基于典型岸坡深部裂縫的巖石力學(xué)試驗(yàn)研究.pdf

1、西南部地處我國(guó)第一個(gè)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(gòu)造上位于青藏?cái)鄩K的東部邊緣地帶，受青藏高原近百萬(wàn)年來(lái)持續(xù)隆升的影響，地質(zhì)環(huán)境條件特殊復(fù)雜。因此，在這些地區(qū)進(jìn)行大型、超大型工程建設(shè)，有一系列制約工程設(shè)計(jì)，施工和運(yùn)營(yíng)的重大工程地質(zhì)問(wèn)題亟需加以研究和解決，其中之一便是岸坡深部裂縫問(wèn)題。本文以青藏高原東側(cè)的西南地區(qū)為主要研究對(duì)象，通過(guò)選取雅礱江錦屏一級(jí)，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(xué)思維方式，強(qiáng)調(diào)地質(zhì)原型現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研與地質(zhì)過(guò)程分析，重視自然邊坡的形成演化過(guò)程和深部裂縫所賦存的地質(zhì)力學(xué)環(huán)境，運(yùn)用現(xiàn)代數(shù)值模擬技術(shù)和巖石力學(xué)的理論與方法，對(duì)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(xué)試驗(yàn)、損傷理論分析四大方面進(jìn)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(shù)方法體系，取得以下主要成果： （1）通過(guò)對(duì)典型岸坡深部

3、裂縫的系統(tǒng)研究，歸納總結(jié)了裂縫發(fā)育的一般性特點(diǎn)，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(duì)完整的巖體；③裂縫中很干凈，幾乎未見(jiàn)次生夾泥；④裂縫發(fā)育程度總體有隨高程增加而增強(qiáng)、隨水平埋深增大而減弱；⑤裂縫形成時(shí)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(gòu)造結(jié)構(gòu)面發(fā)育；等。 （2）通過(guò)對(duì)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(gòu)造改造過(guò)程中能存儲(chǔ)較高應(yīng)變能的質(zhì)堅(jiān)性脆的巖性條件；②有利于應(yīng)變能存儲(chǔ)和釋放的地質(zhì)構(gòu)造（如褶皺體）和結(jié)構(gòu)條件（巖性結(jié)構(gòu)和構(gòu)造裂隙）；③作為廣義“荷載”能導(dǎo)致岸坡巖體產(chǎn)生壓縮變形和強(qiáng)烈卸荷回彈的高地應(yīng)力條件；④能導(dǎo)致巖體應(yīng)變能強(qiáng)烈釋放的地殼快速抬升（即河谷快速下切）條件；等。 （3）認(rèn)為深部裂縫是在河谷（或疊加橫向溝谷）地貌形成演化過(guò)程中，伴隨區(qū)域性剝蝕和河谷下切過(guò)程，岸坡應(yīng)力場(chǎng)不斷變化調(diào)整，引

5、起岸坡巖體內(nèi)部先期儲(chǔ)存的應(yīng)變能（與構(gòu)造改造程度和方式有關(guān)）強(qiáng)烈釋放，向臨空方向產(chǎn)生差異回彈卸荷形成的，屬淺生時(shí)效結(jié)構(gòu)。 （4）依據(jù)岸坡地質(zhì)體的形成演化過(guò)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(gòu)造改造三個(gè)帶，表生改造帶又可細(xì)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(duì)各帶巖體的應(yīng)力、聲波、點(diǎn)荷載、裂隙密度、裂隙開(kāi)度等進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。 （5）由

6、典型岸坡實(shí)測(cè)地應(yīng)力的詳細(xì)分析表明：深部裂縫發(fā)育地區(qū)均存在較大的地質(zhì)構(gòu)造作用，屬高（中）地應(yīng)力區(qū)，巖體應(yīng)力主要以水平構(gòu)造應(yīng)力為主。 （6）依據(jù)典型岸坡實(shí)測(cè)應(yīng)力值隨水平埋深的變化特點(diǎn)，對(duì)岸坡應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了分帶，即將岸坡巖體應(yīng)力由坡表向內(nèi)劃分為應(yīng)力降低、應(yīng)力增高、應(yīng)力波動(dòng)、應(yīng)力趨穩(wěn)四個(gè)帶。其中應(yīng)力降低和應(yīng)力波動(dòng)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(duì)照。分析認(rèn)為，應(yīng)力波動(dòng)帶的底界即為河谷應(yīng)力場(chǎng)的影響深度，由此統(tǒng)計(jì)顯示，我西南河

7、谷地區(qū)這一深度大致為150～387m。 （7）岸坡應(yīng)力場(chǎng)的分布特征，與岸坡巖體的淺表生改造過(guò)程密切相關(guān)，依據(jù)成因，將岸坡應(yīng)力場(chǎng)由坡表向內(nèi)劃分為斜坡應(yīng)力場(chǎng)區(qū)、過(guò)渡區(qū)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)區(qū)三個(gè)區(qū)，可分別與表生改造、淺生改造和構(gòu)造改造三個(gè)帶相對(duì)應(yīng)，分析了各區(qū)應(yīng)力分布的特點(diǎn)，提出斜坡應(yīng)力場(chǎng)區(qū)主要以自重應(yīng)力為主、過(guò)渡區(qū)是構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)向自重應(yīng)力場(chǎng)轉(zhuǎn)化的一個(gè)過(guò)渡區(qū)域、構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)區(qū)主要以構(gòu)造應(yīng)力為主的觀點(diǎn)，并根據(jù)實(shí)測(cè)最大主應(yīng)力傾角隨埋深的變化特征驗(yàn)證了這

8、一認(rèn)識(shí)。 （8）采用現(xiàn)代數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)岸坡應(yīng)力場(chǎng)的分帶特征進(jìn)行了驗(yàn)證分析，并探討了構(gòu)造應(yīng)力對(duì)分帶范圍的影響；同時(shí)還分析了岸坡應(yīng)力場(chǎng)演化的基本特點(diǎn)以及深部裂縫的形成過(guò)程，并根據(jù)地質(zhì)過(guò)程中裂縫單元應(yīng)力Mohr圓的變化特點(diǎn)，探討了深部裂縫的生成時(shí)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(shí)期要早，驗(yàn)證了地質(zhì)分析的成果。 （9）以深部裂縫形成過(guò)程中實(shí)際的應(yīng)力變化狀態(tài)為試驗(yàn)設(shè)計(jì)的依據(jù)，開(kāi)展了不同圍壓、不同卸荷速率下的卸

9、荷巖石力學(xué)對(duì)比試驗(yàn)，由試驗(yàn)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(guò)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(jìn)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(duì)試樣橫向應(yīng)變?chǔ)?和體積應(yīng)變?chǔ)臯影響較大，進(jìn)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(kuò)容；④多數(shù)試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線在峰后存在

10、較大跌落，表明試樣卸荷破壞時(shí)的塑性變形較小，破壞更具突發(fā)性和脆性等特點(diǎn)；⑤應(yīng)力-應(yīng)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(yīng)力、應(yīng)變分布較峰前要復(fù)雜；⑥多數(shù)試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰后呈“Ⅱ型”，顯示出脆性特征；⑦圍壓對(duì)試樣強(qiáng)度的影響要比加荷條件大，并在相同初始圍壓下，試樣的強(qiáng)度和變形模量隨卸荷速率的增大呈降低趨勢(shì)；⑧隨卸荷速率的增大，試樣的抗剪強(qiáng)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(qiáng)度參

11、數(shù)c值降低而φ值增高；等。依據(jù)這些試驗(yàn)成果，對(duì)深部裂縫的發(fā)育分布及變形破壞特征進(jìn)行了合理解釋。 （10）通過(guò)假定巖石微元強(qiáng)度及其分布，構(gòu)建了以名義應(yīng)力應(yīng)變表述的損傷演化方程及本構(gòu)模型，并用其對(duì)不同試驗(yàn)條件下巖石的損傷演化特征進(jìn)行了對(duì)比分析，認(rèn)為試樣在受荷過(guò)程中的損傷發(fā)展演化可分為三個(gè)階段：第一階段與試驗(yàn)曲線的屈服極限前段對(duì)應(yīng)，該段應(yīng)力-應(yīng)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(shì)，演化曲線斜率緩慢增大；第二階段與試驗(yàn)曲線屈服極限→殘余強(qiáng)度段對(duì)應(yīng)，該段應(yīng)力-應(yīng)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(kāi)始屈服破壞，損傷演化呈快速增加態(tài)勢(shì)，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(yàn)曲線殘余強(qiáng)度段對(duì)應(yīng)，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