高地應(yīng)力地區(qū)花崗巖強度偏低的成因研究.pdf

1、本文從雙江口壩區(qū)花崗巖出現(xiàn)大量單軸抗壓強度較低的異?，F(xiàn)象入手，通過大量現(xiàn)場調(diào)查和分析，對壩區(qū)花崗巖賦存環(huán)境，如地質(zhì)背景、應(yīng)力場特征、地質(zhì)構(gòu)造等進行研究，并結(jié)合工程區(qū)花崗巖的巖石學、建造特征以及后期改造和巖體結(jié)構(gòu)特征，分別針對壩區(qū)強度較高和強度較低的花崗巖進行了大量宏觀力學試驗和微細觀特征分析，主要取得了如下幾點研究成果： （1）通過大量的現(xiàn)場調(diào)查分析，對壩區(qū)不同高程、不同深度的花崗巖的巖體質(zhì)量、風化卸荷特征、地應(yīng)力場、地下水條件

2、、回彈、波速進行了較為系統(tǒng)的調(diào)查試驗，在此基礎(chǔ)上將地質(zhì)環(huán)境特征進行量化，并與飽和單軸強度之間的關(guān)系進行相關(guān)分析。 （2）通過對壩區(qū)花崗巖基本物理指標的測定，考慮壩區(qū)的地應(yīng)力條件，設(shè)置不同圍壓條件分別對強度不同的花崗巖進行了滲透性測試，揭示了裂隙發(fā)育情況、圍壓情況與花崗巖滲透特性的關(guān)系，并初步分析了壩區(qū)花崗巖強度變異與微裂紋的關(guān)系。 （3）通過開展花崗巖單調(diào)和循環(huán)加載過程的聲發(fā)射試驗等的研究，揭示了花崗巖裂紋的起裂—擴展—

3、貫通過程中聲發(fā)射率變化特征，揭示了花崗巖破壞過程中強度的差異造成其破壞能量釋放的差異，認為強度較低的花崗巖的破壞是一個漸進性的穩(wěn)定破壞，而強度高的花崗巖的破壞是一個集中式的猛烈破壞。 （4）通過常規(guī)三軸試驗、不同圍壓、不同卸荷速率、卸荷起點的卸圍壓三軸試驗，揭示了花崗巖卸荷條件下的破壞特征及破壞過程中參數(shù)變化特征。尤其是彈性模量方面，試驗顯示，在一個加卸載試驗過程中，彈性模量可以分為加載段、卸載段和回彈段，各段的模量差距較大，其

4、中加載段彈模普遍為卸載段彈模的3～4倍，而回彈段的模量又比卸載段模量小等特點。 （5）通過循環(huán)加卸載圍壓的記憶性試驗，揭示了卸荷過程中同樣存在應(yīng)力滯后現(xiàn)象和滯回梯形，只是其形成機制與單軸加卸載的回滯環(huán)不同，變化特征和形成機制都較為復(fù)雜，本文從變形破壞過程中能量變化特征的角度，揭示了封閉梯形的形成機制。 （6）通過掃描電鏡和礦物含量分析認為，花崗巖強度偏低在微觀結(jié)構(gòu)方面主要包括三個方面的原因：其一，試驗結(jié)果顯示，飽和單軸強

5、度隨著長石含量的增加而降低，同時數(shù)值試驗結(jié)果顯示，三種礦物中云母含量對抗壓強度最為敏感性，而壩區(qū)似斑狀花崗巖長石和云母含量均高于其他地區(qū)，因此長石和云母含量較高是壩區(qū)花崗巖強度低于其他地區(qū)的細觀因素之一；其二，根據(jù)壩區(qū)花崗巖的單軸、常規(guī)三軸、卸荷三軸試驗以及現(xiàn)場巖爆拓片的破壞斷面的掃描電鏡分析，壩區(qū)花崗巖中長石內(nèi)部解理面非常發(fā)育，并非常密集，鏡下許多長石甚至呈鱗片狀和針狀解理，揭示了壩區(qū)花崗巖的主要的破壞模式不是各礦物顆粒之間的沿晶破壞

6、，而是沿著長石解理面發(fā)生的穿晶破壞，證明了壩區(qū)花崗巖強度較低的又一原因，也是壩區(qū)平洞硐渣呈粉砂狀的主要原因；其三，由于花崗巖三軸壓縮試驗和卸圍壓三軸試驗的微觀破裂的機制有著本質(zhì)的區(qū)別，常規(guī)加載時，雖然各礦物的彈性模量差距較大，但云母在其中起到協(xié)調(diào)作用，因此云母含量對花崗巖常規(guī)三軸試驗強度是有利的，而卸圍壓三軸試驗則正好相反，隨著圍壓的卸載，云母由于彈性模量比其余礦物低得多，給予了其余礦物體積回彈的空間。由于礦物之間的差異回彈，更有利于礦

7、物之間和礦物內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展。而常規(guī)三軸試驗顯示，壩區(qū)花崗巖比其他地區(qū)花崗巖易受圍壓影響，圍壓25MPa以后，強度甚至高于其他地區(qū)的花崗巖，且隨著圍壓的升高，彈性模量也跟著變大，就是對云母作用的一個較好詮釋。 （7）結(jié)合圖像處理技術(shù)和大型模擬軟件FLAC，建立圖形圖像處理技術(shù)的細觀數(shù)值試驗方法體系，并針對壩區(qū)花崗巖真實細觀結(jié)構(gòu)模型，模擬了其在外力作用下各礦物內(nèi)部的應(yīng)力分布演化規(guī)律及裂紋起裂—開展—貫通的破壞過程。并在此基礎(chǔ)上

8、開展了礦物組構(gòu)和礦物參數(shù)的敏感性分析。 最后，在以上系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，認為壩區(qū)花崗巖強度較低及其離散性較大的原因是：宏觀受到地質(zhì)環(huán)境的影響，包括地應(yīng)力場、地質(zhì)構(gòu)造、淺表生改造、巖體結(jié)構(gòu)的影響；微觀主要取決于長石和云母含量、長石內(nèi)部解理面密集程度以及各礦物內(nèi)部裂紋的發(fā)育情況；而后期改造（淺表生改造），邊坡和圍巖應(yīng)力進一步調(diào)整，是壩區(qū)花崗巖微觀結(jié)構(gòu)改變，并導(dǎo)致其強度差異的外動力條件?？傮w來說，花崗巖內(nèi)部較為發(fā)育的長石解理面和云母含量