软硬相间层状复杂岩体综合变形模量原位试验研究

某拟建大型电站坝基岩体为一套河湖相沉积岩,包含了砾岩、砂岩、粉砂岩和泥岩等多种岩性岩体。不同岩体变形参数各异,常规变形试验只能获得单一岩性岩体的变形模量,而这种软硬相间层状复杂岩体的综合变形模量是与单一岩性岩体变形模量、岩层倾角、岩层厚度多个因素相关的,如何通过试验获得这种复杂组合岩体的综合变形模量是一个重要问题。本文首先对坝址区不同岩性所占的比例进行了详细的统计,获得砂岩、粉砂岩和泥岩的厚度比为6:2.5:1.5,根据这一统计结果在坝轴线附近选择含有砂岩、粉砂岩和泥岩三种岩体的大型变形试验区,将承压板尺寸设定为200cm37cm,承压板就能同时覆盖砂岩、粉砂岩和泥岩三种岩体,且将其厚度比确定为6:2.5:1.5。通过在承压板上施加大荷载（250余吨）将应力传至下部多层岩体,从而获得软硬相间层状复杂岩体的综合变形模量。试验结果表明坝基弱下风化岩体的综合变形模量可达到7.0GPa,已经满足筑坝的要求。通过原位试验成功地论证了坝基岩体综合变形模量量值的问题。      

沉积结构面及其对岩体力学性质的影响

基于沉积结构面的成因类型,通过理论分析和实验研究,分析了沉积结构面的变形与破坏特征,研究了沉积结构面力学特征及其力学效应,提出了弱面型层理、层系或层系组界面和岩层面以及不整合面均为沉积构造弱面,这些弱面对沉积岩体力学性质产生重要的影响。分析了沉积岩体沿层面方向和垂直层面方向岩体力学性质的差异性。研究表明,垂直层面方向的纵波速度和弹性模量要比平行层面方向低;平行层面方向的抗拉强度要大于垂直层面方向;而平行层面方向的抗压强度与凝聚力小于垂直层面方向。沉积岩体易于产生垂直于结构面方向的张性破坏和沿结构面方向的剪切破坏,在采动影响下顶板岩体易于沿岩层层面产生离层破坏现象,这进一步揭示了沉积结构面变形与破坏机制。      

贵州鱼简河水库拱坝地基软硬互层岩体等效弹性模量的试验研究

软硬互层岩体弹性模量的大小对贵州省鱼简河水库拱坝的优化设计具有举足轻重的作用。对坝址区泥岩与泥质白云岩的弹性模量进行了现场承压板试验,试验所得弹性模量为塑性松动圈的弹性模量,利用GSI法可求出比较符合实际的弹性模量。在以上试验成果的基础上,根据泥岩与泥质白云岩的实际厚度,建立了岩体结构模型,并考虑岩体应力状态,利用ANSYS软件对复合层状岩体进行了三轴压缩试验的计算机模拟。结果表明:复合层状岩体平行层面与垂直层面方向的等效弹性模量分别为2.57~3.93 MPa与0.48~2.99 MPa。研究成果为拱坝的优化设计提供了技术依据。     

基于参数劣化的软硬相间顺层边坡稳定性研究

三峡库区侏罗系地层具有独特的软硬相间的岩性组合和结构特征,侏罗系砂泥岩软硬相间地层是该地区典型的易滑地层,是滑坡集中发育的地层之一,也是三峡库区滑坡防治工作中的重点区域。为深入研究软硬相间层状岩质边坡的稳定性,通过对理论概化模型的分析,构建了软硬相间顺层岩质边坡的参数劣化计算模型。考虑风化作用对岩体结构面抗剪强度参数劣化的影响,引入空间变异函数,提出软硬相间层状岩质边坡结构面抗剪强度参数劣化模型,导出软硬相间层状岩质边坡沿层面方向抗剪强度参数劣化的函数表达式,表征了分析点的风化影响厚度与其强度参数的一一对应关系,有利于边坡稳定性的定量分析。利用该函数表达式对沿层面方向岩体的强度参数进行劣化,利用劣化后的强度参数进行稳定性评价,得到分析点至坡面距离与该点稳定系数的对应关系曲线,并结合三峡库区边坡实例进行了验证分析,指出软硬相间层状岩质边坡岩体抗剪强度参数的劣化对其稳定性评价具有较大影响,单平面滑动的稳定分析中抗剪强度参数沿层面恒定分布的假定具有一定的局限性;若不考虑结构面抗剪强度参数的劣化,可能导致稳定性计算结果偏于不安全。     

向家坝水电站左岸坝基挤压破碎带变形特性试验研究

坝基软弱破碎地质体是影响大坝安全的关键因素之一,其岩体力学参数的合理确定是大坝工程稳定分析与安全评价的基础。为合理确定向家坝水电工程左岸坝基挤压破碎带的变形模量,进行了室内MTS变形模量试验、现场小型承压板和大型承压板试验研究。3种试验方法得到的破碎带岩体变形模量基本都小于1.0 GPa,有盖层承压板试验条件下的破碎岩体变形模量测试值远大于无盖层岩体影响情况下的试验成果。研究成果表明,不同试验方法反映了左岸坝基破碎带岩体的不同受力状态,其变形模量也呈现一定差异性。在分析挤压破碎带变形模量试验值差异性的原因基础上,提出了左岸坝基破碎带岩体变形模量的建议值。     

关于层状岩体变形试验的建议方法

传统的岩体承压板法变形试验以假定岩体为半无限均质弹性介质为前提,只能得出一个综合（等效）的弹性（或变形）模量,对于水电工程中经常遇到的薄的软弱层带的模量不能测定。为此,需要在传统的岩体变形承压板法试验的基础上发展淅的层状岩体承压板法变形试验,它可以利用分层弹模计算的方法测定出软弱层带及其他各个岩层的模量,是岩石力学试验方法上的一次突破。笔者将首次系统地介绍这种新的试验原理、实施、分层弹模计算方法和工程应用。     

层状岩体单轴压缩力学特性的非均质层面影响效应研究

层状岩体的非均质性主要体现在基岩非均质性和层面节理非均质性所表征对象的差异,如何描述基岩和层面节理具有不同的均质性是一项重要工作。为此,将基于Weibull分布的二维非均质线性平行黏结模型(简称WLPB模型)和基于Weibull分布的非均质光滑节理模型(简称WSJ模型)相结合,分别表征基岩和层面节理的非均质性,提出了一种新的层状岩体细观非均质接触力学模型理论和计算分析方法,分析了单轴压缩条件下层状岩样的变形特征、破坏模式及其细观演化规律。结果表明:层状岩样的弹性模量和峰值强度以及破坏模式均表现出明显的各向异性特征,与所开展的室内试验规律基本一致,表明所开发的层状岩体非均质细观力学计算模型的合理性和适应性;当层面对层状岩体力学行为起控制作用时,层面的非均质性是影响层状岩体宏观力学特性的一个重要因素;当层面起控制性作用时,层面间距对岩样的峰值强度影响不明显,但对岩样的变形特性影响明显;解译了在单轴压缩情况下非均质层面不同倾角时层状岩体细观破裂机制及其控制作用的转化规律。     

岩体变形模量的尺寸效应

岩土工程中,现场岩体的承压板试验和变形试验可看作是不同尺寸岩体的变形试验。在某工程的现场岩石力学试验中,对同一组试点的岩体先后进行了承压板变形试验和承载力试验,研究了岩体变形模量的尺寸效应,结果表明,岩体变形模量主要受岩体中的裂隙发育状况控制,当岩体质量较好时,可以由承载力试验曲线来确定岩体的变形特性,这一做法具有一举两得的效果。     

基于有限元法的层状岩体破裂规律探讨

层状岩体的非均质性及各向异性导致其破裂方式及规律与均质岩体有显著不同。对层状岩体分别进行不同方式的单轴、双轴、三轴试验, 分析应力-应变曲线特征; 再利用ANSYS有限元软件进行数值模拟, 观察应力、应变在岩体上的分布, 通过曲线和图件的对比分析, 并结合岩石破裂理论, 总结不同应力状态下层状岩体的破裂方式、顺序及规律; 最后以富台地区为例, 对分析结果进行验证。研究结果表明, 不同受力方式对层状岩体破裂的影响体现在施加的载荷及约束与层面的方位。当应力方向与岩层面平行时, 强度大的石灰岩岩体发生集中应力, 首先破裂; 而应力与岩层面垂直时, 强度小的泥岩岩体首先破裂。岩石试验、数值模拟结果以及实例均成功验证了这个规律。      

大渡河丹巴水电站长大深埋软岩各向异性及宏观力学参数研究

研究了层状岩体各向异性以及宏观力学参数分析方法,提出基于大型岩土分析软件ADINA各向异性材料模块,采用分区分级宏观力学参数模拟分析方法,结合“代表单元体”理论思想,对丹巴水电站二云片岩进行了各向异性模拟和宏观力学参数分析,研究得到丹巴片岩不同片理倾角宏观力学参数以及各向异性特征变化规律。研究结果显示,丹巴二云片岩尺度增加,平行片理向、垂直片理向变形模量 、 收敛幅度不同步, 变化幅度随倾角增大而增大,收敛速率更高,水平向变形模量 趋势较平缓,泊松比的变化规律恰好与之相反;随片理面倾角增大,丹巴二云片岩力学参数趋于极限值规律明显。     

强地震动作用下层状岩体破坏的物理模拟研究

岩体地震动力破坏现象是常见但研究较少的复杂课题。利用物理模拟试验,研究了层状岩体边坡在强地震动作用下的变形破坏问题。按结构面走向平行和垂直地震动方向,对不同岩体结构特征的模型施加不同的幅值和频率的水平向地震动荷载,进行岩体的振动破坏试验。结果表明,结构面空间展布方向与地震动荷载的相互关系不同、结构面软弱程度不同,岩体变形破坏的形式和分布特征也不相同。岩体的动力破坏主要是岩体结构的破坏,即岩体结构的宏观破坏和微观损伤,岩体结构特征是控制其动力变形破坏的主要因素。极大的不均匀性是岩体动力破坏的显著特点,这与大量极震区岩体破坏的现象类似。但岩体动力破坏模式的建立和定量的力学分析还需更多研究。     

绿泥石片岩各向异性特性研究

为研究十堰地区片岩的各向异性特性,开展了武当群绿泥石片岩长方体试样的单轴压缩和圆盘试样的间接拉伸试验,探讨了试样各向异性的力学特性和在不同受力状态下的变形破裂特性,揭示了不同变形破裂的力学机制。研究表明,武当群绿泥石片岩具有明显的各向异性性质,平行片理方向强度高,垂直片理方向强度低。该片岩特殊的定向排列片束状构造和片理间的弱胶结作用,致使不同方向上的破坏特征具有明显差异,其力学机制也不相同。在压应力作用下,泊松效应容易引起平行片理面的张拉劈裂和压杆失稳,垂直片理方向容易发生片理面间的剪切破坏。在同一方向上强度具有一致性,即平行片理面抗压和抗拉强度均较垂直片理面强度大。由于片理面间的抗拉承载力极低,在小角度劈裂荷载下,容易发生张拉劈裂和拉剪破坏,因此,实际工程中应尽可能避免片理面间的受拉破坏和沿片理的拉剪破坏。研究结果可以为隧道、边坡支护加固和防水处理提供参考。     

深埋隧道层状围岩变形特征分析

层状岩体在地下工程中经常遇到的,它具有明显的各向异性力学性质。结合共和隧道现场监测和数值模拟相结合的方法对层状岩体的破坏特征进行了分析,研究结果表明：围岩的变形位移、破坏区都主要集中隧道拱顶右侧,即靠河侧大于靠山侧。隧道围岩变形破坏区不在最大主应力方向上,而是在岩体层理垂直方向。层状岩体中洞室变形破坏特征除了因地形产生的偏压影响外,更重要的是受地层结构特征的影响,即与层状岩体的力学性质极大相关,其结果可为指导隧道的施工和设计提供有效依据。     

重庆市涪陵区厚层软硬相间岩体失稳模式

重庆市涪陵区厚层软硬相间公路高边坡的详细调查发现,不同的岩层产状,不同开挖方向其斜坡变形破坏模式不同。本文根据野外实例总结了不同岩层产状与开挖方向对应的破坏模式,平缓层状斜坡破坏方式有滑塌式崩塌、倾倒式崩塌和坠落式崩塌;中倾角层状斜坡破坏方式有顺层滑移和崩塌;高陡倾角层状斜坡坡破坏方式有滑移式崩塌和坠落式崩塌。表明斜坡变形破坏地质力学模式与斜坡岩体结构之间存在着密切的成生联系。通过对不同倾角的斜坡岩体破坏方式研究,可以达到系统评价预测斜坡稳定性的目的;通过公路开挖对不同产状岩层可能造成灾害的预期,可以采用不同的预防措施,避免大型灾害的发生。     

层状岩体地下洞室破坏模式数值模型及验证

基于层面法向局部坐标系中的横观各向同性弹性本构模型,根据层面产状方位角,推导出整体坐标系中弹性应力的转换方法。针对层状岩体的各向异性特征,将岩体的破坏模式细分为5种,分别对每一种破坏模式建立各自的判别函数和屈服准则,根据塑性流动正交法则推导出相应的应力修正迭代计算方法。通过单轴、三轴压缩数值试验,对层状岩体的强度和变形性质进行研究,分析层面倾角和围压对层状岩体力学行为的影响。将所建模型与FLAC3D自带的横观各向同性弹性模型以及遍布节理模型进行对比,验证模型的正确性及精度。同时,将模型应用于三向等压理想圆形隧洞的开挖计算中,分析层状岩体破坏方式受层面方位角影响的变化规律,分析结果表明层面对围岩破坏模式和塑性区扩展方向起到了控制作用。     

兰州Q4黄土各向异性的初步研究

水敏感性和结构性是黄土区别于其他类型土的主要特点,得到了广泛的研究,但大多数试验研究都采用垂直方向制备的试样,仅考虑了黄土垂直方向的力学特性,这对于以承受上部垂直荷载为主的黄土地基基础等工程类型来说是合理和准确的,而对于受力状态较为复杂的边坡和隧道及地下结构等工程类型,黄土力学性质的各向异性可能更为重要。分别从垂直向和水平向制取兰州Q4黄土的原状土试样,通过三轴剪切试验研究了其抗剪强度和变形参数在不同围压下和不同方向上的差异性,并与直剪试验获得的强度参数进行对比。结果表明：兰州Q4黄土力学性质的各向异性是较为显著的,强度方面的差异主要体现在黏聚力,而内摩擦角的差异性较小;变形特征具有随围压增加而从脆性向塑性转化的特点,垂直方向的变形模量比水平方向的变形模量平均要大2倍左右。用黄土的结构性强度及其形成机制解释了试验结果,认为黄土力学性质的各向异性特点是其结构性的另一种表现方式,应重视黄土在不同方向上强度和变形特征的差异性,以获得更安全合理的参数。     

一种横观各向同性岩体蠕变模型

层状岩体由于层理面或者结构面的存在,在力学上具有横观各向同性的特点,现有的各向同性蠕变模型难以全面反映横观各向同性岩体的蠕变力学特性。为构建能够反映横观各向同性岩体的三维蠕变模型,以能反映瞬时应变、减速蠕变和稳态蠕变特征的黏弹性Burgers模型为基础,基于常泊松比假定,在三维各向同性蠕变本构方程的基础上,按照算子替换的方法,将横观各向同性柔度矩阵代替各向同性柔度矩阵,并考虑了平行和垂直层理方向岩体蠕变力学行为的差异性,推导了横观各向同性岩体的三维蠕变本构方程。根据本构方程的特点,提出了根据平行和垂直方向岩体蠕变试验结果进行三维蠕变本构模型中蠕变参数的辨识方法。将提出的模型应用于三轴蠕变试验参数辨识,从而获得了一套完整的三维蠕变参数,并与试验结果进行对比分析,从而验证了所提模型与方法的合理性和有效性。进一步,指出了传统蠕变试验设计方案的局限性,给出了横观各向同性材料蠕变试验设计建议。研究成果为研究岩体三维蠕变机制提供了新思路,可对岩体蠕变试验设计提供相应的科研支撑。     

基于现场试验的岩体变形模量尺寸效应研究

岩体力学参数具有随机性和不确定性,合理确定岩体力学参数是岩土工程稳定性分析的基础和关键。以某水电站前期研究的110个钻孔弹模测试数据为研究样本,对其进行了统计特征分析,确定变形模量的概率分布特征更符合Weibull分布。以钻孔弹模仪承压板尺寸为岩体变形模量研究的样本尺度,岩体由该尺度的岩样叠加而成,建立了不同尺寸的立方体岩体数值分析模型,按照Weibull分布随机给出各岩样的变形模量,在此基础上对不同尺寸的岩体分别进行5 000次单轴压缩试验的数值模拟,得到了不同尺度岩体等效变形模量的变化特征,确定了岩体等效变形模量的REV。基于现场实测岩体变形模量与概率统计理论相结合研究岩体变形模量是一个新的尝试,可为该水电站工程岩体力学参数的合理取值提供依据。     

受弯条件下薄层灰岩的力学响应行为试验研究

鉴于薄层岩体在实际地下工程中经常发生弯折破坏,利用三点弯曲试验对单层灰岩及含弱面灰岩试样进行抗弯性能测试,探究岩层受弯作用时的变形及破坏特征。试验结果表明,薄层灰岩的抗弯性能与层厚密切相关,单宽峰值弯矩及峰值力对应的岩梁挠度随层厚变化规律基本符合材料力学理论公式计算结果。薄层灰岩弯折破裂模式呈现多样化,既有垂直切穿层理的I型裂纹,也有在弱面处发生转折并沿弱面扩展的断续裂纹,以及与层理斜交的复合型裂纹等。理论分析表明,薄层岩体中的裂纹扩展路径主要受层面拉、剪强度（或断裂韧度）与岩石抗拉强度（或断裂韧度）的相对大小控制。利用双模量理论结合弯曲试验求解岩石拉伸模量需要进行迭代计算,拉压模量相差越大,迭代次数越多,收敛值越偏离初值。试验所得规律有助于深入理解薄层岩体弯曲变形特征及弯折破坏机制,并可作为对薄层岩体受弯作用理论及数值计算的有益补充。     

断层带岩体变形模量对坝基稳定性影响

变形模量是表征断层带岩体力学性能的一个重要参数,而断层带岩体变形模量与其所处的环境有密切关系。以理论分析和现场试验为基础,以三维数值分析技术为主要研究手段,结合大型水电工程实例,对断层带岩体变形模量对坝基整体稳定性影响进行了分析研究。研究结果表明：大坝建成水库蓄水以后,在未受到库水渗透影响的前提条件下,位于坝基部位的断层带岩体变形模量会有一定程度的增大。断层带变形模量从0.6 GPa一直增加到4.0 GPa,使得断层带岩体所在坝段关键点水平位移降低0.544~0.846 mm、垂直位移降低1.190~2.232 mm、最大拉应力降低0.06 MPa,有利于提高大坝的整体稳定性。