长江小南海水利枢纽坝基弱风化岩体工程力学性质研究及可利用探讨

小南海水利枢纽为长江上第三座大Ⅰ型水电工程,坝基为典型的红层软岩,岩体风化层次分明。坝基覆盖层及强弱风化带平均厚约18m,其中弱风化带平均厚约6m,若全部挖除,相当于总开挖深度的1/3,开挖工程量巨大。从坝区大范围岩体波速的分布、工程岩体质量分级、岩体变形特性及强度特性等方面对比研究弱风化岩体与微风化岩体的差别,探讨弱风化岩体作为建基面的可能性。本阶段的试验研究结果说明,弱风化与微风化岩体均为IV级,弱风化岩体的岩石力学参数与微风化岩体差别不大,具备作为建基面的工程力学条件。

三峡工程岩石力学研究50年

在搜集和整理三峡工程岩石力学历年科研成果的基础上,综述三峡工程50 a来的岩石力学研究工作和成果,包括三峡工程兴建与中国岩石力学学科诞生的关系、三峡工程岩石力学4个研究阶段与相应研究内容、岩石力学研究为三峡工程所解决的8个主要工程问题以及受三峡工程问题的推动,岩石力学学科在理论和技术上所取得的主要成就。

锦屏大理岩加、卸载应力路径下力学性质试验研究

地下岩体开挖卸荷应力路径不同于加载应力路径,由此引起的岩体强度、变形特征和破坏机制也不尽相同。针对锦屏二级水电站引水隧洞群围岩赋存于高地应力环境的特点,对其中3#引水隧洞大理岩开展单轴加、卸载以及三轴压缩和高应力条件下的峰前、峰后卸围压等4种不同应力路径力学试验,得到了的应力–应变全过程曲线、变形破坏特征和主要力学参数的变化规律。试验研究结果表明:(1)建立在岩样单轴逐级等量加、卸载应力路径下的回滞环面积递减,尤以屈服阶段的卸载对应变影响最大;(2)不同围压下岩样三轴压缩全过程试验结果表明,当围压达到40 MPa时,应变软化特性转化为理想塑性,可以认为该值为锦屏大理岩脆-延转化点;(3)对比以上不同应力路径下的强度准则方程以及峰前、峰后黏聚力和内摩擦角,相同初始应力条件下,岩石卸载破坏所需应力变化量比三轴压缩破坏情况下对应的应力变化量小,说明岩石卸载更容易导致破坏;(4)在变形破坏机制方面,由于峰后比峰前卸围压塑性变形大,岩样塑性变形已吸收较多的弹性变形能,其脆性特性受到抑制,因而不像峰前卸围压破坏具有突发性,岩样由张性破坏过渡到张剪性破坏;(5)根据大理岩岩样加、卸载破坏断口SEM扫描结果,从细观角度验证了脆性岩石在不同路径下微观剪断裂破坏机制。总之,以上研究结果揭示了锦屏大理岩加、卸载应力路径下力学特性差异,对解决工程实际问题具有重要的参考价值。

砂岩三轴卸荷力学特性试验研究

基于三轴卸荷破坏试验,分析研究砂岩在卸荷应力状态下的应力-应变及破坏特征。试验结果表明:岩体卸荷破坏时脆性特征非常明显,相比于加载破坏,卸荷破坏更加突然和剧烈,岩体破碎程度更高;卸荷过程中轴向变形随围压降低不断增加,在开始卸荷阶段增加较慢,当卸荷量达到一定值后,变形突然增大,很小的卸荷量就会引起较大的变形。根据卸荷过程中岩体应力-应变曲线变化特征,将卸荷量作为重要参量,假定岩体在卸荷损伤屈服阶段符合Griffith屈服准则,接近极限破坏强度时符合Hoek-Brown屈服准则,认为卸荷造成岩体屈服发生塑性变形后,岩体卸荷条件下的屈服函数随卸荷量在Griffith准则和Hoek-Brown准则间呈线性变化,推导考虑卸荷应力状态的弹脆塑性力学模型。

超大跨度悬索桥隧道锚承载特性的岩石力学综合研究

针对四渡河特大桥宜昌岸隧道锚承载特性问题,采用基于岩石力学的综合研究方法,从围岩地质与力学特性、隧道锚1∶12实体模型试验及隧道锚承载特性数值分析等方面,对隧道锚与围岩岩体变形机制、时效特征及超载安全性等方面开展系统研究。结果表明,通过岩石力学试验及基于实体模型试验获得的隧道锚围岩弹塑性及流变参数符合实际;在设计水平下,隧道锚锭围岩变形在mm级水平;隧道锚极限抗拉拔力≥7.6倍设计载荷,满足锚固安全系数>4.0的设计要求;实桥隧道锚碇的长期安全系数≥2.6。通过工程实际施工过程中的监测实施,对研究成果和结论的合理性进行验证。研究技术路线及成果可供山区类似桥梁建设借鉴。

拱坝坝肩岩石流变力学特性试验研究及其长期稳定性分析

采用岩石全自动三轴流变伺服仪,对小湾水电站两岸山体的蚀变岩进行三轴流变力学试验,得到岩石典型的流变全程曲线。流变试验结果表明:较高应力水平条件下,蚀变岩具有较为显著的流变特性,流变变形量大,流变速率快。基于试验结果,研究蚀变岩在不同应力水平下流变变形随时间的变化规律,分析试样的流变破裂形式与机制,掌握了蚀变岩三轴流变的基本特性。采用Cvisc流变模型对蚀变岩流变试验曲线进行辨识,得到相应的流变力学参数;基于三维非线性数值分析方法,采用黏弹塑性流变本构模型,模拟小湾水电站长期运营条件下的流变力学行为,并与弹塑性计算条件下进行对比分析。结果表明:小湾水电站拱坝及坝肩岩体长期流变变形明显大于弹塑性变形;考虑岩石流变作用使得应力场随时间增长发生重分布,局部应力集中现象有所缓解;坝肩岩体受力初期表现出较为显著的流变特性,流变一定时间后,流变速率变得恒定平稳,流变变形趋于稳定。

页岩卸荷流变力学特性的试验研究

岩体开挖卸荷产生的变形具有时间效应,其瞬时力学及流变力学响应都会有一定的变化。当前,对此流变行为的研究多建立在加载力学基础上的岩石流变试验,而未考虑岩石卸荷应力路径下的流变特性,往往与实际力学过程不相吻合。选取乌江彭水水电站地下厂房新鲜页岩进行恒轴压、逐级卸围压应力路径下的卸荷流变试验,对岩石的三轴卸荷流变特性进行初探。试验表明,页岩在较低应力水平下,轴向及侧向蠕变曲线呈现出衰减阶段的流变特性。基于试验成果,对H-K三元件模型参数进行非线性回归,从而得到页岩在该应力状态下的卸荷流变本构方程。研究表明,该模型能很好地描述该应力路径下页岩的卸荷流变行为。

国标《工程岩体分级标准》的应用与进展

依据已发表的与《工程岩体分级标准》(GB50218—94)(简称《国标》)相关的各类文献成果的整理与分析,对《国标》执行以来的工程应用实践效果、《国标》与RMR,Q系统及HC法等分级方法的相关性、在行业标准制订上的推动作用、以及基于《国标》的研究方法进展及相关完善建议等进行总结和综述。基于多个工程200余组实测数据的统计分析,给出《国标》BQ值与RMR分值间的综合统计回归公式,对《国标》BQ法与RMR法级别划分的对应性进行验证。研究表明,该分级方法体系严谨,具有很强的科学性和可操作性。利用岩体基本质量指标BQ,减少分级的主观性,提高分级的精度,降低工作难度,方便不同设计阶段的工程应用。另一方面,在已有实践基础上,有必要对该分级方法作进一步的修订和完善。

软硬互层岩体卸荷蠕变力学特性试验研究

利用岩石全自动三轴蠕变仪对锦屏二级水电站辅助交通洞典型灰白色细晶大理岩与绿片岩软硬互层岩样开展卸荷蠕变试验,得到岩样轴向、侧向典型的蠕变全程曲线。蠕变试验结果表明:围压较高时,试样的轴向与侧向变形随时间的推移变化不大,蠕变现象不明显;随着围压逐渐减小,试样的蠕变变形越来越显著,在最后一级出现了典型的蠕变3个阶段并发生了非线性加速蠕变现象直至试样破坏。软硬互层岩样三轴卸荷蠕变破裂形式主要以剪切破坏为主,局部伴随着一定程度的张拉破坏,主裂纹与水平面大致呈45°角,剪切破裂面较为单一平整,且破坏面基本是沿着强度较低的绿片岩层理内部并平行于层理面产生和扩展贯通而形成的。在加速蠕变阶段之前,其侧向蠕变变形比轴向蠕变变形小,但试样处于加速蠕变阶段时,侧向蠕变变形量与蠕变速率均要高于轴向蠕变;这表明随着时间的增长和围压的降低,岩样的侧向蠕变比轴向蠕变更为灵敏,而且体积扩容效应显著。卸荷条件下,蠕变力学参数表现出较为显著的非定常性规律,当外荷载小于岩样长期强度时,岩石卸荷蠕变力学参数与卸荷量有关,随着卸荷量的增大逐渐弱化;当外荷载大于岩样长期强度时,岩石卸荷蠕变力学参数不仅与卸荷量有关,而且还与蠕变时间有关。

微裂隙对工程岩体强度参数的影响分析

通过分析压剪微裂隙尖端应力场,对含微裂隙岩体的起裂强度进行估算。计算结果表明,岩体起裂强度与微裂隙和最大主应力夹角以及围压的大小有关。当围压增加时,岩体的起裂强度增大,起裂角减小;当围压一定时,仅当微裂隙与最大主应力夹角在阀值范围内时,其才对岩体的起裂强度产生影响,并且随着围压的增加,该阀值的范围将逐渐减小;此外,微裂隙的持续扩展也需施加较高的应力。因此,对于浅表工程岩体,岩体破坏主要受贯通裂隙控制,采用数值分析方法时可以忽略微裂隙对岩体力学特性的影响。

水电工程岩体变形模量与波速相关性研究及应用

水电工程常常用原位岩体承压板法变形试验的变形模量E0与对应部位岩体的纵波速度VP之间的关系来确定大范围及深部岩体宏观变形参数,E0-VP的相关性与试点的地质代表性、测试方法、试验数量、选用的函数关系等有关。介绍建立E0-VP关系的试验方法及影响因素,以典型工程为实例,从试验数量、地质代表性、试验条件及函数关系4个方面研究E0与VP之间的相关性及对宏观变形参数的影响程度,分析国内10多个水电工程建立的E0-VP关系特点及一般规律。研究表明,在考虑主要影响因素后,建立的E0-VP关系具有一定的普遍性和适用性。对评价不同勘探阶段大范围岩体和深部岩体变形参数具有十分重要的工程意义。

弱能量爆破技术在地下隧洞工程岩爆治理中的应用试验

介绍弱能量爆破治理岩爆的原理,以锦屏水电站二级引水隧洞为背景工程,采用FLAC3D程序模拟高地应力的分布,采用Russenses岩爆判别法确定应力释放部位,拟定4种应力释放爆破方案,每个方案进行3组爆破试验,对试验成果进行分析,试验表明通过对爆炸能量的精心控制,可以起到释放高地应力从而达到治理岩爆的目的。但该方法只是把应力向深部推移,并不能消除地应力,因此及时的支护手段还是必须的。

昔格达组半成岩微观结构与力学性质研究

以金沙江寨子村昔格达组半成岩为研究对象,通过X射线衍射、电镜扫描,测定了矿物成分、天然与饱和状态矿物颗粒微观结构;通过三轴压缩试验,研究了昔格达组半成岩受水和围压影响的强度及变形变化规律,并探讨了微观机制;通过对昔格达组半成岩、土、软岩强度指标与含水率的关系进行统计,分析了昔格达组半成岩不同于土和软岩的强度特性,并给出了针对此类岩土体的工程分级建议。研究表明:(1)微观结构显示昔格达组半成岩有明显不同于土和岩石的弱胶结结构特征,在饱和后胶结结构易遭破坏;(2)昔格达组半成岩黏聚力、摩擦角均随含水率增加而减小,平均模量在高含水率下随围压增加而增大,围压一定时随含水率增加而减小;(3)昔格达组半成岩、土、软岩的黏聚力大小为软岩>昔格达组半成岩>土,黏聚力对含水率的敏感性为软岩>昔格达组半成岩>土,摩擦角对含水率的敏感性为土>昔格达组半成岩>软岩;(4)将Φ50 mm×100 mm标准试件的单轴抗压强度在0.2~3 MPa,黏聚力在30~200 kPa的岩土体归类为硬土-软岩,建议在工程实际应用中将其与岩石和土进行区分。

岩溶角砾岩物理力学特性现场试验研究

针对白马航电枢纽采用混凝土重力坝,两岸坝肩分布有岩溶角砾岩,其粒径大小不一,基本呈散粒状、较疏松,且夹有泥质条纹条带,开挖后形成的高陡边坡存在变形稳定问题。本文根据边坡及坝基稳定性分析的需要,对岩溶角砾岩开展了岩体变形试验、直剪强度试验、三轴压缩试验和物理性质试验等一系列的工程岩体试验研究,取得了一系列较完整的试验成果。在此基础上结合工程地质情况,采用工程地质类比法提出了该电站的岩溶角砾岩力学参数试验建议值:变形模量0.05~0.25 GPa,弹性模量0.25~0.50 GPa,抗剪断强度f′为0.4~0.6,c′为0.08~0.3 MPa,抗剪强度f为0.35~0.45。

岩土工程三轴试验微摩擦荷载传力板的研制及初步应用

针对粗粒土三轴试验中存在的端部约束问题,基于土体与加载板之间的接触由“整体接触变为分散式接触、滑动摩擦变为滚动摩擦”的减摩新方法,研制了岩土工程三轴试验微摩擦荷载传力板。详细介绍了该装置的研制思路、结构原理和细部构造,并通过数值计算进一步论证了分散式接触代替整体接触的减摩措施效果。利用该装置和应力应变式大型三轴仪对典型砂土进行了常规和端部减摩的固结排水三轴剪切试验,研究砂土在端部正常约束和端部自由(微摩擦)条件下的强度和变形特性,分析端部约束对砂土应力应变特性的影响规律。结果表明,端部约束是试样出现鼓胀的根本原因,常规试验方法高估了试样的峰值强度,易使偏应力应变曲线表现软化,并使试样的体变曲线更突出表现出剪胀性。该装置有效解决了三轴试验的端部约束问题,提高了三轴试验结果的可信性。

重庆长江特大悬索桥隧道锚碇区岩体稳定分析

运用三维有限差分法(FLAC-3D)对重庆鱼嘴长江特大桥的隧道锚碇区岩体稳定性进行了数值模拟,分析了原始山体、施工开挖后以及在主缆荷载、塔基荷载作用下岩体的变形、应力状态以及拉应力、塑性区分布,计算了各种工况下岩体的稳定性。根据计算分析结果,对隧道锚碇区岩体稳定性进行综合评价。目前在建的大型特大型悬索桥隧道锚碇不多,加之此软硬岩互层区建隧道锚的工程实例非常少见,因此进行该隧道锚碇区岩体的稳定性分析,具有一定的工程实用价值和推广借鉴价值。

自然单元法在岩土工程中应用两例

自然单元法(NEM)是较近出现的一种无网格方法,其形函数兼有无网格的特点和传统有限元的优点,是一种理想的适合岩土工程问题计算的新型数值方法。介绍了自然单元法的基本原理和特性,并讨论了其在岩土工程中的具体应用。将Goodman 单元引入自然单元法以实现对不连续面的模拟,研究表明,在 NEM 中加入节理单元的总体原则和具体的实施细节与 FEM 中完全相同:而在一般的无网格方法中,则稍微复杂一点。为了实现对岩土工程中常见的无限域或半无限域问题的模拟,引入了无界单元;由于自然单元法的特性,自然单元法和无界元可实现无缝"耦合"。具体的数值算例验证了上述思路。

聚丙烯腈纤维混凝土在西部高寒地区水利工程中的应用研究

针对西部高寒地区特殊气候条件,对不同温度条件下、不同掺量的聚丙烯腈纤维混凝土的抗裂性能、力学性能、变形和耐久性等性能进行试验研究。结果显示,聚丙烯腈纤维能显著提高砂浆的抗裂性能。常温下在混凝土中掺入聚丙烯腈纤维对混凝土有少许的弱化作用,但在低温条件下冻融循环后当聚丙烯腈纤维混凝土掺量为0. 5%时的抗压强度、弹性模量和变形模量均较高,质量损失率则较低。因此,在西部高寒地区,聚丙烯腈纤维掺量为0. 5%时,能提高混凝土的抗裂性能、低温力学性能和抗冻性,聚丙烯腈纤维混凝土可用于水利水电工程项目中。

基于多数据源分析的隧洞围岩力学参数取值研究

针对缺乏现场岩石力学试验时的隧洞围岩力学参数取值问题,提出了基于多源数据分析的隧洞围岩力学取值方法。首先,提出用室内岩石力学试验成果推演岩体力学参数的使用原则,建立了岩石和岩体力学参数的初步联系;依据规范建议和现场试验统计,提出基于质量分级的岩体力学参数界限,并结合基于经验型准则的岩体力学参数估计值,形成了基于多源数据的围岩力学参数的建议取值范围;采用数值分析方法,对建议取值范围内的力学参数进行敏感性分析,获取了不同围岩力学参数取值方案条件下的塑性区深度和围岩变形的量化规律,并依据工程计算经验缩减了岩体力学参数范围;最后,进一步结合类似工程案例的现场力学试验成果,提出了围岩力学参数的取值方案。工程应用表明,该方法有效解决了缺乏现场岩体力学试验条件下的隧洞围岩力学取值问题,可为具有类似情形的隧洞支护设计和围岩稳定评价提供参考。

盾构机始发井深基坑力学和变形特性离心模型试验研究

为探究盾构机始发井深基坑开挖过程中周边土体的应力、变形和土压力分布规律,通过对工程原型进行概化,在典型土层条件下,采用停机-开挖-支护的模拟方式开展了方形基坑和圆形基坑两种方案共2组离心模型试验,从地连墙的弯矩和其后土体的水平位移、基坑外侧土压力分布以及地表沉降等角度,对比分析了两种盾构机始发井深基坑开挖过程的工程特性。结果表明:地面沉降随基坑开挖深度增大逐渐增加,形成沉降槽状;地连墙土压力变化呈非线性,随着基坑开挖不断深入的,离地表较近处的土压力逐渐变大,而深处的土压力则逐渐减小;在第5步开挖时2组模型地下连续墙水平位移均达到最大值,圆形基坑是方形基坑的1.4倍,同时地连墙的弯矩也达到最大值,圆形基坑比方形基坑小320 kN·m。研究成果可为深埋隧道深基坑的优化设计和开挖提供指导。