基于典型岸坡深部裂縫的巖石力學試驗研究.pdf

1、西南部地處我國第一個地形梯度帶，區(qū)內(nèi)水能資源十分豐富，一系列已建和擬建大型水電工程座落于這一地區(qū)。由于該區(qū)域大地構造上位于青藏斷塊的東部邊緣地帶，受青藏高原近百萬年來持續(xù)隆升的影響，地質(zhì)環(huán)境條件特殊復雜。因此，在這些地區(qū)進行大型、超大型工程建設，有一系列制約工程設計，施工和運營的重大工程地質(zhì)問題亟需加以研究和解決，其中之一便是岸坡深部裂縫問題。本文以青藏高原東側(cè)的西南地區(qū)為主要研究對象，通過選取雅礱江錦屏一級，大渡河瀑布溝、深溪溝、雙江

2、口等大型水電工程勘察中所揭示的深部裂縫為研究素材，采用歸納與演繹的哲學思維方式，強調(diào)地質(zhì)原型現(xiàn)場調(diào)研與地質(zhì)過程分析，重視自然邊坡的形成演化過程和深部裂縫所賦存的地質(zhì)力學環(huán)境，運用現(xiàn)代數(shù)值模擬技術和巖石力學的理論與方法，對深部裂縫的發(fā)育分布及變形破壞特征從地質(zhì)原型調(diào)研、數(shù)值模擬反演、巖石力學試驗、損傷理論分析四大方面進行了綜合集成研究，初步建立了一套深部裂縫研究的基本框架和技術方法體系，取得以下主要成果： （1）通過對典型岸坡深部

3、裂縫的系統(tǒng)研究，歸納總結了裂縫發(fā)育的一般性特點，即：①裂縫多發(fā)育于距谷底70～120m以上的岸坡巖體中；②裂縫大多呈帶狀產(chǎn)出，破裂帶之間為相對完整的巖體；③裂縫中很干凈，幾乎未見次生夾泥；④裂縫發(fā)育程度總體有隨高程增加而增強、隨水平埋深增大而減弱；⑤裂縫形成時間總體有隨高程增加而變老、隨水平埋深增加而變新；⑥裂縫主要沿與坡向大體平行的陡傾角構造結構面發(fā)育；等。 （2）通過對典型岸坡深部裂縫生成的地質(zhì)環(huán)境的綜合分析，歸納提出了裂縫

4、生成所須滿足的地質(zhì)環(huán)境條件，即：①在構造改造過程中能存儲較高應變能的質(zhì)堅性脆的巖性條件；②有利于應變能存儲和釋放的地質(zhì)構造（如褶皺體）和結構條件（巖性結構和構造裂隙）；③作為廣義“荷載”能導致岸坡巖體產(chǎn)生壓縮變形和強烈卸荷回彈的高地應力條件；④能導致巖體應變能強烈釋放的地殼快速抬升（即河谷快速下切）條件；等。 （3）認為深部裂縫是在河谷（或疊加橫向溝谷）地貌形成演化過程中，伴隨區(qū)域性剝蝕和河谷下切過程，岸坡應力場不斷變化調(diào)整，引

5、起岸坡巖體內(nèi)部先期儲存的應變能（與構造改造程度和方式有關）強烈釋放，向臨空方向產(chǎn)生差異回彈卸荷形成的，屬淺生時效結構。 （4）依據(jù)岸坡地質(zhì)體的形成演化過程，厘定了岸坡巖體的改造模式，提出岸坡巖體由坡表向內(nèi)可劃分為表生改造、淺生改造、構造改造三個帶，表生改造帶又可細分為外側(cè)的卸荷拉裂帶和內(nèi)側(cè)的緊密擠壓帶，淺生改造帶則由深部裂縫帶及帶間板梁組成。并對各帶巖體的應力、聲波、點荷載、裂隙密度、裂隙開度等進行了統(tǒng)計分析。 （5）由

6、典型岸坡實測地應力的詳細分析表明：深部裂縫發(fā)育地區(qū)均存在較大的地質(zhì)構造作用，屬高（中）地應力區(qū)，巖體應力主要以水平構造應力為主。 （6）依據(jù)典型岸坡實測應力值隨水平埋深的變化特點，對岸坡應力場進行了分帶，即將岸坡巖體應力由坡表向內(nèi)劃分為應力降低、應力增高、應力波動、應力趨穩(wěn)四個帶。其中應力降低和應力波動帶，可分別與岸坡卸荷帶的范圍和深部裂縫發(fā)育的范圍對照。分析認為，應力波動帶的底界即為河谷應力場的影響深度，由此統(tǒng)計顯示，我西南河

7、谷地區(qū)這一深度大致為150～387m。 （7）岸坡應力場的分布特征，與岸坡巖體的淺表生改造過程密切相關，依據(jù)成因，將岸坡應力場由坡表向內(nèi)劃分為斜坡應力場區(qū)、過渡區(qū)和構造應力場區(qū)三個區(qū)，可分別與表生改造、淺生改造和構造改造三個帶相對應，分析了各區(qū)應力分布的特點，提出斜坡應力場區(qū)主要以自重應力為主、過渡區(qū)是構造應力場向自重應力場轉(zhuǎn)化的一個過渡區(qū)域、構造應力場區(qū)主要以構造應力為主的觀點，并根據(jù)實測最大主應力傾角隨埋深的變化特征驗證了這

8、一認識。 （8）采用現(xiàn)代數(shù)值模擬技術，對岸坡應力場的分帶特征進行了驗證分析，并探討了構造應力對分帶范圍的影響；同時還分析了岸坡應力場演化的基本特點以及深部裂縫的形成過程，并根據(jù)地質(zhì)過程中裂縫單元應力Mohr圓的變化特點，探討了深部裂縫的生成時間，得出近坡表和高高程裂縫分別比深部和低高程裂縫形成時期要早，驗證了地質(zhì)分析的成果。 （9）以深部裂縫形成過程中實際的應力變化狀態(tài)為試驗設計的依據(jù)，開展了不同圍壓、不同卸荷速率下的卸

9、荷巖石力學對比試驗，由試驗揭示，在卸荷條件下：①隨破壞圍壓的增加，試樣破壞形式均從張性破壞向剪切破壞過渡，且在相同圍壓下，隨卸荷速率的增大，試樣張性破裂的比例也越重；②試樣表現(xiàn)出累進性破壞特征，通常在試樣表面附近有卸荷剝落的張性薄片，一般剪切破裂面在部分地段追蹤張性破裂面發(fā)育，破壞具張剪性質(zhì)；③卸荷對試樣橫向應變ε3和體積應變εV影響較大，進入卸荷階段后，ε3變化梯度明顯增大，εV則從壓縮變形轉(zhuǎn)為擴容；④多數(shù)試樣應力-應變曲線在峰后存在

10、較大跌落，表明試樣卸荷破壞時的塑性變形較小，破壞更具突發(fā)性和脆性等特點；⑤應力-應變曲線峰后與峰前差別較大，峰前曲線較平滑，峰后曲線則凹凸不平，顯示峰后試樣內(nèi)部應力、應變分布較峰前要復雜；⑥多數(shù)試樣應力-應變曲線峰后呈“Ⅱ型”，顯示出脆性特征；⑦圍壓對試樣強度的影響要比加荷條件大，并在相同初始圍壓下，試樣的強度和變形模量隨卸荷速率的增大呈降低趨勢；⑧隨卸荷速率的增大，試樣的抗剪強度參數(shù)c值增大而φ值減小，與加荷條件相比，巖石的抗剪強度參

11、數(shù)c值降低而φ值增高；等。依據(jù)這些試驗成果，對深部裂縫的發(fā)育分布及變形破壞特征進行了合理解釋。 （10）通過假定巖石微元強度及其分布，構建了以名義應力應變表述的損傷演化方程及本構模型，并用其對不同試驗條件下巖石的損傷演化特征進行了對比分析，認為試樣在受荷過程中的損傷發(fā)展演化可分為三個階段：第一階段與試驗曲線的屈服極限前段對應，該段應力-應變曲線近似成直線，巖石微元主要以彈性變形為主，僅有極少數(shù)巖石微元發(fā)生破壞，損傷演化從0呈緩慢

12、增加態(tài)勢，演化曲線斜率緩慢增大；第二階段與試驗曲線屈服極限→殘余強度段對應，該段應力-應變曲線成非線性，巖石微元主要以塑性變形為主，大量巖石微元開始屈服破壞，損傷演化呈快速增加態(tài)勢，演化曲線斜率迅速增大，最后穩(wěn)定在某一水平保持不變；第三階段與試驗曲線殘余強度段對應，該段巖石試樣已發(fā)生宏觀破裂，但仍有一定的承載力，少數(shù)巖石微元繼續(xù)屈服破壞，損傷演化幅度逐漸變緩，演化曲線斜率逐漸減小并趨于1。初步揭示：①在相同圍壓下，卸荷條件下試樣損傷發(fā)展