锦屏二级水电站绿片岩双轴压缩蠕变特性试验研究

利用岩石双轴流变试验机对锦屏二级水电站辅助洞的绿片岩进行不同加载路径、不同应力水平下的双轴压缩蠕变试验,将一维Burgers模型推广到双轴受压状态,对试验曲线进行辨识。结果表明,轴向和侧向的蠕变规律与加载方式有很大关系,当以定侧压比同时加轴向和侧向荷载时,轴向和侧向应变基本随荷载的增加而增加,而采用定侧压的加载方式时,侧向应变则随轴向荷载的增加而逐渐减小。采用Burgers模型拟合试验曲线时,其理论值与试验结果比较接近,因此,Burgers模型比较适合描述绿片岩的黏弹性流变特征,研究得到的双轴压缩蠕变参数也可供锦屏二级水电站深埋隧洞的设计参考。

绿片岩多轴受压应力松弛试验研究

利用岩石双轴流变试验机对锦屏二级水电站辅助洞的绿片岩进行了不同应力水平下的单轴和和双轴压缩应力松弛试验,并提出了经验拟合方程。研究结果表明:当进行单轴压缩应力松弛试验时,轴向应力呈阶梯式下降特征,这主要是由新微观裂纹的产生或者已有裂纹的扩展而引起的;双轴压缩状态下,若进行轴向应力松弛试验时,轴向应力松弛曲线呈阶梯式下降特征,侧向应变则呈阶梯式上升特征,若进行侧向应力松弛试验时,侧向应力松弛曲线呈阶梯式下降特征,轴向应变则呈阶梯式上升特征,若同时进行轴向和侧向应力松弛试验时,轴向与侧向之间的相互影响比较明显,轴向应力和侧向应力最终均无法趋于平稳值。采用经验方程对试验曲线进行拟合分析时,拟合曲线与试验曲线之间吻合得比较理想,说明采用该经验方程分析是合适的。

岩石的非定常Burgers模型

建立一个与时间、应力状态有关的非线性黏滞体,该黏滞体可以描述岩石的非线性黏弹性流变特征;将该非线性黏滞体替换Burgers模型中的线性黏滞体,得到修正Burgers模型,该模型也称为非定常Burgers模型。对锦屏二级水电站辅助交通洞的绿片岩进行双轴压缩蠕变试验,将定常Burgers模型和非定常Burgers模型对蠕变试验曲线进行拟合对比分析。研究结果表明:采用非定常Burgers拟合时,拟合曲线与试验曲线基本吻合,残差平方和比采用定常Burgers模型时的小,且相关系数也有明显提高,因此,非定常Burgers模型更适用于描述硬岩的黏弹性蠕变特征。

绿片岩的单轴压缩各向异性蠕变试验研究

通过对锦屏二级水电站辅助交通洞的绿片岩单轴压缩蠕变特性试验,研究了轴向荷载方向与层理之间的不同关系对瞬时应变、应力应变关系、轴向应变速率、衰减蠕变持续时间和蠕变破坏机理的影响.研究结果表明:在相同低应力水平下,垂直于层理时的瞬时应变增量大于平行于层理时的瞬时应变增量,而在相同较高应力水平下垂直于层理时的瞬时应变增量小于平行于层理时的瞬时应变增量;同等应力水平条件下,垂直于层理时的轴向应变速率和衰减蠕变持续时间均小于平行于层理时的轴向应变速率和衰减蠕变持续时间.同时,当轴向荷载垂直或者平行于层理时,应力应变关系曲线均出现了压密、弹性变形、裂纹扩展和峰后破坏阶段,且蠕变破坏类型均属于脆性破坏.

硬岩的复合黏弹塑性流变模型

基于应变软化模型得到塑性元件,将该塑性元件与六元件黏弹性流变模型组合得到适合于硬岩的复合黏弹塑性流变模型。采用FLAC3D所提供的二次开发接口程序,开发复合黏弹塑性流变模型的数值程序,对锦屏二级水电站的绿片岩单轴压缩蠕变试验曲线进行拟合,采用拟合得到的参数进行计算以验证接口程序的正确性,并对锦屏二级水电站辅助交通洞进行工程流变计算分析。研究结果表明:复合黏弹塑性流变模型具有程序可置入性,采用该模型进行计算时,计算值与理论值完全一致,从而验证了接口程序的正确性;辅助交通洞开挖后,围岩体的最大变形出现在边墙位置,随着时间的增加,边墙位置处围岩体内的位移和最大主应力呈增加的趋势。

隧道两种减震措施的数值模拟研究

目前隧道的减震措施主要有两种,即设置减震层和抗震缝。本文以黄草坪隧道为研究对象,应用有限差分程序FLAC3D对其进行地震响应的数值模拟研究,分别从围岩和衬砌的应力、加速度及位移方面探讨了这两种减震措施的效果,同时对比不同抗震缝间距时围岩和初期衬砌的纵向应力。研究结果表明,减震层和抗震缝的减震作用比较明显,应根据工程抗震的要求选择不同的减震措施。

隧道开挖面接近地质界面时围岩位移特征及其影响因素分析

用FLAC3D分析隧道开挖面接近地质界面时隧道围岩变形行为以及侧向应力、纵向应力、洞室形状、地质界面倾角对隧道围岩位移的影响规律。结果表明:当隧道由硬岩向软岩掘进时,随着开挖面逐渐接近前方地质界面,隧道拱顶和边墙位置围岩的位移均有明显的增加;当隧道由软岩向硬岩掘进时,开挖面以及开挖面前方的拱顶和边墙位置围岩的位移均有明显的减小;隧道掘进至硬岩与软岩的地质界面,隧道边墙位置围岩径向位移随侧向应力的增加而增加,拱顶和边墙位置围岩的纵向位移随纵向应力的增加而增加;矩形隧道时围岩的位移最大,马蹄形隧道时次之,圆形隧道时最小;地质界面倾斜时围岩的位移均比地质界面垂直时大。

互层状岩体黏弹塑性流变特性的数值分析

对锦屏II级水电站辅助交通洞的绿片岩进行单轴压缩蠕变特性试验,并以绿片岩和大理岩互层的层状岩体为研究对象,采用FLAC3D对互层状岩体进行单轴压缩蠕变试验的数值分析。试验和数值分析结果表明:当大理岩夹层倾角小于60°时,互层状岩体的破坏强度随着夹层倾角的增大而减小,但当夹层倾角大于60°时,互层状岩体的破坏强度反而随着夹层倾角的增大而增大;当大理岩与绿片岩之间的破坏强度比值较小时,采用Reuss模型和Voigt模型预测复合层状岩体的破坏强度是合适的。

考虑节理面法向蠕变的节理岩体蠕变模型

采用Fish语言对FLAC3D软件中的Interface单元进行修正,将Interface单元的法向刚度和切向刚度转化为时间的蠕变函数,便可得到在数值分析中考虑节理面法向蠕变的节理岩体蠕变模型。计算结果表明:节理岩体的单轴蠕变量随着节理面间距的增大而减小;当节理面的倾角小于45°时,节理岩体单轴蠕变量随着节理面倾角的增大而增大,但当节理面倾角大于45°时,轴向蠕变量反而随着节理面倾角的增大而减小;若固定节理面的切向蠕变参数,增加其法向蠕变参数,则节理岩体的轴向蠕变量也会随之减小。

隧道地震响应数值模拟研究

在进行隧道地震响应的数值模拟研究时,横向计算范围和人工边界等对计算结果有很大的影响。本文以黄草坪隧道为研究对象,应用有限差分程序FLAC3D对其进行地震响应的数值模拟研究,将横向计算范围分别取为隧道洞径的5倍、6倍、7倍、8倍、9倍和10倍,并分别采用FLAC3D中的截断边界、自由场地边界和粘性边界进行计算。研究结果表明,当地震波为P波时,横向计算范围取为洞径的7至8倍,人工边界采用自由场地边界或粘性边界是比较合理的。

硬脆岩的非线性粘弹塑性流变模型

为了构建适合于硬脆岩的流变模型,通过对Bingham体中的线性粘滞体进行修正,使其粘滞系数转换为时间、应力的衰减函数,将修正的Bingham体与六元件线性粘弹性流变模型组合得到可反映加速蠕变的非线性粘弹塑性流变模型,并采用锦屏一级水电站工程左岸边坡砂板岩的蠕变试验曲线对所建立的非线性粘弹塑性流变模型进行验证.研究结果表明:当采用非线性粘弹塑性流变模型对试验曲线进行拟合时,试验曲线与理论曲线吻合得比较理想,显示了所建模型的正确性和合理性.

土拱效应在抗滑桩工程中的应用

抗滑桩是边坡支挡工程中常用的一种结构物,具有施工快和安全可靠等特点,是整治滑坡的主要工程措施之一。同时,在抗滑桩设计中,桩间距又是一个非常重要的指标,而以往一般是根据经验确定桩间距,这样确定的值往往偏小从而造成投资的浪费,或偏大从而造成抗滑桩作用失效。从土拱效应出发,研究了土拱效应在抗滑桩工程中的形成机理、存在条件、形状和影响因素,同时分析了基于土拱效应的抗滑桩桩间距的计算方法。最后以某实际工程为例,结合上述方法,用Matlab等数学软件求解了该实际工程基于土拱效应的抗滑桩桩间距值。

深埋隧洞开挖造成的应力变化过程

采用应力路径定义的安全系数计算方法,以锦屏二级水电站引水隧洞为例,采用FLAC3D软件分析深埋隧洞开挖造成的应力路径和安全系数变化过程。研究结果表明:在深埋隧洞开挖过程中,拱顶、边墙和仰拱围岩的主应力、应力路径和安全系数变化规律基本一致;开挖面在监测断面2倍洞直径之内时,开挖开始引起监测断面处应力变化,在1倍洞直径之内时,变化则比较明显;在监测断面前约0.3倍洞直径时,会引起应力急剧变化;随着隧洞的开挖,围岩主应力的方向也会发生旋转,最大主应力方向最终旋转为隧洞的切向,中间主应力方向旋转为隧洞的轴向,最小主应力方向旋转为隧洞的径向;当开挖面通过监测断面后,安全系数趋于稳定值,且大于1,说明该隧洞在此种支护措施下是安全的。

考虑试样宽度影响的绿片岩双轴压缩蠕变试验

对绿片岩试样进行双轴压缩蠕变试验,采用六元件黏弹性流变模型对试验曲线进行拟合分析,研究试样宽度尺寸对蠕变变形规律的影响。研究结果表明:相同应力水平下,当将试样的宽度逐渐增加时,轴向应变和侧向应变并非呈一直增加或减小的趋势;轴向稳态蠕变速率呈逐渐减小的趋势。蠕变试验曲线和理论模型曲线较吻合,说明六元件流变模型能较好地描述绿片岩的黏弹性蠕变特性。

层状岩体单轴和双轴压缩蠕变特性的数值试验

以绿片岩和大理岩组成的层状岩体为研究对象,采用FLAC^(3D)对互层状岩体进行了单轴和双轴压缩蠕变试验的数值分析,在数值分析中考虑荷载方向与层理之间的几何关系、大理岩矢层的体积分数、应力水平等的影响。研究结果表明:单轴和双轴压缩条件下,随着夹层倾角由0°增加至90°,轴向和夹层倾斜方向的应变绝对值均呈先增大后减小的变化规律;随着大理岩夹层体积分数的增加,轴向压缩变形和2个侧向方向的膨胀变形量均有所减小。单轴压缩条件下,当轴向荷载方向垂直于层理时,轴向压缩变形均大于轴向荷载方向平行于层理时的轴向压缩变形;双轴压缩条件下,当轴向荷载方向垂直于层理、侧向荷载方向平行于层理时,轴向压缩变形最大,当轴向荷载方向平行于层理、侧向荷载方向垂直于层理时,轴向压缩变形最小。

海水侵蚀后水泥砂浆的单轴动态力学性能研究

对经海水侵蚀后的水泥砂浆试件进行单轴动态压缩试验,研究应变速率、侵蚀溶液的类型和浓度对水泥砂浆的应力–应变曲线、极限抗压强度、峰值应变和弹性模量的影响。研究结果表明,水泥砂浆的强度随着应变率的增加而提高,水泥砂浆的强度越低,其强度对应变率更加敏感;随着应变率的增加,水泥砂浆的峰值应变会逐渐增加,但弹性模量会出现先增加后减小的变化规律。应变加载速率对经海水侵蚀后水泥砂浆的应力–应变曲线和强度的影响,与水灰比、侵蚀介质的类型、浓度和侵蚀时间有很大关系。

隧道掘进面接近地质界面时围岩的应力特征研究

隧道开挖地层中往往呈现出明显的地质变异性,如软硬岩层的不均匀分布等,使隧道开挖后的力学行为十分复杂。本文采用FLAC3 D初步分析了隧道掘进面接近地质界面时围岩的应力状态,并探讨侧向应力、纵向应力、断面形式对围岩应力的影响规律。分析结果表明:当隧道由硬岩往软岩或由软岩往硬岩向地质界面掘进时,掘进面前方围岩均有应力集中现象。隧道无论由硬岩往软岩还是由软岩往硬岩掘进至地质界面时,掘进面前方边墙位置围岩径向应力均随侧向应力的增大而增大,掘进面前方拱顶和边墙位置围岩纵向应力均随纵向应力的增大而增大。马蹄形隧道开挖至硬岩与软岩的地质界面时,掘进面后方边墙位置围岩应力均小于圆形隧道相应位置的围岩应力。

双轴压缩条件下绿片岩的卸载蠕变特性试验

对绿片岩进行双轴压缩状态下的加卸载蠕变特性试验,并基于Mohr-Coulomb屈服准则得到塑性元件,将该塑性元件与六元件黏弹性流变模型组合得到复合黏弹塑性流变模型。研究结果表明,当以定侧压比同时施加轴向和侧向荷载时,轴向和侧向应变基本随着荷载等级的增加而增加;当将轴向荷载和侧向荷载同时卸载时,轴向和侧向应变均随荷载等级的不断减小而减小;卸载前后的应力水平差越大,不可恢复的瞬时应变也越大;蠕变试验曲线和理论模型曲线较吻合,说明复合黏弹塑性流变模型能较好地描述绿片岩的蠕变特性。

互层状岩体的粘弹性流变模型及数值分析

以绿片岩和大理岩互层的层状岩体为研究对象,分别建立单轴轴向压缩荷载垂直和平行于层理时的两种互层状岩体粘弹性流变模型,采用有限差分程序FLAC3D对互层状岩体进行了单轴压缩蠕变试验的数值分析,将轴向应变的数值解与理论解进行对比,验证这两种模型的正确性.在数值分析中考虑大理岩夹层的体积分数、深度、条数和间距等对数值计算结果的影响.研究结果表明,轴向应变的数值解与理论解比较接近,说明提出的两种互层状岩体粘弹性流变模型是正确的.当进行单轴压缩蠕变试验的数值分析时,轴向应变理论解与数值解的误差随着大理岩夹层的深度、条数和间距等的改变呈规律性的增加或者减小.

三种Mohr强度准则的对比分析

简述了Mohr-Coulomb强度准则、抛物线型Mohr强度准则和双曲线型Mohr强度准则,并采用3种高应力下岩石的真三轴试验结果对这3种强度准则进行对比分析。研究结果表明:在高应力条件下,硬岩的试验值与MohrCoulomb强度准则和双曲线型Mohr强度准则的预测值均比较接近。Mohr-Coulomb强度准则是线性强度准则,双曲线型Mohr-Coulomb强度准则是非线性强度准则,因此,可认为双曲线型Mohr强度准则更适合用于描述高应力条件下岩石的强度变形特征。