（岩土工程专业论文）锦屏二级水电站引水隧洞围岩卸荷力学特性试验研究与应用.pdf

摘要 岩石工程中石方开挖和地下隧道的丌挖为卸载条件，当胁在岩体力学的计算 分析中，采用的是常规加载试验得到的参数和常规的计算模型和方法。即使是在 丌挖中模拟卸荷，但也是按荷载线性减少及常规分析方法进行考虑的，且其参数、 本构关系及计算软件均为加载条件。实际，卜- ，开挖本身为卸荷过程，不但表现存 计算荷载为卸载，更重要是相应的岩体卸荷力学状态的岩体力学参数、本构关系 及训算软件均为卸荷条件。 斟此，现阶段开挖工程研究分析资料与工程实际观测成果很小一致，其主要 坂凶是数值分析参数及模型与实际受力状态不一致所造成的。本文以锦屏二级水 电站引水隧洞围岩为研究对象，得到了以下一些结论： ( 1 ) 针对岩石卸荷工程监测结果与常规加载分析结果差别较大的实际情况， 对取自锦屏二级电站引水隧道中的大理岩样，在室内进行了系统的岩石卸荷试 验，分析了卸荷过程中岩石的力学性质。 采用微观试验的方法对锦屏二级电站引水隧道中的大理岩进行研究。对保持 主应力和不变的条件下大理岩卸荷试验破坏试样进行了电镜扫描，用灰度分布图 统计微结构参数，从而探讨卸荷过程中的微观结构变化规律。 ( 2 ) 在假设岩石微元的损伤符合统计规律的情况下，定义了损伤变量，推导 了考虑卸荷影响的岩石弹性损伤本构方程，用数据拟合的方法，得到了不同卸荷 破坏应力状态下的卸荷损伤模型参数，并且验证了模型可以较好的模拟卸荷的应 力虑变曲线。 p ) 根根据得到的统计损伤本构模型，用有限元程序对锦屏的引水隧洞开挖 进行了计算，并与不考虑卸荷的有限元计算进行比较。 关键词：大理岩卸荷试验损伤本构模型有限元 a b s t r a c t i nr o c ke n g i n e e r i n g ，r o c ka n dt u n n e le x c a v a t i o ni su n d e ru n l o a d i n gc o n d i t i o n ， t h i si sa b s o l u t e l yc o n t r a r yt ot h er o c km e c h a n i c sa n a l y s i s w h i c ha l w a y su s el o a d i n g c o n d i t i o np a r a m e t e r sa n da c c o r d i n gc a l c u l a t i o nm e t h o d s e v e nc o n s i d e r i n g1 i n e a r u n l o a d i n gd u r i n gt h ee x c a v a t i o ns i m u l a t i o n ，i ti sa l s oc o n d u c t e db yn o r m a lm e t h o d a n di t sc o n s t i t u t i v ee q u a t i o na n dp a r a m e t e r s c a l c u l a t i o ns o f t w a r ei si nf a c tc o n s i d e r e d a sl e a d i n gc o n d i t i o n i nf a c t ，e x c a v a t i o ni sap r o c e s s o f u n l o a d i n g ，n o to n l yt h el o a di s u n l o a d i n g ，b u ta l s os t r e s sc o n d i t i o n ，p a r a i n e t e r sa n dc o n s t i t u t i v er e l a t i o na r ea l s o u n d e ru n l o a d i n gc o n d i t i o n c u r r e n t l y , t h ee x c a v a t i o na n a l y s i sr e s u l t sd on o tf i tt oi n s i t um e a s u r e ，s o m e t i m e s t h ed i f f e r e n c ei st e nt i m e s ，t h i si sm a i n l yb e c a u s et h ea n a l y s i sp a r a m e t e r sa n dm o d e l d on o tf i tt ot h ea c t u a l l o a d i n gc o n d i t i o n t h i st h e s i sm a i n l yd i s c u s sm a r b l e s u r r o u n d i n gr o c ko ft h ej i n p i n gh y d r a u l i cp o w e rp l a n t ，a n ds o m ec o n c l u s i o n sa r e s u m m a r i z e da st h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) a i ma tt h eg r e a td i f f e r e n c eb e t w e e nt h ei n s i t um e a s u r ea n dn o r m a ll o a d i n g a n a l y s i sr e s u l t ，i n d o o ru n l o a d i n ge x p e r i m e n ta r ec a r r i e do u tu s i n gm a r b l es u r r o u n d i n g r o c ko ft h ej i n p i n gh y d r a u l i cp o w e rp l a n t ，a n dt h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r sd u r i n g u n l o a d i n ga r ea n a l y z e d m i c r o s t r u c t u r em e t h o da r eu s e dt oa n a l y z et h em a r b l es u r r o u n d i n gr o c ko ft h e j i n p i n g h y d r a u l i cp o w e rp l a n tu n d e rt h ec o n d i t i o no fp r i n c i p l es t r e s sk e p t u n c h a n g e d ，t h e f a i l u r es e c t i o no f s p e c i m e n s a r es c a n n e d b ys e m ，s t a t t h e m i c r o s t r u c t u r eu s i n gc o m p u t e r , t h ec h a n g i n gl a w su n d e ru n l o a d i n ga r ed i s c u s s e d ( 2 ) b ya s s u m i n gt h ed a m a g eo fr o c ki n f i n i t e s i m a li s f i tt os t a t i s t i c a l1 a w ，a d a m a g ev a r i a b l ei sd e f i n e d ，a n dac o n s t i t u t i v ee q u a t i o nc o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo f u n l o d i n gi sd e d u c e d b yd a t af i t t i n g ，t h ep a r a m e t e r su n d e rd i f f e r e n tu n l o a d i n gf a i l u r e a r eo b t a i n e d ，a n di th a sb e e nv e r i f i e dt h a tt h em o d e lc u r v ec a nf i tt ot h ee x p e r i m e n t a l c u r v ew e l l ( 3 ) af e me q u a t i o ni sd e d u c ef r o mt h es t a t i s t i c a ld a m a g ec o n s t i t u t i v em o d e l ，a c a l c u l a t i o ni sc o n d u c t e dt ot h ej i n p i n gw a t e rg u i d i n gt u n n e le x c a v a t i o nu s i n gt h et h e p r o g r a ma c c o r d i n g t ot h ec o n s t i t u t i v em o d e l ，a n df e mr e s u l tw h i c hd on o t c o n s i d e r i n gu n l o a d i n gi sc o m p a r e dt ot h ea b o v er e s u l t k e y w o r d ：m a r b l e ，u n l o a d i n ge x p e r i m e n t s ，d a m a g ec o n s t i t u t i v em o d e l ，f e m 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 五幽鸸 2 0 0 6 年3 月2 3 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘 版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容 相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部 分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：垂垣遭2 0 0 6 年3 月2 3 日 第章绪论 第一章绪论 1 1 研究的目的及意义 随着国家经济的发展和对能源的迫切需要，国家进行了大量的水电开发和矿物开 采，在工程建设的过程中遇到了许多岩体边坡丌挖和地下洞室的开挖问题，能否较好的 解决这些岩体工程课题，直接关系到工程的安全进行。从实际情况来看，这些岩体工程 问题的解决是不尽人意的，还需要进一步的研究。以下是一些相关岩体工程的实际情况： 长江链子崖危岩体位于长江西陵峡南岸，距长江三峡工程坝址2 0 h n 处，靠近兵书 宝剑峡的出口。崖体上中部由二叠系厚层灰岩组成，并有泥灰岩软弱夹层，形成百米以 上陡崖，崖体下部1 6 4 o m 的煤系地层形成边坡软基座，危岩体被数十条裂缝所切割。 r 卜年来，各界学者对链子崖危岩体进行了广泛的研究工作，在数值计算方面，采用加 载岩石力学理论及分析程序进行了大量计算。计算结果表明，该危岩体的计算最小裂缝 丌度仅为3 c m ，而现场实际裂缝开度大于2 0 0 c m 。 金川露天镍矿于1 9 6 6 年投产，1 9 7 6 年当开挖深度约l o o m 时出现较严重的边坡变形， 有关单位对其变形破坏进行了有限元数值模拟。采用加载岩体参数及加载有限元分析软 件其分析结果边坡最终最大变形在2 0 c m 左右( 当抗拉强度为2 o m p a 时) 。传统方法因 采用了与实际情况不相吻合的加载参数及计算模型，其计算成果与实际观测资料有数量 级的区别，甚至变形趋势变化不一致，差值大达4 0 倍。 在二滩地下工程中许多前人的研究结果认为：在无支护条件下，洞室最大位移发生 在底部，其值不超过2 9 r a m ；在洞室边墙及洞顶其位移约为l c m 。由工程中监测数据来 看，顶拱变形很小约5 m m ，边墙变形一般为2 0 5 0 r a m ，一些部位大达l o o m m 以上，远 远超过了计算值n 从以上的工程实际情况可以看出，采用加载的思路来研究地下工程和边坡工程中的 卸荷岩石力学问题是不合适的，其研究的结果和实际情况有较大的差距，势必会给工程 建设带来不安全的因素f 2 】。因此对岩体卸荷的工程性质和卸荷岩体的计算方法与常规的 加荷情况区分开来进行单独的研究是符合工程的实际需要的。 总体上讲，岩体工程可分为地面工程和地下工程。地面工程又可分为基础工程和边 坡工程。由于不同的结构形式，它们的力学条件各不相同。地下工程中，洞室形成后， 洞室开挖卸载。产生二次应力场，二次应力场在其切向主要表现为加载，在其径向为卸 载。地面工程中的基础工程，当基础形成后，其力学条件为少量卸荷回弹，建筑物建造 后主要表现为加载，并避免出现拉应力条件，如大坝的基础、房室基坑等。 地面工程中的边坡工程，虽与基础工程一起同属于地面工程，但力学状态截然相反。 河海大学硕士论文 边坡工程开挖后，岩石边坡本身已作为一种独立的土木工程存在，原有的力学平衡状态 被破坏，其力学状态为卸荷，由初始的应力条件至新的边坡工程的应力状态，是麻力释 放的过程。特别是深挖岩石高边坡和深埋大型地下洞室，开挖深度大、尺度大，应力释 放量级高，在边坡和大型体型不好的地下洞室的局部，在应力释放后所形成| e 向二次应力 场，使边坡可能出现一定范围的拉应力区，咀及较大范围的卸荷区。 综上所述，处于基础工程中的岩体处于加载力学状态，边坡工程中岩体处于卸荷力 学状态。地下工程中岩体加载和卸荷同时存在，与基础工程和边坡工程的力学动态均有 差异。岩体工程的分类如图1 - 1 所示。 岩体工程在加载与卸荷不同力学动态条件下，岩体力学性质有本质的区别。因此对 岩体力学的研究与分析应区分加载和卸载这两种不同的形式。过去的研究主要在岩体的 加载性质方面。基础工程和地下工程基本上为加载力学条件，可应用加荷岩体力学。由 于边坡工程主要力学状态为卸荷，因而应应用卸荷岩体力学方法。 图1 - 1 岩体工程的分类 基础工程i 姻程 力学条件：加载 ll 盥一餐一墒 试验条件；加载实验条件：初始应力一蚵埔嚣试验条件：切向加载 径向一卸载 图1 - 2 各种岩体工程的力学条件 加载岩体力学是目前岩体力学研究的主要内容，基础工程和地下工程的岩体力学条 件一般符合加载岩体力学条件，因其岩体力学试验条件及其所取参数，以及力学分析计 2 脯减 ，、1、 胙哺傩彰 茂一纫一 第一章结沦 算模型也为j j j 载条件，故岩体工程力学条件与计算模型的假定基本r 是一致的。 岩石边坡工程叶1 石方开挖为卸载条件f 与地r 工程和基础1 一程不i 司1 ，当前在边坡工 种岩体力学的汁算分析中，采用的是常主! l ! 的加载试验成果及其参数和常规的计算模型和 方法，与边坡工程开挖产生大面积卸简的力学条件以及卸荷岩件在卸荷条件下的力学特 性截然相反，即使是在卅挖模拟中采用卸荷模拟，但也是按荷载线性卸荷及常捌分析方 法进行考虑的且其参数、本构关系及其计算软件均为加载条件【3 。实际上，边坡丌挖 本身为卸荷过程，币但表现在计算荷载为卸载，更重要是相应的岩体卸荷力学状态的岩 体力学参数、本构关系及其计算软件均为卸荷条件。冈此，现阶段边坡工程研究分析资 料与工程实际观测成果很不一致，且有数量级差别，其主要原因是数值分析模型及其参 数与实际物理模犁不一致所造成的，而实际工程为卸荷非线性力学模型。 节理岩体在加载或在卸载力学状态f 的差别，不但表蛾在彤式上，更重要的表现在 其内容上，如本构关系、力学参数、分析方法等，因此，对具体岩体工程的研究，应分 别应川加载岩体力学或卸载岩体力学理论与方法束进行，不可混淆，各种岩体工程的力 学条件如图 - 2 所示。 1 2 卸荷岩体力学研究内容 卸荷岩体力学是岩体力学的罩要组成部分，是常规岩体力的补充和扩展。卸荷岩体 力学是研究卸荷岩体力学行为的科学它与常规岩体力学既有联系，又有区别，是一个具 有丰富内容的研究系统，它包括如下几个力面： 1 卸荷岩体的工程地质研究。 2 卸荷岩体的力学特性及其参数研究。 3 卸荷岩体本构关系及计算方法研究。 4 卸荷岩体加固的理论与力法研究。 卸荷岩体加固的理论与方法研究是卸荷岩体力学研究的h 的，它主萤包括如f 内 容： 根据岩体力学研究的总原则，充分利用岩体自身强度承载，因此，首要的问 题应是岩体结构的优化研究。 研究岩体合理的加固部位、合适的加圊时阳j 、具体的加固方法与措施，及其 优化等。 综上所述，卸荷岩体力学的研究包括地质、参数、计算方法、试验方法、加阎等方 面，其学科内容涉及到工程地质、力学、数学、t 程学等若于学科，而这些学科不同程 度上渗透到卸荷岩体力学的各个方面，对于这样一个专业面宽、学科渗透复杂、相互交 义、相互渗透的研究系统，因此只有运用系统工程的原理和方法才能取得良好的成果。 叉、相互渗透的研究系统，因此只有运用系统工程的原理和方法才能取得良好的成果。 河海大学硕士论文 i 3 本文的主要内容 ( 1 ) 针对岩石卸荷工程所表现出来的与常规加载分析方法差别较大的实际情况对 耿自锦屏二级电站引水隧洞围岩，在室内进行了系统的岩石卸荷试验，设计了不同的卸 荷方式，包括： 1 、在保持主应力差不变的条件下和保持轴向位移不变的条件下卸除围压，分析了 卸荷对大理岩变形模量的影响和卸荷过程中大理岩的变形特征，与对应的加荷试验进行 了比较。 2 、为了模拟隧洞开挖的卸荷，在保持主应力和不变的条件进行了卸荷试验，分析 了卸荷条件下大理岩的变形特征和强度和破坏模式。 f 2 1 采用微观试验的方法对卸荷试验的破坏试样进行研究，对保持主应力和不变的条 件大理岩卸荷试验破坏试样进行了电镜扫描，用灰度分布图统计微结构参数，从而探讨 卸荷过程中的微观结构变化规律。 ( 3 ) 在假设岩石微元的损伤符合统计规律的情况下，定义了损伤变量，推导了考虑 卸荷影响的岩石弹性损伤本构方程。 ( 4 ) 根据得到的统计损伤本构模型，用有限元程序对锦屏的引水隧洞开挖进行了计 算，并与不考虑卸荷的有限元计算进行比较。 4 第二章大理岩卸荷试验研究 第二章大理岩卸荷试验研究 2 1 概述 2 i t 1 试验概述 岩石力学 4 1 ，顾名思义，它是研究岩石的力学性态的理论和应用的科学，是探讨岩 石对其周围物理环境中力场反应的学科，具而言之，就是研究岩石在荷载作用下的应力、 变形和破坏规律以及工程稳定性等问题【5 j 。岩石力学是门密切联系工程建设的新兴学 科，同时也是一门试验性很强的介于力学和地质科学之问的边缘学科。在我国社会主义 建没事业中，几乎处处离不开岩石力学。在实际工程中，岩体和工程建设物本身构成不 可分的整体，工程设计必然要针对包括岩体在内的力学模型进行分析研究，而合理的测 定或确定可靠的岩石力学参数，不仅是岩石力学中的一个重要组成部分，而且是工程地 质评价和工程优化设计的基本数据，合理确定这些参数对工程的安全性和经济性的影响 极为巨大1 6 1 。由于岩体原位试验受环境等各项因素影响，想要在全区范围内进行全面的 现场试验难度颇大，因而在关键区域内采集岩样，在室内进行岩石试件的试验工作可以 作为原位试验的有效补充。毋庸置疑，室内岩石试验是研究岩石力学重要的手段之， 而获得的关于岩石及岩体可靠的力学行为特性将是研究罗湖断裂带岩土体变形规律的 卣接切入点。同时室内试验工作还具有能够方便长期观察、可以人为控制试验条件、摒 除次要因素、重复次数多和耗资较少等特点。试验工作揭示了岩体在各种受力条件下的 强度特性，为深入开展岩体强度特性研究奠定了基础。 理论来源于实践，并需要通过实践来检验其正确与否。试验是科学研究的基础，岩 石力学的研究也是从试验开始的。尽管尚未发现古人的工程试验记录，但几千年前埃及 和古印加人在修建金字塔和寺庙时，必然已经考虑到了岩石的强度问题，否则那样宏伟 的石质构筑物是无法在地表上矗立千年之久的。文艺复兴时期d av i n c i 的“不同长度铁 丝的强度试验”pj ，可能是目前己知的最早的力学试验记录f 大约公元1 5 0 0 年) 。有记载 的第一台岩石力学试验机大约是1 7 7 0 年由e m g a u t h e y 制造的，其目的是设计s a i n t e g e n e v i e v e 教堂的立柱。该试验机利用杠杆系统加载，得到了边长为5 c m 的立方体岩石 的压缩强度，并开始注意到长柱体岩石的强度小于立方体岩石的强度，也就是对所谓的 尺、r 效应有了初步认识。1 8 世纪后期至1 9 世纪初，由于各种桥梁( 石桥和铁桥) 的大量 兴建，激发了更先进的试验机的设计和制造；而每一试验机的设计和制造部将当时的技 术水平发挥到极限。到了1 9 世纪8 0 年代时制造的试验机已经能够自动记录试样的载荷 位移曲线，而试验机的量程和所测试样的最大尺寸也不断扩大，使进行大型岩石试件 试验成为可能。在试验机载荷不断增加的同时，试验机的加载方式也随之改进完善。逐 渐由机械加载变为液压加载：由单轴加载变为三轴加载，即将圆柱体岩样放置在液压腔 河海大学硕士论文 中，利用油压对岩样进行侧向加载，在维持侧限压力( 也称围压) 的同时，对岩样进行轴 向压缩。1 9 1 1 年，v o nk a r m a n 发表的大理岩常规三轴压缩试验曲线是标志性的成果， 最高围压达到3 2 6m p a1 8 。试验结果表明，对大理岩而言，脆性只是应力较低时的表 现；而在较高应力状态f 如地质条件) 下，岩石完全可以产生很大的塑性变形，显示出延 性。茂木清夫设计了对长方柱体试样进行三向不等压加载的真三轴试验机，并从1 9 6 7 ，f 开始发表了一系列文章f ，论述了中间主应力对岩样强度、变形、脆性和延性的作 用。w s p a c e t h 在1 9 3 5 年提出刚性试验机的设想之后，开始对混凝土进行全程曲线的 研究。此后的三十余年，为提高试验机的刚度采取了各种措施，主要有提高试验机支架 刚度、与岩样并联安装附加刚性设施及减小加载油缸长度等，最后甚至利用水银作为加 载液压缸的工作介质。但直到1 9 6 6 年，n g w c o o k 才利用液压一热力混合加载的刚性 试验机，得到了岩石试样单袖压缩的全程曲线【”1 。全程曲线的获得表明，岩石之所以会 以爆炸式的方式破坏是由于试验机刚度不足，只要能够使试验机的刚度达到“完全刚 性”，试验中当岩石达到强度极限之后，仍然可以承载。近代，力学试验机以加载控制 和数据采集的计算机处理为主要特征。试验机的刚性支架和反馈控制实现了脆性材料的 t 可控破坏，从而对岩石达到强度极限之后的破坏过程有所认识，并研究了岩石破坏过程 中的承载、变形特眭，开创了岩石力学研究的新纪元。如今，对岩石变形所引起的颗粒 结构的微细观变化，已经利用电镜扫描、c t 技术等进行研究；在岩石破坏过程中，对 声音、电磁现象也利用各种设备进行测试 1 1 , 1 2 j 。 2 1 2 试验仪器介绍 m t s8 1 5 0 4 电液压侍服可控制刚性试验机，是美国m t s 系统公司生产的力学性能测 试及模拟系统，可以控制力的加载方式，适合进行岩石的卸荷试验。 图2 - 1m t s8 1 5 明电液压侍服可控制剐性试验机 6 第章大理岩卸荷试验研究 2 1 3 试样取样及加工 试验所用的大理岩取自锦屏二级水电站的引水隧道工程，大理岩为( t 2 y 5 2 新鲜灰 f = 1 色大理岩) 。对以上的岩样采用机械加工，加工规格为5 0 m m 1 0 0 m m 的圆柱体，加 工过程中尽量避免对岩样的损坏。 2 。1 。4 试验方法分类介绍 目前岩石力学性质的研究还多是沿用一般材料力学的试验方法，即利用各种试验机 对特定尺度、形状的试样逐步增加压、拉，剪等载荷，直至完全破坏，在此过程中测量 各种载荷与变形的关系。这种测量岩石参数的试验与岩石基础工程的载荷条件类似。但 对岩体工程并不相同，岩体不仅是一种材料，而且还是一个复杂的应力、应变环境。地 f 工程、边坡工程的开挖实际上就是岩体在某一方面的应力或应变得到释放，从而破坏 了原有的力学平衡状态，使岩体产生新的变形，甚至断裂、破碎。值得提的是，三峡 1 1 程永久船闸是在大山体中刻槽开挖形成的，闸室段妖1 6 1 7 m ；最大边坡开挖深度 1 7 0 m ，一般在5 0 1 2 0m ；开挖坡度3 0 9 0 m ，其中闸室深槽为9 0 m 。这是举世罕见的 长、陡、高的边坡工程。在岩样常规三轴压缩加载后，降低围压以引起岩样屈服破坏的 试验方法，通常称为卸围压试验，它是研究岩石卸荷力学性质的常用方法。 在卸围压试验中，文献【1 3 , 1 , 1 】报道的是在保持轴向应力的同时降低围压，文献【1 5 , 1 6 】报 道的是在增加轴向应力的同时降低围压。在这类以应力作为控制参数的试验中，试验机 必须对岩样一直进行轴向压缩。卸围压的试验方法根据应力路径的不同可以分为以下几 种： l 、保持轴向应力恒定的卸围压试验 文献【“】研究了应力路径对济南辉长岩和掖县大理岩强度和变形的影响辉长岩试样 轴向的应力一应变丝线。曲线和曲线分别是围压恒定为1 2 0 m p a 和7 0m p a ，岩样轴 向压缩的破坏过程；曲线是在围压1 2 0m p a 下，岩样常规三轴压缩至轴向应力 7 2 0 m p a ，即图中p 点之后保持轴向应力降低围压的试验。曲线旁数字表明卸围压过程 中该点的围压值，如图2 2 所示： 卞 j 图2 2 辉长岩试样的轴向应力一应变曲线 河海大学硕上论文 2 、轴向应力增加过程中的卸围压试验 文献【15 j 报道了对凝灰岩试样进行常规三轴加载后，保持主应力之和恒定降低围压 的试验。也就是试验过程中围压降低轴向应力不断增加。在岩样破坏或轴向应变达到 3 5 时停止试验。试验过程中测量轴向应变、应力和围压，见图2 3 。曲线上数字为 平均主应力。括号内数字为岩样破坏时的围压值。为了便于对比，进行了恒定围压的 常规三轴压缩试验，如图2 4 所示。 5 0 4 0 蓬3 0 飞 与2 0 1 0 o 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 o o 2 9 9 ( 1 5 9 ) 3 5 ( 2 2 6 ) o 0 10 0 2o 0 3 0 0 40 0 50 0 6 1 图2 - 3 保持主应力之和恒定降低围压的试验 0 0 0 10 0 2o 0 30 0 40 0 50 0 6 1 图2 - 4 恒定围压的常规三轴试验 文献【1 6 1 对玄武岩试样进行了另一种卸荷试验，在降低围压时增加轴向应力，轴向应 力的增加量与围压的减少量之比为0 4 5 。卸荷时岩样的侧向变形增加较快，扩容现象比 较明显。文中认为，卸荷应力状态实质上相当于在原来应力状态下叠加了一个侧向拉应 力，试样表面极易产生平行于轴向的张裂纹。 3 、保持轴向变形恒定的卸围压试验 第：章人理岩卸荷试验研究 在卸围压试验中，文献【1 3 , 1 4 1 报道的是在保持轴向应力的同时降低围压，文献【1 5 , t 6 】报 道的是在增加轴向应力的同时降低围压。在这类以应力作为控制参数的试验中，试验机 必须对岩样一直进行轴向压缩。不过保持轴向应力或增加轴向应力，在岩样的破坏过程 中是不可能实现的，岩样最终都会由于围压的降低而不能承载轴向载荷，发生崩溃式破 坏。文献【3 峙艮道了保持轴向变形恒定的卸围压试验，试验的时候先三向等压地加轴压和 困压，然后增加轴向变形到预定值，最后保持轴向变形降低围压使岩样破坏。 2 2 大理岩卸荷特性试验研究 为了全面研究锦屏二级水电站引水隧洞的大理岩在丌挖过程中的卸荷性质，对取自 现场的大理岩试样进行了不同方式的卸荷试验，包括保持主应力差不变的卸荷试验、保 持轴向位移不变的卸荷试验、保持主应力和不变的卸荷试验，其中对大理岩的保持主应 j 利不变的卸荷试验进行了重点的分析。 2 2 1 保持主应力差不变的情况下试验 试验采用加工好的5 0 1 0 0 的圆柱形大理岩试样。保持主应力差不变就是在卸围压 c r 3 的时候保持大主应力o r l 不变，o 1 与0 5 等幅的下降，直到试样发生破坏，试验的应力 路径如图5 所示，具体的试验过程是： f 1 ) 加围压到预定值，预定值分别为i o m p a 、2 0 m p a 、3 0 m p a f 2 1 加竖直向的轴压使试样屈服 ( 3 ) 将轴压降低到某定值，并保持不变 卸除围压，使试样发生破坏 试验的应力路径如图2 5 所示： 图2 - 5 保持主应力差不变卸荷试验的应力路径 大理岩从卸围压到破坏时的弹性模量e 与围压0 3 的关系阻及轴向应变e l 与围压o s 关 系如图2 6 、图2 7 、图2 8 、图2 9 、图2 1 0 、图2 1 1 所示： 河海火学硕 一论文 1 2 1 0 日 8 专6 b 4 2 o 2 6 5 0 02 7 0 0 02 7 5 0 02 8 0 0 02 8 5 0 02 9 0 0 0 2 9 5 0 0 e m p a 图2 嘶i o m p a 初始围压下大理岩弹性模量e 与围压6 3 的关系 1 2 1 0 莲一 00 0 3 1 00 0 3 200 0 3 30 0 0 3 4 s l 00 0 3 5 图2 7i o m p a 初始围压下大理岩轴向应变日与围压的关系 2 5 2 0 董1 5 bl o 5 o 2 9 5 0 03 0 0 0 0 3 0 5 0 03 1 0 0 03 1 5 0 0 e m p a 图2 - 82 0 m p a 初始围压下大理岩弹性模量e 与围压d 3 的关系 0 第二章大理岩卸倚试验研究 2 5 2 0 受1 5 b1 0 5 o 0 3 5 3 0 2 5 篓2 0 琶15 1 0 5 0 0 0 4 50 0 0 4 6 0 0 0 4 60 0 0 4 70 0 0 4 7 0 0 0 4 80 0 0 4 8 bb r ， 3 b 图2 - 92 0 m p a 初始尉压下大理岩轴向应变自与幽压a 3 4 2 0 0 04 4 0 0 04 6 0 0 04 8 0 0 0 e m p a 图2 1 03 0 m p a 初始围压下大理岩弹性模量e 与围压a 3 的关系 3 5 3 0 2 5 星2 0 - - 毽1 5 1 0 5 0 00 0 40 0 0 4 2 0 0 0 4 4 “o 0 0 4 6 o 0 0 4 8o 0 0 5 图2 1 13 0 m p a 初始围压下大理岩轴向应变日与围压d 3 由以上试验曲线可知道，在保持( 一仍) 不变的试验条件下，随着围压毋的降低，开 始轴向应变研不断降低，然后曲线上出现一个拐点，毋开始随着围压的降低而增大直到 破坏。 河海火学硕十论文 弹性模量e 随着o 3 变化的规律是，随着罔压o - 3 的降低，弹性模量e 不断增大，然 后曲线上出现一个拐点，弹性模量e 开始随着围压的降低而增大直到破坏。 由轴向应变c r t 与围压o 3 试验曲线可知，在保持( q 毋) 不变的卸圃压试验条件下，也 就是在研与0 3 等幅降低的过程中，开始岩样的轴向压缩出现恢复，当围压降低到一定的 人小时，岩样又被轴向压缩，直到破坏。 由于在试验过程中保持( 毋西) 不变，所以( 研) n 曲线在卸荷过程中是一条平行于 s ，轴的直线，不会出现峰值。通过以上分析，( 7 3 。曲线会出现一个转折点，可以认为 是卸荷破坏的转折点，即认为岩样在转折点处发生了破坏。 2 2 2 保持轴向位移不变的卸荷试验 试验在m t s 8 1 5 4 电液伺服试验机上完成，试验过程中轴向加载速率在0 2 5 m m m i n 左右，卸围压速率通常为4 m p a m i n 。 在卸除围压国的过程中，保持轴向位移不变，具体步骤为： ( 1 ) 加围压到给定值保持 f 2 1 然后增加轴向变形至预定值 ( 3 ) 保持轴向位移恒定，卸围压直到试样破坏 大理岩从卸围压到破坏时的弹性模量e 与围压回的关系以及o 1 与围压0 3 关系如图 2 1 2 、图2 1 3 、图2 1 4 、图2 1 5 、图2 1 6 、图2 1 7 所示。 在常规三轴加载之后固定轴向变形降低围压，随着网压的降低，试样的弹性模量e 缓慢的增大，当弹性模量e 增大到峰值后，弹性模量e 开始降低，直到试样破坏。 在常规三轴加载之后固定轴向变形降低围压，轴向应力也将随之降低。在卸围压初 期，两者呈线性关系；如果最初三轴压缩时轴向变形较小，那么在整个卸围压过程中， 轴向应力都将与围压呈线性关系。这可以从广义虎克定律来理解，表明岩样在卸围压过 程中没有发生屈服破坏。 1 2 1 0 8 塞e b 4 2 o o2 0 0 0 0 3 0 0 0 04 0 0 0 0 e 图2 1 21 0 i i p a 初始围压下大理岩弹性模量e 与围压a 3 的关系 1 2 第二章夫埋岩卸荷试验删究 2 5 2 0 霎1 5 黾l o 1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 e 吼p a 图2 1 32 0 m p a 初始围压下大理岩弹性模量e 与围压毋的关系 飘 掣 。5 0一 1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 e m p a 图2 1 43 0 m p a 初始围压下大理岩弹性模量e 与围压6 3 的关系 一 、| | u 一一一。 0246 j ： m p a 图2 1 51 0 m p a 初始围压下大理岩6 l 与围压0 3 鲫 蚰 加 。 日曼一b 河海人学硕_ 卜论文 05 图2 - 1 62 0 m p a 初始围压下大理岩a l 与围压g 3 05 图2 1 73 0 m p a 初始围压下大理岩0 1 与围压 由于卸围压前岩样的应力状态不同，所以轴向应力随围压降低的过程也不同。岩样 卸围压前虽小于三轴抗压强度，但都远大于岩样的单轴强度1 5 0 m p a ，所以围压降低到一 定程度后，岩样都发生了破坏，进入残余强度阶段。 在常规三轴应力状态下，岩样的轴向承载能力应该出自身的材料强度和围压共同确 定。材料强度由岩样内的材料结构决定。卸围压过程中，岩样的三轴承载能力由于围压 的降低而不断降低，当其达到岩样承载的轴向应力时，岩样将会发生屈服，材料强度也 将降低。这就造成轴向应力的变化不再依据h o o k 定律而非线性地降低。 卸围压过程中岩样的轴向应力变化可以用不同围压下三轴压缩的全程曲线作定性 解释。岩样三轴加载到轴压0 1 + 、围压0 - 3 + 、轴向变形，后保持轴向变形降低围压。在0 - 3 + o - a 之前岩样处于弹性状态，目 j 0 - 1 - 2 v o 3 保持不变；此后随着围压的降低开始屈服产生 翔性变形；当o 3 = 0 1 3 时，岩样的承载能力即三轴强度达到其承载的轴向应力；围压继续 降低时岩样将发生整体弱化，材料强度降低，并最终破坏。这就是说，岩样轴向承载能 力由材料强度和围压共同确定。轴向压缩破坏是使轴向应力增大到岩样的承载能力；而 如如狮0 如加如o 第二章人理岩卸荷试验研究 卸旧压破坏是使承载能力降f i n n 岩样的轴向应力。不同性质的材料其三轴压缩的全程曲 线不同，因而卸围压过程的变形也就不同。另外不能简单地认为s 一，与1 i 同围压的全程 f | ；i 线簇的交点就是岩样卸围压过程中的应、变形状态。 图2 1 8 岩样卸围压过程与常规三轴压缩的关系 2 2 3 保持主应力和不变的卸荷试验 图2 1 9 岩石隧洞开挖的受力图 在图2 1 9 所示的均匀的三围空间应力场中，开挖一个圆形隧洞( 设洞轴与z 轴重合) ， 其周边应力将重分布，a ：大致保持不变，o 。，o ，中一个应力增加，另一个应力减小， 并且可认为是同时发生的1 7 。要模拟以上的力学过程需要进行真三轴试验，过程复杂。 在隧道工程中，开挖时候的力学条件是，径向加载，切向卸载，限于试验条件，本试验 】，采用围压相等( o v - o ，) 的常规三轴试验，在减小围压的同时增加轴压，直到岩样破坏， 河内大学硕二l 论文 段j = 1 _ = 挖的地下涧室中，由于应力分布的多次反复，导致应力途径更加复杂。这样，要在 跌验中真实地模拟以上力学过程相当困难。因此，本试验模拟的只是基于洞室周围的“最 舌”应力状态。 在诫小围压的i 司时增大回，试验过程中保持主应力和即o 。= 巧1 + 2 0 3 不变，具体步 骤为： ( 1 ) 同步施加研和毋使6 。= 0 1 + 2 0 3 ( 2 ) 稳定压力使变形稳定 ( 3 ) 保持o 。不变，增加垂直压力，减小侧压力，直到试样破坏 1 、变形特性 2 5 0 2 0 0 图2 2 0 三轴( 0 1 一) 吨l 曲线 图2 - 2 1 卸荷( a 1 仃3 ) 吨i 曲线 图2 2 0 、图2 2 1 分别是g 3 ；f 【l e r r n 取不同常数的试验轴向应变和主应力差关系曲线。 从图2 2 0 可以知道，在弹性阶段，在相同的主应力差作用下，围压越大，轴向应变越 小。表明岩石在围压作用下容易被压密。在低于2 5 m p a 的围压作用下，( u 1 一o ，) 】曲线 都出现了峰值，说明大理岩在围压抵予2 5 m p a 的时候都会表现为脆性破坏。从图2 2 l 可以知道，在仃。 1 5 5 m p 的时候，则 | 言 猢 啪 o b b 砷 o ”b b 第二章人理岩卸荷试验研究 d i 脆性破坏向韧性过度。与图2 2 0 相比，在弹性阶段，即使是在相同的王应力筹作用 f ，( 3 - 。为常数时的轴向应变要小于0 3 为常数时候的应变。 如果把相同应力差下的横向变形与纵向变形之比称为泊松比，并把它与主应儿差绘 一c 3 = 59 5 m p a 2 5 0+ o3 = 9 9 4 m p a 2 0 0 。1 5 0 b l b 1 0 0 5 0 o 1 1 7 ：圳p a = 2 】m p a = 2 4 m p a = 1 2 0 m p a = 1 5 5 m p a = 2 2 0 m p a = 2 5 5 i i t p a = 2 8 0 m p a 0 0 0 50 1 01 5 0 20 2 50 ：j0 ：3 50 4 ” 图2 2 2 常规三轴和卸荷的泊松比 成曲线，如图2 2 2 所示。由曲线发现，当a 3 为常数的时候，泊松比都会随着主应力差 的增大而增大，而当a 。为常数时的时候，洎松比都会随着主应力差的增大而减小，具 有相反的倾向。从泊松比的变化范围看，0 3 为常数的试验其变化范围在o 0 7 0 1 8 之间， 6 。不变的试验的泊松比在o 2 1 0 3 4 之间。两者最大的差别是，g 。为常数时的泊松比比 a 3 为常数时的泊松比要大。 2 、强度特性 3 0 0 2 5 0 日2 0 0 刍 言l a o l o o 5 0 0 三轴 卸荷 图2 2 3 三轴试验和卸荷试验的研一毋关系曲线 ，加 一 一 一麓 一 吼 l o 河海大学硕士沦文 o 1 03 关系曲线均可近似用直线进行拟合，即o1 = k to3 + q ，其中，k 、q 是由岩 石的性质确定试验常数，由其中的系数k 的大小可以评价围压对岩石强度的影响。 建立k 、0 与c 、f 问的关系： 妒= 2 * a r c 留厄一要 ( 2 1 ) ，；望：竺! 翌 ( 2 2 ) 2 + ( 1 + s i n 妒) 可得到岩石的凝聚力c 、内摩擦角叩。经过计算常规三轴试验的c = 1 4 m p a ， q _ ) = 5 0 。，卸荷试验的c = 1 3 4 m p a ，q ) = 4 8 。，表明其强度差别不很屉著，o m 为常数时 的强度l l 0 3 为常数的强度稍有降低趋势。 3 、破坏特征 图2 - 2 4 卸荷破坏形式 图2 - 2 5 卸荷破坏图片 1 8 箱二章大理岩卸荷试验研究 卸荷岩石的破裂性质具有较强的张性破裂特征，并且随着破坏围压的增高，试件的 剪切破坏成分比重增大，即由张性破坏过渡到张剪性破坏，张剪性破裂画往往是由剪切 破裂部分追踪张性破裂面发展而成，张剪性破裂角也随破坏时围压的增大而增大。 卸围压破坏时岩石试样突然失去承载能力，发生脆性断裂并产生清脆的破裂响声。 岩样的外观形成了剪切破裂，但没有交叉的网格形裂纹，这是脆性破裂的特征。 卸荷岩石的变形表现为沿卸荷方向的强烈扩容，其破坏是因内部应变能的突然释放 引起：其破坏程度比加荷岩石更为强烈；破裂体系中往往同时并存有轴向张性裂面、主 共轭剪裂面、次级共轭剪裂面及夹于剪切裂面间的微张性破裂面等；张性裂面的发育大 致垂直卸荷方向。 2 大理岩卸荷微观试验研究 2 3 1 卸荷破坏微观试验概述 前人在研究岩石的卸荷破坏性质时进行了较多的宏观力学试验，得到的许多有意义 的结论，但对岩石的卸荷破坏的细微观结构试验尚不多见。葛修润、任建喜1 18 】采用c t 机对陕西韩城砂岩进行了卸荷的c t 扫描，通过试验过程中不同应力状态下的c t 数及 疗差的变化来研究卸荷的损伤演化规律。对保持主应力和不变的情况下和常规三轴条件 卜的的卸荷破坏断口进行了电镜扫描，用g e o i m a g e 图像处理程序对电镜扫描的图象进 行了处理，获得2 种不同应力路径下裂隙结构参数：裂隙面积、圆形度、裂隙数日，对 2 种不同应力路径下裂隙结构参