高地應(yīng)力地區(qū)花崗巖強(qiáng)度偏低的成因研究.pdf

1、本文從雙江口壩區(qū)花崗巖出現(xiàn)大量單軸抗壓強(qiáng)度較低的異?，F(xiàn)象入手，通過大量現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和分析，對(duì)壩區(qū)花崗巖賦存環(huán)境，如地質(zhì)背景、應(yīng)力場(chǎng)特征、地質(zhì)構(gòu)造等進(jìn)行研究，并結(jié)合工程區(qū)花崗巖的巖石學(xué)、建造特征以及后期改造和巖體結(jié)構(gòu)特征，分別針對(duì)壩區(qū)強(qiáng)度較高和強(qiáng)度較低的花崗巖進(jìn)行了大量宏觀力學(xué)試驗(yàn)和微細(xì)觀特征分析，主要取得了如下幾點(diǎn)研究成果： （1）通過大量的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析，對(duì)壩區(qū)不同高程、不同深度的花崗巖的巖體質(zhì)量、風(fēng)化卸荷特征、地應(yīng)力場(chǎng)、地下水條件

2、、回彈、波速進(jìn)行了較為系統(tǒng)的調(diào)查試驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上將地質(zhì)環(huán)境特征進(jìn)行量化，并與飽和單軸強(qiáng)度之間的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)分析。 （2）通過對(duì)壩區(qū)花崗巖基本物理指標(biāo)的測(cè)定，考慮壩區(qū)的地應(yīng)力條件，設(shè)置不同圍壓條件分別對(duì)強(qiáng)度不同的花崗巖進(jìn)行了滲透性測(cè)試，揭示了裂隙發(fā)育情況、圍壓情況與花崗巖滲透特性的關(guān)系，并初步分析了壩區(qū)花崗巖強(qiáng)度變異與微裂紋的關(guān)系。 （3）通過開展花崗巖單調(diào)和循環(huán)加載過程的聲發(fā)射試驗(yàn)等的研究，揭示了花崗巖裂紋的起裂—擴(kuò)展—

3、貫通過程中聲發(fā)射率變化特征，揭示了花崗巖破壞過程中強(qiáng)度的差異造成其破壞能量釋放的差異，認(rèn)為強(qiáng)度較低的花崗巖的破壞是一個(gè)漸進(jìn)性的穩(wěn)定破壞，而強(qiáng)度高的花崗巖的破壞是一個(gè)集中式的猛烈破壞。 （4）通過常規(guī)三軸試驗(yàn)、不同圍壓、不同卸荷速率、卸荷起點(diǎn)的卸圍壓三軸試驗(yàn)，揭示了花崗巖卸荷條件下的破壞特征及破壞過程中參數(shù)變化特征。尤其是彈性模量方面，試驗(yàn)顯示，在一個(gè)加卸載試驗(yàn)過程中，彈性模量可以分為加載段、卸載段和回彈段，各段的模量差距較大，其

4、中加載段彈模普遍為卸載段彈模的3～4倍，而回彈段的模量又比卸載段模量小等特點(diǎn)。 （5）通過循環(huán)加卸載圍壓的記憶性試驗(yàn)，揭示了卸荷過程中同樣存在應(yīng)力滯后現(xiàn)象和滯回梯形，只是其形成機(jī)制與單軸加卸載的回滯環(huán)不同，變化特征和形成機(jī)制都較為復(fù)雜，本文從變形破壞過程中能量變化特征的角度，揭示了封閉梯形的形成機(jī)制。 （6）通過掃描電鏡和礦物含量分析認(rèn)為，花崗巖強(qiáng)度偏低在微觀結(jié)構(gòu)方面主要包括三個(gè)方面的原因：其一，試驗(yàn)結(jié)果顯示，飽和單軸強(qiáng)

5、度隨著長(zhǎng)石含量的增加而降低，同時(shí)數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果顯示，三種礦物中云母含量對(duì)抗壓強(qiáng)度最為敏感性，而壩區(qū)似斑狀花崗巖長(zhǎng)石和云母含量均高于其他地區(qū)，因此長(zhǎng)石和云母含量較高是壩區(qū)花崗巖強(qiáng)度低于其他地區(qū)的細(xì)觀因素之一；其二，根據(jù)壩區(qū)花崗巖的單軸、常規(guī)三軸、卸荷三軸試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)巖爆拓片的破壞斷面的掃描電鏡分析，壩區(qū)花崗巖中長(zhǎng)石內(nèi)部解理面非常發(fā)育，并非常密集，鏡下許多長(zhǎng)石甚至呈鱗片狀和針狀解理，揭示了壩區(qū)花崗巖的主要的破壞模式不是各礦物顆粒之間的沿晶破壞

6、，而是沿著長(zhǎng)石解理面發(fā)生的穿晶破壞，證明了壩區(qū)花崗巖強(qiáng)度較低的又一原因，也是壩區(qū)平洞硐渣呈粉砂狀的主要原因；其三，由于花崗巖三軸壓縮試驗(yàn)和卸圍壓三軸試驗(yàn)的微觀破裂的機(jī)制有著本質(zhì)的區(qū)別，常規(guī)加載時(shí)，雖然各礦物的彈性模量差距較大，但云母在其中起到協(xié)調(diào)作用，因此云母含量對(duì)花崗巖常規(guī)三軸試驗(yàn)強(qiáng)度是有利的，而卸圍壓三軸試驗(yàn)則正好相反，隨著圍壓的卸載，云母由于彈性模量比其余礦物低得多，給予了其余礦物體積回彈的空間。由于礦物之間的差異回彈，更有利于礦

7、物之間和礦物內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展。而常規(guī)三軸試驗(yàn)顯示，壩區(qū)花崗巖比其他地區(qū)花崗巖易受圍壓影響，圍壓25MPa以后，強(qiáng)度甚至高于其他地區(qū)的花崗巖，且隨著圍壓的升高，彈性模量也跟著變大，就是對(duì)云母作用的一個(gè)較好詮釋。 （7）結(jié)合圖像處理技術(shù)和大型模擬軟件FLAC，建立圖形圖像處理技術(shù)的細(xì)觀數(shù)值試驗(yàn)方法體系，并針對(duì)壩區(qū)花崗巖真實(shí)細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型，模擬了其在外力作用下各礦物內(nèi)部的應(yīng)力分布演化規(guī)律及裂紋起裂—開展—貫通的破壞過程。并在此基礎(chǔ)上

8、開展了礦物組構(gòu)和礦物參數(shù)的敏感性分析。 最后，在以上系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，認(rèn)為壩區(qū)花崗巖強(qiáng)度較低及其離散性較大的原因是：宏觀受到地質(zhì)環(huán)境的影響，包括地應(yīng)力場(chǎng)、地質(zhì)構(gòu)造、淺表生改造、巖體結(jié)構(gòu)的影響；微觀主要取決于長(zhǎng)石和云母含量、長(zhǎng)石內(nèi)部解理面密集程度以及各礦物內(nèi)部裂紋的發(fā)育情況；而后期改造（淺表生改造），邊坡和圍巖應(yīng)力進(jìn)一步調(diào)整，是壩區(qū)花崗巖微觀結(jié)構(gòu)改變，并導(dǎo)致其強(qiáng)度差異的外動(dòng)力條件?？傮w來說，花崗巖內(nèi)部較為發(fā)育的長(zhǎng)石解理面和云母含量