩石中应变能可进一步积累、压致拉裂型微裂隙数量进一步增加, 岩石呈脆性破坏, 并且破碎程度明显增加。研究工作对深埋隧洞突水灾害防治及强降雨诱发高速滑坡灾害预防具有重要的理论和现实意义。     

大理岩常规三轴压缩下强度和变形特性的试验研究

通过在伺服试验机上对中、粗颗粒大理岩进行常规三轴试验,基于试验结果,研究了两种颗粒大理岩的强度和变形特性。结果表明,低围压时岩样内部材料并未均匀化,岩石表现为应变软化特性;而高围压时岩样内部材料强度由低到高逐渐屈服,变形趋于均匀,岩石出现塑性流动特性。岩石的峰值应变与围压显著成正线性关系;中颗粒和粗颗粒岩样之间确实存在差异,但内摩擦系数可以表征材料力学性质,与粒径没有关系;岩石残余强度对围压的敏感性显著高于峰值强度。     

三轴及循环加卸载应力路径下深埋硬岩变形破坏特征试验研究

硬岩应力型脆性破坏对高应力地下工程围岩稳定构成严重威胁。为研究深埋花岗岩在高围压循环加卸载下的变形破坏特征,采用MTS815电液伺服岩石试验系统对某水电站地下洞室群花岗岩进行了10、30、40、50 MPa围压下的常规三轴及循环加卸载试验,得到相应的应力-应变曲线及变形破坏特征。研究结果表明:(1)不同围压下两种应力路径花岗岩试样均呈现明显的脆性破坏特征;(2)两种应力路径下,试样峰值强度、裂纹损伤应力随围压线性增大;弹性模量、起裂应力随围压先增大后减小;泊松比随围压先增大后保持不变或减小;(3)同等围压下循环加卸载的试样峰值强度、起裂应力、裂纹损伤应力和泊松比总体上大于常规三轴下的量值,卸荷弹性模量小于常规三轴下的弹性模量;(4)两种应力路径下试样的宏观破坏均以剪切破坏为主。研究揭示的花岗岩试样变形破坏规律对深埋地下工程围岩稳定的岩体力学模型选择、力学参数随损伤变量演化规律以及围岩支护对策的制定均具有显著的参考价值。     

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。     

冻融循环条件下粗砂岩物理力学性质变化规律

岩体经受自然冻融循环过程后,其物理力学性质的劣化是引起岩石工程灾害的主要原因。借助于MTS815液伺服岩石试验系统对经历不同冻融循环次数的粗砂岩进行三轴压缩试验,研究经历不同冻融循环次数后岩石在不同围压下的强度和变形特性,分析冻融循环次数和围压对岩石强度和变形的影响规律。研究结果表明,在冻融循环次数一定的条件下,随着围压的增加,岩石的三轴抗压强度、弹性模量和峰值轴向应变逐渐增加,表明粗砂岩的破坏逐渐由脆性破坏向塑形破坏变化;在围压相同的情况下,随着冻融循环次数的增加,岩石的三轴抗压强度、弹性模量逐渐减小,峰值应力对应的轴向应变逐渐增加;随着冻融循环次数的增加,粗砂岩的黏聚力均呈指数衰减形式降低,内摩擦角变化很小。      

遇水冷却的高温大理岩力学与波动特性分析

岩石经历高温作用冷却后工程特性的变化情况,直接影响着地下深部空间及资源的开发与利用、核废料的存储以及突发性高温灾害后地下工程的稳定性评价。以大理岩为研究对象,对遇水冷却和自然冷却后的高温岩样进行单轴压缩试验和声波测试,分析和比较岩样在不同状态下峰值强度、弹性模量、衰减系数、纵波波速和主频的变化情况。结果表明：随着温度的不断升高,遇水冷却高温大理岩的峰值强度、弹性模量和纵波波速总体上均呈现减小趋势;低于400 ℃时,随着温度的升高,衰减系数逐渐增大,主频逐渐减小;但高于400 ℃时,随着温度的升高,衰减系数和主频并未完全呈现单调递增或递减趋势,出现了高温拐点;在经历相同高温作用后,遇水冷却大理岩的峰值强度、弹性模量和主频均低于自然冷却,而纵波波速、衰减系数均高于自然冷却。研究结果可以为遇水冷却的高温岩石工程性状的检测和稳定性的评价提供参考,对经历高温作用的岩石冷却方式的选择具有指导意义。     

花岗岩力学特性的温度效应试验研究

通过实时高温（常温～850 ℃）加载和高温（常温～1 200 ℃）后冷却再加载两种情况下的单轴压缩试验,对不同高温下花岗岩的力学性质进行了研究,分析了两种情况下单轴抗压强度、弹性模量、纵波波速、剪切滑移应变等随温度的变化规律,并研究了热-力耦合效应。研究结果表明：（1）在实时高温加载作用下单轴抗压强度和弹性模量随着温度升高而发生连续劣化;（2）高温作用冷却后再加载,花岗岩在常温～600 ℃区间峰值强度变化不大,800 ℃左右岩样强度突然降低;（3）纵波波速随加热温度的升高而逐渐降低;（4）剪切滑移应变在800 ℃之前相对较小,且变化不大,之后便迅速增大,表现出明显的塑性;（5）提出了热-力耦合因子的概念,并借助其提出了一维非线性热-力耦合本构模型,模型曲线和试验曲线较吻合。     

温度对煤系泥岩力学特征影响的试验研究

利用RMT-150B岩石力学试验系统和GD-65/150高低温环境箱,对经历不同温度后煤系泥岩的力学特性进行试验研究,分析不同温度下煤系泥岩的应力-应变全过程曲线、峰值应力、峰值应变、弹性模量、变形模量以及泊松比受温度的影响。研究结果表明,不同温度下泥岩的力学特性有差异。随温度的升高,其峰值应力、峰值应变有不同程度的降低,其峰值应力从25℃时的9.153 MPa下降到55℃时的8.271 MPa,降幅为9.6%;峰值应变从25℃时的11.002×10-3下降到55℃时的8.249×10-3,降幅达25.0%。弹性模量随温度的升高逐渐减小,变形模量随温度的升高而增大,泊松比随温度的升高逐渐减小,由此得到各参数变量随温度的变化关系。研究成果可为深井高温软岩巷道的围岩控制提供理论基础。     

水压-应力耦合作用下灰岩力学特性试验

为探究富水饱和灰岩体在水压-应力耦合作用下的力学特性，利用自主研发的可实现单轴压缩的渗透试验装置对不同水压强度下的灰岩试样进行压缩破坏试验，测试灰岩应力-应变特性，分析水压对单轴抗压强度、弹性模量、变形模量的影响，灰岩破碎特性与水压强度相关性以及孔隙变化规律。研究表明:增加的水压强度对灰岩应力-应变和强度特性有显著的影响。随着水压强度增大，应力-应变曲线的压密阶段相对延长而弹性相对缩短，峰值强度呈指数减小而弹性模量和变形模量均呈线性下降，表明水压作用显著降低了灰岩脆性。另外，灰岩弹性模量、变形模量均与峰值强度呈线性关系。增大的水压强度对灰岩宏观断裂具有显著影响而未对其破坏类型造成影响，随水压强度增加，碎块均一系数和单位质量孔隙体积均呈指数函数增加。研究成果为隧道建设中富水岩体的开挖稳定性分析提供参考。      

大理岩单轴压缩时滞性破坏的试验研究

在深埋地下岩石工程开挖过程中,岩爆是多发的工程灾害,且大多表现出明显的时滞性,即大部分岩爆并不是随开挖而即时发生,而是会滞后开挖一段时间。针对深埋地下岩石工程围岩发生时滞性岩爆的实际应力特征,开展了锦屏二级水电站大理岩单轴压缩时滞性破坏试验研究。试验结果表明：在应力峰值前的长时间单轴压缩作用下,硬脆性大理岩的破坏表现出明显的时滞性;大理岩岩样在时滞性压缩破坏过程中会产生大量的竖向裂纹,破坏时会产生大量的片状破裂碎屑;岩样发生时滞性破坏时的环向应变不仅大于自身的轴向应变,而且也大于其常规单轴压缩破坏时的环向应变;当环向应变接近或超过轴向应变时,大理岩发生剧烈脆性破坏的可能性将明显提高。研究结论对于深入认识岩爆的时滞性机制以及建立时滞性岩爆的预测方法具有重要的意义和启示。