三向高应力状态下深埋大理岩变形特性试验研究

三向高应力状态下深埋大理岩变形特性试验研究 . 第 卷 第 期 岩石力学与 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学报 年 月.,三 向高应力状态下深埋大理岩变形特性试验研究 李维树 ,单治钢 ,刘 洋 ,郭喜峰 ,贺林林。 .长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室,湖北 武汉: .中国水电顾问集团 华东勘测设计研究院,浙江 杭州.天津大学 建筑工程学院,天津、 摘要:为获得深部岩体的变形模量,在真三轴试验机上,对中等尺寸大理岩试样进行不同侧压下的变形试验,重 点对同一试样进行多个等侧压和不等侧压的对比试验。试验 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明: 大理岩的变形模量与侧压之间具有显著的 非线性关系,且当侧压增大至 后,变形模量不再随着侧压的增大而显著增大,该侧压值反映了大理岩脱 离母岩后的弱化程度; 建立大理岩的变形模量与三向应力之问的关系,用试样所对应部位地应力值计算出深 埋大理岩的变形模量为 .~ . ; 变形模量计算值与采用其他问接方法获得的变形模量相当,并显著高 于常规室内和现场变形试验值。由此说明,深部岩体在释放应力后容易使其力学性质弱化,弱化程度与所处的地 应力大小有关。该方法对研究极高~高地应力环境下深部岩体及偏应力较大 的边坡的变形特征具有重大意义。 关键词,岩石力学;三向应力状态;高应力;深埋大理岩;变形模量 中圈分类号: 文献标识码: 文章编号: ~ ~? . , , ,, . , , , , ; . , , , ; . ,,, :,. . : .;. , ?. .,. ~ . . ; . 】; . .? .: ; ; ; ;牧麓日期? ? ;修回日期 ? ? 基金硬目:国家重点基础研究发展计划 项 ;国家自然科学基金资助项;中央级公益性科研院所基本科研业务费作者简介 一,男,年毕业子武汉水利电力学院电力系统及其自动化专业,现任高级工程师,主要从事岩土力学试验方面的研究工 作。 .. . 岩石力学与工程学报 年 应力水平还停留在 内。李迪等采用中心孔 引 言 柔性承压板法,获得深部岩体的变形模量,但由于 试验应力较低,不能获得高应力状态下深部变形模 随着我国经济的高速发展,水利资源、矿产资 量。 . 。 等采用中心孔刚性承压板法,对锦屏 源的大规模开发以及铁路和高速公路的迅速拓展, 二级深埋大理岩在高应力状态下进行变形试验,获 与岩体相关的大规模工程日益增多,洞室或隧道具 得了大理岩深部岩体变 形模量,但该方法由于成本 有超长、超埋深、超高地应力、超高外水压力等特 高、试验难度大,难以推广。 点。深部岩石力学与工程研究面临高地应力、高外 锦屏二级水电站引水隧洞最大埋深, 水压力引起的结构安全、岩爆和长隧洞的快速施工 通过地应力测试新技术 的开发应用【 ,进一步证明 等一系列挑战性课题。我国深部岩石力学试验技术 该地区地应力大于可研阶段获得的地应力值。在钻 及分析方法还停留在数百米级和千米级,数千米级 探中发现,钻孔芯样出现严重的饼化现象,在开挖 的岩石力学与工程性质研究方法和工程实践正面临 辅助洞后出现严重剥蚀 和岩爆现象,高应力作用在 严峻的考验。 施工期有明显的表现。 目前通常采用钻孔或开挖方式获取的岩样不可 深部岩体不仅是高地应力问题,而且岩体处于 避免地脱离母岩原生应力状态,导致卸荷松弛,常 三向不等应力状态,如何获得高应力环境岩石力学 规的室内和现场岩石力学试验方法难以获得深部岩 参数是个重大难题。本文借助长江科学院自主研发 体力学特性,使勘察、设计所采用的参数远低于工 的中尺寸岩样真三轴试验 系统,研究了大理岩在 程岩体。 不同侧压条件下的变形特性,为该问题的研究提供 一 国内外通过试验手段研究岩石力学参数与应力 个间接的方法,供同行参考。 状态之间关系的成果很少。于震平和李铁汉之从岩 体的空隙度、强度、变形和渗透性等几个方面,通 试验方法 过对试验部位应力场的统计,建立了变形模量与应 力场之间的关系,但该方法是通过统计与类比获得 . 试验设备 的,未充分考虑高应力状态卸荷松弛对岩样的影响。 采用长江科学院自主研 发的一 型中 熊诗湖和周火明通过复杂应力路径三轴试验,间 尺寸岩样真三轴试验系统, 如图 所示。该系统具 接研究了三峡永久船闸边坡岩体花岗岩在不同应 有应力高、三向独立加卸载、全自动伺服控制与采 力状态下的变形特性与围压之问具有显著关系,但 集、具备声学跟踪测试功能等特点,试样尺寸为 至轴向 / /. 一 手 芹而 、?? /一 : 至侧向 ? ?千斤顶。 一 氢 丑 /一 ,一 ‘ 熙 千至斤侧向二 、~?一 可 苎 :, , . , , ,, 》. . . 一轴向反力,可以为平洞或钢构件; 一顶部传力构件:一定位环; 一轴向千斤顶;一轴承;一梯形传力体; 一万向球盘; 一轴向压板;一侧向反力钢框架; 一侧向千斤顶; 一试样; 一侧垫板; 一托板; 一传力柱; 一滑轨:一定位支柱 一弹簧螺丝帽;一测针;一位移传感器; 一测杆; 一高压油管; 一压力传感器; 一丝杆式油泵; ~限位器;一充溢器; 一伺服电机; 一伺服控制仪; 一位移采集仪; 一计算机; 一液压阀 图 一 型中尺寸真三轴试验系统. 一 第 卷 第 期 李维树等:三向高应力状态下深埋大理岩变形特性试验研究长 、宽、高~长 、宽 表 中等尺寸试样超声波测试数据 、高 ,能对中等尺寸岩块进行任意 复杂路径的变形及强度试验。本文试样尺寸为长 、宽 、高 。 . 试样状态 岩样取自锦屏二级水电站 线辅助洞 试验洞 底板。距离取样点约 处的地质钻孔芯样照片 如图 所示,可见芯样在约 范围有严重的饼化 现象。表明高应力状态下岩样卸荷松弛严重。为了便 注:降低百分比指 向相对于对应深度钻孔波速降低百分比。 于人工取样和了解取样前后岩石卸荷状态,取样点 试样对应深度上、下各 倍试样高度平均值。 选择在现场大三轴试样位置,并先钻孔进行超声波 可见,长方体试样 个方向的波速有一定的差别, 测试,在凿制大三轴试样时,先取长 、宽每个试样的波速差别也较大,试样铅 直向波速与钻、高 的毛样,送石材加厂切割成长孔中对应深度的波速相比降低 了 . %. %,、宽 、高 的长方体试样,取样 表明应力释放及取样扰动引起试样卸荷松弛程度不 位置与钻孔及大三轴试样之间关系如图 所示。 同。 . 试验方法 孔 口 . . 等侧压条件下变形试验 为了研究锦屏深埋大理岩的变形特性,在等侧 压下研究轴向变形参数与侧压值之间的关系。侧向 最高应力 受设备加载能力限制 。同一试样 在不同侧压下,轴向压力单循环一次,计算等侧压 下岩样轴向变形模量。所有试样加载和卸载速率都 保持一致。轴向应力与侧向应力差保持为 。. 不等侧压条件下变形试验 对同一试样进行 ? 的轴向单循环变形试 图 钻孔芯样饼化现象 验,侧向最高应力为 , 与 之间应力差. 分别保持为 , 和 个别点。轴向 应力与 之间保持 应力差。每次试验加载 ,,,, 高 ,,,, 和卸载速率保持一致。 磐 ,,,,,. 试验结果 百?? . 变形试验历时曲线 \, 等侧压和不等侧压条件下同一试样的应力历 时曲线如图 所示。图 为 试样第一次试验, 成型样 / ,: 在 前进行不同侧压值下的等侧压变形试验, ~ ,, ,,,, 进行不同侧压值下的不等侧压变形试验。图图 取样位置及方法 为第二次不等侧压变形试验。.等侧压试验方法为:首先同步施加 对加工成型的试样,在试验前进行 个方向的 至预设值 ,并保持 不变,然后以固定的速 超声波穿透测试,结果如表 所示。 度施加 , 由 匀速施加至 再匀速卸压至 , 表 中, 方向为铅直向, 方向为引水洞 完成一个侧压下轴向单循环变形试验。再分别提高 的水平切向, 为引水洞的水平径向,钻孔波速取 侧压 ,?, 完成轴向单循环变形试验。? 岩石力学与工程学报 往 餐 ? ?? ? 微应变 低侧压毋 第一次试验 日塞 。 一微应变 高侧压 图 等侧压应力一应变曲线. ;试样,,仍 时间第二次试验 卜 图 等侧压和不等侧压条件下同一试样的应力历时曲线. 不等侧压试验方法为:在完成等侧压变形试验 一 后,将 . 保持预设值 且变形稳定后,保 微应变 低侧压 持 不变,再同步匀速卸压. 至预设值 ,保试样,晚,西 持 和 不变, 由 匀速施加至 再匀速卸压 至 ,完成一个不等侧压下轴向单循环变形试验。 旬、玛 重复以上过程完成不等侧压下轴向单循环变形试 验。 萼 . 应力一应变典型曲线 . . 等侧压 ? 图 所示为 . ;时, 为 ? 微应变高侧压 一 时的应力一应变曲线。图 所示 图 不等侧压应力一应变曲线 为 时, 为一一. ?时的应力一应变曲线。可见在不同侧压和相 同应力差下, 个方向的应变值有较大的差别。变形试验结果 . . 不等侧压 根据广义虎克定律计算试样在不同侧压条 件下的轴向变形模量,如表 和 所示。其他试样 图 所示为, 时, 按同样的方法计算,并忽略反复循环试验导致变形 为一 一时的应力一应变曲线。 模量略偏高的部分。 图 为 , 时, 为 由表 和 可见,同一试样随着侧压的提高变 时的应力一应变曲线。可 形模量有显著增大趋势,表明岩石的变形模量与侧 见在低侧压下, 方向呈现的负向应变比高侧压 压有关。 大, 方向应变有显著差别。第 卷 第 期 李维树等:三向高应力状态下深埋大理岩变形特性试验研究 表试样等侧压下应力状态及变形模量侧向平均应力 /图试样等侧压和不等侧压下的 『 关系曲线. 裔 删 裔.軎 踟 加 ? 如? ? 加 ? 一 侧向平均应力 /表试样不等侧压下应力状态及变形模量 图 个试样等侧压条件下的 关系曲线 .一大;大于 后,随着侧压的提高,变形模量 增加缓慢;至 后,变形模量维持在 左右。对于不等侧压条件下,平均侧压小于时,随着侧压提高,变形模量基本上呈线性增大; 大于后,随着侧压的提高,变形模量增加 缓慢;至 . 后变形模量稳定在 左右。 对于其他试样,在等侧压下的 关系都有 同样的规律,但使 基本不变所对应的侧压有所差 别,而且 的最大值也有所不同。 由此可得以下重要结论: 在平均侧压达到第一临界值 前,所有试 样的 一 基本上为直线关系,当侧压达到第二临 界值 后,变形模量趋于稳定。当侧压在丑~ 范 变形模量与侧压关系 围时, 的增长速率明显减小,其他试样的 和 及直线关系统计见表 。 为了比较侧压对岩石变形模量的影响,用侧向 表 其他试样的 . 关系和侧压临界值 平均应力 来表示等侧压和不等侧压的大小。图 为 试样轴向变形模量 与侧压平均应力 关系曲线。图 为 个试样等侧压下 的 关系曲线。 由图 和 可见,等侧压和不等侧压下 关系 符合二阶函数关系。 对于 试样,在等侧压条件下,侧压小于 时,随着侧压提高,变形模量基本 上呈线性增岩石力学与工程学报 笠 菌对于不同完整程度的试样, 在 . ~ . 立 的 关系,计算大理岩在实际应力状态下的变 鲫 ?如 如加 范围,它们的 一般都为 试样除 形模量。 外。由此说明,对于深埋大理岩,需要约 马 鹏等【采用超高压水压致裂法获得的地应 的侧向应力才能基本恢复卸荷引起的松弛,需要约 力参数值分别为: : . , . ,的侧向应力才能完全恢复卸荷引起的松弛。. , . 。 所以 值反映了大理岩卸荷松弛程度,具有重要的 用式 ,和马鹏等 的地应力值计算可得:等 物理意义。 侧压下的.,不等侧压下的 . 。 葛修润和侯明勋,采用三维地应力 测在同一试样上进行的等侧压和不等侧压对 比试验说明,当侧向平均应力相当时,不等侧压下 量新方法获得的地应力参数值为: . ~ . ,. ~ . ,. ~ . , 的变形模量明显低于等侧压,而且随着平均侧压的 / . ~. 。 增大,它们之问差别越小。这是因为不等侧压下, 用式, 和葛修润和侯明勋】的地应力值计 在相同轴向应力作用下,低侧压方向的应变总是大 算可得:等侧压下的 . ~ . ,平均值 于高侧压方向的应变,从而导致不等侧压的变形模.;不等侧压下的 . ~ . ,平均值 量降低。. 。葛修润和侯明勋【】还根据应力一应变曲 线获得深埋大理岩的变形模量为 ,平均 变形模量与侧压关系 值为 。 李维树【在锦屏二级水电站 线辅助洞的 根据岩土塑性力学理论,某一点的应力张量有 试验支洞先后进行了刚性和柔性承压板中心孔法 个主方向和 个主应力,应力方向改变时其主应 变形试验,获得深部岩体变形模量平均值为 . ~ 力数值不变。因此,用岩土塑性力学理论中应力张. 。 量第一不变量,.表示侧压对轴向变形模量的影响。 可见,锦屏二级水电站引水隧洞深埋大理岩的 图 为 试样等侧压和不等侧压下 , 关系 变形模量在 . ~ . 范围。 曲线,可见,它们的拟合关系都符合二阶多项式。 在相同范围进行了大量的室内试验和现场变 形试验,完整岩石室内单轴压缩变形模量范围为 . ~ . ,平均值为 . 【?,完整~较 完整刚性承压板法变形模量在. ~ . 范 围,平均值 . ,可见,在高应力状态下, 采用常规的变形试验方法难以真实获得岩石的变形 参数。同时也说明,只要准确获得了深部岩体的应 力大小,用该方法可较为准确地获得岩石的变形参 图,关系 数。./ 结 论 等侧压条件下: 一 . . . 采用自主研发的中尺寸岩样真三轴伺服控制 不等侧压条件下: 试验系统对尺寸为长、宽 、 一 .. . 的岩样进行了等侧压和不等侧压及不同侧压下的变 其中, 形试验,侧向最大应力达到了 ,实现了三向 高应力状态的变形试验。 系统地对同一试样进行了 次变形试验, 深埋大理岩的变形模量 获得了轴向变形模量与平均侧压之间的关系,试验 表明,岩样的变形模量随着侧压的增大而显著提高, 针对锦屏二级水电站引水隧洞深埋大理岩,结 当侧压增大至 后,变形模量不再显著提高,侧压 合施工阶段采用最新方法获得的地应力值,利用建