基于典型岸坡深部裂缝的岩石力学试验研究

摘要

西南部地处我国第一个地形梯度带，区内水能资源十分丰富，一系列已建和拟建大型水电工程座落于这一地区。由于该区域大地构造上位于青藏断块的东部边缘地带，受青藏高原近百万年来持续隆升的影响，地质环境条件特殊复杂。因此，在这些地区进行大型、超大型工程建设，有一系列制约工程设计，施工和运营的重大工程地质问题亟需加以研究和解决，其中之一便是岸坡深部裂缝问题。本文以青藏高原东侧的西南地区为主要研究对象，通过选取雅砻江锦屏一级，大渡河瀑布沟、深溪沟、双江口等大型水电工程勘察中所揭示的深部裂缝为研究素材，采用归纳与演绎的哲学思维方式，强调地质原型现场调研与地质过程分析，重视自然边坡的形成演化过程和深部裂缝所赋存的地质力学环境，运用现代数值模拟技术和岩石力学的理论与方法，对深部裂缝的发育分布及变形破坏特征从地质原型调研、数值模拟反演、岩石力学试验、损伤理论分析四大方面进行了综合集成研究，初步建立了一套深部裂缝研究的基本框架和技术方法体系，取得以下主要成果： （1）通过对典型岸坡深部裂缝的系统研究，归纳总结了裂缝发育的一般性特点，即：①裂缝多发育于距谷底70～120m以上的岸坡岩体中；②裂缝大多呈带状产出，破裂带之间为相对完整的岩体；③裂缝中很干净，几乎未见次生夹泥；④裂缝发育程度总体有随高程增加而增强、随水平埋深增大而减弱；⑤裂缝形成时间总体有随高程增加而变老、随水平埋深增加而变新；⑥裂缝主要沿与坡向大体平行的陡倾角构造结构面发育；等。 （2）通过对典型岸坡深部裂缝生成的地质环境的综合分析，归纳提出了裂缝生成所须满足的地质环境条件，即：①在构造改造过程中能存储较高应变能的质坚性脆的岩性条件；②有利于应变能存储和释放的地质构造（如褶皱体）和结构条件（岩性结构和构造裂隙）；③作为广义“荷载”能导致岸坡岩体产生压缩变形和强烈卸荷回弹的高地应力条件；④能导致岩体应变能强烈释放的地壳快速抬升（即河谷快速下切）条件；等。 （3）认为深部裂缝是在河谷（或叠加横向沟谷）地貌形成演化过程中，伴随区域性剥蚀和河谷下切过程，岸坡应力场不断变化调整，引起岸坡岩体内部先期储存的应变能（与构造改造程度和方式有关）强烈释放，向临空方向产生差异回弹卸荷形成的，属浅生时效结构。 （4）依据岸坡地质体的形成演化过程，厘定了岸坡岩体的改造模式，提出岸坡岩体由坡表向内可划分为表生改造、浅生改造、构造改造三个带，表生改造带又可细分为外侧的卸荷拉裂带和内侧的紧密挤压带，浅生改造带则由深部裂缝带及带间板梁组成。并对各带岩体的应力、声波、点荷载、裂隙密度、裂隙开度等进行了统计分析。 （5）由典型岸坡实测地应力的详细分析表明：深部裂缝发育地区均存在较大的地质构造作用，属高（中）地应力区，岩体应力主要以水平构造应力为主。 （6）依据典型岸坡实测应力值随水平埋深的变化特点，对岸坡应力场进行了分带，即将岸坡岩体应力由坡表向内划分为应力降低、应力增高、应力波动、应力趋稳四个带。其中应力降低和应力波动带，可分别与岸坡卸荷带的范围和深部裂缝发育的范围对照。分析认为，应力波动带的底界即为河谷应力场的影响深度，由此统计显示，我西南河谷地区这一深度大致为150～387m。 （7）岸坡应力场的分布特征，与岸坡岩体的浅表生改造过程密切相关，依据成因，将岸坡应力场由坡表向内划分为斜坡应力场区、过渡区和构造应力场区三个区，可分别与表生改造、浅生改造和构造改造三个带相对应，分析了各区应力分布的特点，提出斜坡应力场区主要以自重应力为主、过渡区是构造应力场向自重应力场转化的一个过渡区域、构造应力场区主要以构造应力为主的观点，并根据实测最大主应力倾角随埋深的变化特征验证了这一认识。 （8）采用现代数值模拟技术，对岸坡应力场的分带特征进行了验证分析，并探讨了构造应力对分带范围的影响；同时还分析了岸坡应力场演化的基本特点以及深部裂缝的形成过程，并根据地质过程中裂缝单元应力Mohr圆的变化特点，探讨了深部裂缝的生成时间，得出近坡表和高高程裂缝分别比深部和低高程裂缝形成时期要早，验证了地质分析的成果。 （9）以深部裂缝形成过程中实际的应力变化状态为试验设计的依据，开展了不同围压、不同卸荷速率下的卸荷岩石力学对比试验，由试验揭示，在卸荷条件下：①随破坏围压的增加，试样破坏形式均从张性破坏向剪切破坏过渡，且在相同围压下，随卸荷速率的增大，试样张性破裂的比例也越重；②试样表现出累进性破坏特征，通常在试样表面附近有卸荷剥落的张性薄片，一般剪切破裂面在部分地段追踪张性破裂面发育，破坏具张剪性质；③卸荷对试样横向应变ε3和体积应变εV影响较大，进入卸荷阶段后，ε3变化梯度明显增大，εV则从压缩变形转为扩容；④多数试样应力-应变曲线在峰后存在较大跌落，表明试样卸荷破坏时的塑性变形较小，破坏更具突发性和脆性等特点；⑤应力-应变曲线峰后与峰前差别较大，峰前曲线较平滑，峰后曲线则凹凸不平，显示峰后试样内部应力、应变分布较峰前要复杂；⑥多数试样应力-应变曲线峰后呈“Ⅱ型”，显示出脆性特征；⑦围压对试样强度的影响要比加荷条件大，并在相同初始围压下，试样的强度和变形模量随卸荷速率的增大呈降低趋势；⑧随卸荷速率的增大，试样的抗剪强度参数c值增大而φ值减小，与加荷条件相比，岩石的抗剪强度参数c值降低而φ值增高；等。依据这些试验成果，对深部裂缝的发育分布及变形破坏特征进行了合理解释。 （10）通过假定岩石微元强度及其分布，构建了以名义应力应变表述的损伤演化方程及本构模型，并用其对不同试验条件下岩石的损伤演化特征进行了对比分析，认为试样在受荷过程中的损伤发展演化可分为三个阶段：第一阶段与试验曲线的屈服极限前段对应，该段应力-应变曲线近似成直线，岩石微元主要以弹性变形为主，仅有极少数岩石微元发生破坏，损伤演化从0呈缓慢增加态势，演化曲线斜率缓慢增大；第二阶段与试验曲线屈服极限→残余强度段对应，该段应力-应变曲线成非线性，岩石微元主要以塑性变形为主，大量岩石微元开始屈服破坏，损伤演化呈快速增加态势，演化曲线斜率迅速增大，最后稳定在某一水平保持不变；第三阶段与试验曲线残余强度段对应，该段岩石试样已发生宏观破裂，但仍有一定的承载力，少数岩石微元继续屈服破坏，损伤演化幅度逐渐变缓，演化曲线斜率逐渐减小并趋于1。初步揭示：①在相同围压下，卸荷条件下试样损伤发展的速率要比加荷条件下快得多；②相同围压下，试样损伤发展的速率随卸荷速率的增大而增大；③试样的强度只与损伤演化速率有关，而与各试样破坏时已破坏岩石微元总数的多少无关；等。并依据诸类分析成果，合理解释了深部裂缝的发育分布及变形破坏特征。