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。     

高地应力条件下地下厂房开挖动态卸荷引起的变形突变机制研究

分析了高地应力条件下地下厂房高边墙变形突变的形成机制,认为地应力动态卸荷引发的围岩松动是导致地下厂房高边墙变形突变的重要原因之一。基于瀑布沟地下厂房高边墙变形突变的实测资料,利用理论分析和数值模拟,计算了高地应力准静态和动态条件下地下厂房开挖卸荷引起的厂房高边墙的水平向位移。与实测资料对比表明,在动态卸荷过程中,结构面的张开和滑移是引起地下厂房围岩变形突变的主要原因,而在准静态卸载条件下,这种结构面张开变形却并不明显。在实际工程中应考虑开挖引起的地应力动态卸荷效应,尽量减小每次开挖对围岩扰动,谨防引起变形突变甚至失稳破坏     

高地应力条件下边坡岩体卸荷变形的两种表现形式研究室

本文简要介绍了高地应力地区水电高边坡工程中人们十分关注的两个工程地质与岩石力学问题：锦屏一级水电站边坡大范围岩体卸荷松动和小湾导致坝基(肩)岩体开挖快速卸荷问题。作者认为锦屏一级水电站左岸边坡大范围松动变形仍然是自重和构造复合应力场卸荷作用的结果,边坡的规模大、坡度陡,以及高水平构造应力是导致大范围卸荷松动变形的重要因素;小湾电站坝基(肩)岩体开挖过程中出现的坚硬完整岩体板裂、拱裂和葱剥皮等一系列新破裂现象是在高地应力作用下,由于开挖导致垂直坡面应力卸荷,增大边坡表面岩体主应力差和剪应力而引起的快速破裂行为,并通过破裂完成了顺坡面的最大主应力的卸荷,卸荷破裂主要集中在开挖面附近5～6m深度范围内。     

岩体波速与坝基岩体变形模量关系

岩体变形模量是岩体工程设计最重要的参数之一,尽管其可以通过各种现场试验来获得,但因其耗时、费力、投资大,使得许多中小型工程及大型工程的初步设计阶段无法通过试验来得到这一参数。因此,许多研究者建立了诸多岩体变形模量与岩体物理力学参数或岩体质量分级之间的相关关系,如岩体变形模量与RQD、RMR分级、Q分级、岩体纵波速度等之间的关系,从而利用这些关系估算岩体变形模量。总结了已有估算岩体变形模量的各种方法,讨论了其应用条件及预测结果,重点分析了利用岩体纵波速度估算岩体变形模量的方法及存在的问题,并以玛尔挡坝址为实例,建立了相关预测公式。通过与已有估算方法的对比研究,阐明了各种方法预测结果的异同,表明其建立的估算公式与Barton等公式具有较好的一致性,可以用来估算岩体的变形模量     

声波检测技术在水电站开挖坝基岩体评价中的应用

坝基开挖中,声波测试技术作为简易手段可快速评价岩体质量。以某水电站为例,结合现场勘查,通过声波测试,揭示岩体风化程度,爆破松弛带和岩体质量。结果表明,岩体随深度增加受风化影响渐小,深部岩体几乎不受风化影响,岩体质量较高;利用声波波速对不同深度岩体进行的等级分界,为工程施工和防护措施提供了依据。     

岩体变形和破坏的各种应力途径

在真三轴应力状态下进行了各种应力途径的岩石变形和破坏实验。实验表明,三个主应力的变化(最大主应力的增加,最小主应力的减小,围压的减小以及中间主应力的增加或减小)都能引起岩石变形和破坏。而且岩石的强度、延性和脆性、体积变化和破坏前兆等都与应力途径有关。据根试验结果探讨了岩体工程中的应力途径问题。     

大埋深高地应力关山隧道围岩变形破坏分析

甘肃省关山隧道是一条受高地应力影响的大埋深硬脆性闪长岩铁路隧道,位于青藏高原东北缘,构造活跃,运动速率较大,且方向变化显著的六盘山挤压隆升构造区。在隧道开挖过程中围岩变形破坏现象明显,围岩等级低于前期岩体质量分级,表现出强烈的岩体质量劣化和各向异性。针对该问题,除了采用矿物成分和微结构分析寻找原因,还通过现场结构面统计分析对围岩质量劣化和各向异性进行描述,同时运用自行研发的钻孔电视进一步分析开挖前后一定时间间隔内围岩的渐进式变形和破坏。钻孔电视试验结果表明,尽管闪长岩作为一种硬脆性岩体,单轴抗压强度（UCS）高于现场地应力值,但其变形和破坏却普遍发生,开挖过程中新生裂隙迅速发育,原先在高地应力下闭合的裂隙也会重新张开和发展,围岩劣化,稳定性降低。为了进一步分析围岩的变形破坏过程,设计了变压力大小和方向的单轴抗压试验,试验中闪长岩的单轴压力值低于单轴抗压强度,试验结果与钻孔电视试验观测结果吻合,证明了在开挖引起的地应力剧烈变化条件下硬脆性闪长岩结构劣化,存在变形破坏的可能性。在大埋深高地应力条件下,除了岩体的各向异性,地应力的变化也是硬脆性围岩稳定性的重要考量因素。     

一种高地应力条件下爆破开挖诱发振动峰值的预测模型

高地应力条件下深部岩体爆破开挖过程中,炸药爆炸产生的能量和岩体开挖释放的应变能共同构成了振动的能量源。采用传统的基于单响药量的萨道夫斯基经验公式及其改进公式预测高地应力条件下爆破开挖诱发振动峰值精度不高。通过量纲分析,提出了一种基于能量平衡原理的振动峰值预测模型。结合锦屏二级深埋引水隧洞爆破试验,以上半洞实测振动数据为学习样本,训练模型;以下半洞实测振动数据为对比样本,检验模型。结果表明:与传统预测模型相比,预测模型具有较高的拟合相关系数和较低的预测均方根误差,可以更好地应用于高地应力条件下爆破开挖诱发振动峰值的预测。     

坝基岩体错位的发现与分析

由寒武系坚硬白云岩组成的汾河二库坝基开挖后,岩体沿顺层开裂面发生错位,错位波及几乎整个坝基,错距达1～7cm.本文对坝基岩体错位进行了分析研究,认为岩体错位是基坑开挖后地应力释放的结果。     

链子崖危岩体变形破坏机制及整治对策

长江三峡链子崖危岩体,是目前国家治理长江航道的重点工程。本文通过对危岩体变形破坏力学机制的研究,论证了其整治对策。     

高地应力硬脆性围岩破坏影响因素分析

地应力对硬脆性岩体稳定性具有极为重要作用,已有研究主要集中于脆性破坏方式及其是否发生的预测上,而对地应力、洞形等因素与脆性破坏深度间关系的研究较为少见。基于硬脆性岩体脆性破坏准则,利用Examine2D软件,分析不同地应力环境及洞形时围岩脆性破坏深度d_f变化情况。结果表明:最小主应力量值较低时,破坏深度d_f与主应力比k近似为直线关系,较高时则为非线性增长;随着k值增加,屈服范围逐渐偏离最小主应力方向45°夹角发展;洞室断面长宽相近时,主应力方向较主应力量值对d_f的影响小,相同应力量值不同主应力方向,破坏位置不同,深度变化较小。洞形不同应力集中系数不同,选择长短轴长度之比与应力比k相接近的椭圆形谐洞,可有效降低破坏深度。     

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。     

库水位变动条件下柱状危岩体变形破坏机理

三峡水库周期性水位变动造成了部分消落带岩体劣化,其具体表现为强度下降和宏观裂隙增多,这使得一些柱状危岩体被发现或需要重新认识,包括箭穿洞、曲子滩和棺木岭等危岩体。这些柱状危岩体三维边界清晰,由"硬-相对软"的岩性组成,主要受控于相对软的硬岩基座岩体。采用伪时间增量的方式模拟岩石强度的时间相关劣化效应,数值分析了多水位变动周期下棺木岭危岩体裂缝和破坏区的扩展情况。危岩体初始破坏区主要集中在基座趾部岩体。随着水位变动周期增多,裂缝和破坏区由危岩体踵部和趾部相对扩展,破坏区主要集中在危岩体踵部。10次水位周期计算所得破坏区比相同时步、没有劣化效应时增加了近4倍,且以拉张破坏为主。周期性水位变动造成的岩体劣化强烈加快了柱状危岩体演化进程,同时影响了其破坏机理。从数值分析来看,棺木岭危岩体的变形破坏模式从原来的倾倒为主将转为以压溃崩塌为主。水位变动条件下岩石强度的时间相关劣化效应及其对柱状危岩体的影响研究将为三峡水库危岩体防治提供重要技术支撑。     

岩体结构变形破坏的内在驱动力-不平衡力

岩体结构的变形破坏是一个渐近过程,常规的强度设计与极限分析均无法描述这一过程。在回顾总结岩体结构破坏控制、变形控制的基础上,提出岩体结构变形破坏控制最终要落实到开裂控制上来。总结了岩体结构开裂计算的特点和难点,阐明了用不平衡力描述岩体结构变形破坏过程的理论依据。分别从单轴压缩试验、边坡开挖卸荷、拱坝坝踵坝趾开裂等3个具体的数值案例论证不平衡力与开裂破坏的内在相关性。提出了蓄水导致不可逆的谷幅变形也是不平衡力作用结果:裂隙水压力使屈服面收缩、原先处于屈服或临界屈服状态的岩体应力状态超出屈服面,产生不平衡力和不可逆的塑性变形。指出了不平衡力本质是岩体结构非平衡态到平衡态的距离,岩体结构非平衡演化的总体趋势服从最小塑性余能原理,进一步指出了无法消除的不平衡力是岩体结构变形破坏的内在驱动力。不平衡力不仅可以作为岩体结构变形破坏的判据,还能给出相应的加固措施,具有重要的工程意义。     

开挖型黄土边坡剥落侵蚀作用及变形破坏研究

人工开挖是黄土地质灾害最积极的诱发因素之一。为揭示非大型工程未经支护的开挖型黄土边坡在卸荷、剥落、侵蚀作用下边坡的变形破坏特征及其对边坡稳定性的影响,通过野外调查、原位微型贯入测试、室内试验等方法,对陕西省延安地区23处开挖型黄土边坡进行研究。结果表明,边坡卸荷剥落层厚度与边坡开挖年龄呈线性正相关关系,现场贯入阻力值与边坡开挖年龄呈负幂相关关系,浅层土体化学侵蚀现象较深层土体强烈。开挖型黄土边坡的变形破坏模式主要为滑移式崩塌和蠕滑-拉裂式浅层滑坡,崩塌的破坏演化过程主要为"侵蚀剥落-内凹-张裂-滑移",滑坡的破坏演化过程主要为"蠕滑-拉裂-贯通-滑脱"。     

高地应力硬岩洞室开挖破坏区数值模拟方法探讨

随着深部地下洞室的大量兴建,深部开挖过程中开挖破坏区的形成及其预测成为国内外岩石力学研究的焦点。本文首先对硬岩破坏过程的力学特性进行了分析,在此基础上对当前岩石力学工程界惯常采用的连续介质模型和粘聚力弱化-摩擦强度强化（CWFS）模型进行了比较;利用岩土工程分析软件FLAC,采用理想弹塑性、弹脆塑性、应变软化及CWFS模型对加拿大Mine-by Experiment圆形试验洞室进行了数值分析,通过对围岩应力分布、关键点应力大小和塑性区分布的对比分析,发现CWFS模型计算得到的应力场更能准确反映破坏区产生后应力向围岩深部转移并集中的特征;这一应力分布特征与开挖破坏区不存在时的结果更接近;与其它模型相比,CWFS模型计算得到的破坏区范围和深度更大,与现场实测值更加吻合。最后采用CWFS模型对挪威Kobbskaret公路隧道破坏区大小进行了计算分析,再次验证了采用CWFS模型对硬岩开挖破坏区预测的合理性。     

基于数字图像处理技术的溶蚀岩体细观变形破坏机制模拟研究

通过数字图像处理技术对广泛发育于岩溶地区的溶蚀岩体的溶蚀特征进行提取,构建离散元溶蚀岩体模型,并模拟单轴压缩试验研究溶蚀岩体的细观变形破坏机制,以分析溶蚀岩体的变形破坏特征和裂隙演化规律。结果表明：溶蚀岩体模型能够很好地表征岩体的溶蚀特征,对真实的溶蚀形态具有较好的还原作用;溶蚀岩体的累计破坏数曲线呈现“S”型变化特征,即分为裂隙不发育阶段、稳定发育阶段和不稳定发育阶段,溶蚀岩体的破坏具有累进性特点;由于溶蚀孔洞的存在,使得溶蚀岩体接触力力链表现出各向异性特征,随着加载的进行,岩体骨架为抵抗外部荷载的作用,导致接触力在岩体骨架内集中,表现为接触力力链线条变粗;随着应变的增加,试样发生起源于溶蚀孔洞周围的破坏,破坏区域发生卸荷作用,接触力力链被淡化,最终试样发生破坏,力链消失,溶蚀岩体应力应变关系是试样内部接触力变化规律的宏观表现。     

基于滑动测微计的高地应力洞室围岩变形研究

基于工程地质调查及滑动测微计监测成果,从空间连续角度（围岩应变）讨论了圆筒形洞室穹顶、长廊型洞室群中隔墙岩柱在下挖阶段的围岩变形特征;分析圆筒形洞室顶板变形空间分异性和演化规律;揭示了洞室群中隔墙岩柱的松弛圈范围及演化特征。研究表明：（1）结构面对圆筒形洞室穹顶围岩变形量级影响很小（5 mm以内）,穹顶结构面区段与Ⅲ级围岩变形规律类似,围岩变形主要发生在掌子面近接施工期,且影响范围局限于正穹顶;（2）滑动测微孔内空气与洞室大气联通,测值具有周期变化规律;（3）长廊型洞室中隔墙岩柱松弛圈范围与应力集中程度影响成正比,应力集中区松弛区深度约为开挖高度的1/3;松弛圈的发展主要发生在下挖阶段,洞室成型后,基本无扩展。研究成果可供高地应力深埋洞室的支护结构优化和稳定性评价参考。     

开挖卸荷条件下高边墙岩体变形和破坏的数值计算

对高边墙的稳定性研究,除了受结构面控制的局部块体稳定性外,最为重要的问题是直立高边墙在地应力作用下,其弹塑性变形及由此而引起的边墙应力环境条件恶化所导致的破裂问题,这类问题可统称之为弹塑性变形稳定性,对这类问题的分析目前主要采用的是基于弹塑性理论的有限单元法数值模拟,且以二维分析为主。本文针对某地下电站工程较为复杂的岩体结构特征和地下空问形态,采用三维弹塑性有限元单元法模拟了随着地下厂房开挖的进行,高边墙岩体变形破坏的动态演化序列,进而对高边墙的稳定性现状进行了评价。