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岩体参数是岩体力学的一个基本问题。它贯穿在工程的选址、设计和施工的全过程,直接关系到工程的经济与安全,因此,合理地确定工程岩体的参数,是科学地开展工程工作的前提和基础。影响岩体参数的因素很多:如岩体的建造、水文条件、应力历史等。目前,越来越多的岩体力学工作者认识到人工开挖导致的卸荷引起岩体参数的变化,用加载试验所得的岩体力学参数来描述卸荷状态的岩体参数是不合适的,卸荷是影响岩体参数的重要因素。卸荷岩体参数问题成为近年来岩体力学研究的前沿课题。随着工程规模的越来越大和工程级别越来越高,对工程岩体的评价和力学参数指标都提出了更高的、更具体的量化要求。因此,卸荷岩体参数的研究具有重要的理论意义。
小湾电站是目前世界上在建的第二高拱坝,坝高292m,坝基最大垂直开挖深度90m,最大水平开挖深度达130m,如此大规模的开挖国内外水电工程史上也是罕见的。小湾电站坝基大规模开挖引起岩体强烈卸荷,积累了大量的坝基岩体卸荷的第一手材料,为研究开挖条件下卸荷岩体的参数提供了难得的天然试验场地。众所周知,西南地区是我国的最重要水电基地,水力资源占我国水力资源总量的近70%,到十三·五期间,在建和拟建的大型水电站近49座,这些电站的建设都无一例外的面临开挖卸荷状态下岩体参数的研究问题。本文作者通过长期在小湾工地现场的工作,在掌握了大量第一手资料基础上,对小湾水电站坝基卸荷岩体的参数进行了细致地研究。这一研究不仅对于小湾电站建设具有重要意义,而且也对我国西南地区类似工程具有重要指导意义。
本区的工程地质条件是:主要发育三组结构面:①EW向陡倾片理面;②SN向陡倾结构面;③SN向中缓倾角结构面,倾向河谷;地应力测试结果深部SN向为主,浅表变化较大。卸荷裂隙分布特征为:①缓倾裂隙在建基面上基本与坡面平行,形成“兜底缝”,卸荷裂隙倾角从低高程到高高程倾角依次变陡;②中缓倾角卸荷裂隙两岸倾向相反,相向产出,且都倾向河谷;③在高高程处,卸荷裂隙往往受陡倾和中缓倾角裂隙的控制,出现阶梯状,或者出现剪切性质的菱形结环,有一定的起伏度,主要以沿结构面的剪切错动为主;在低高程处,由于地应力的集中,出现板裂化特征,主要以结构面的卸荷回弹和拉裂破坏为主,并可能出现岩爆。根据力学特征,把卸荷裂隙分为剪切型和拉张型两种。
为了研究卸荷岩体的力学参数,我们做了大量的现场和室内试验。试验结果表明岩石试样尺寸效应明显,饱水强度从82MPa到150MPa变化:变形模量变化不大,但在卸荷情况下,岩石的泊松比明显增大,甚至超过0.5。对卸荷后岩体的斜面载荷试验表明岩体力学性能明显劣化,低高程卸荷岩体的变形模量降低1/2~2/3甚至更多,高高程处降低1/3~1/2。
为更准确评价岩体参数,预测卸荷岩体的深度,笔者对卸荷岩体进行了分带.把卸荷岩体分为三个带:强卸荷带、弱卸荷带和应力调整带,并根据卸荷裂隙的力学特征,依此推导出结构面剪切破坏和拉剪破坏两种情况下卸荷深度的预测公式,理论预测结果和一系列的原位测试(包括声波资料、变形监测资料)结果具有很好的一致性,预测结果比较合理。
数值分析是研究卸荷岩体参数的重要手段,在这里我们采用了拉格朗日元法。由于小湾坝基岩体是脆性岩体,其破坏以脆性破坏为主。为了使数值分析更接近脆性岩体破坏特征,本文采用了软化屈服准则。通过大量的数值分析,本文研究和探讨了结构面迹长、间距和倾角对岩体变形和强度的影响,在此基础上,实现结构面网络模型向数值计算模型的转化,从而在数值模型中可以考虑大量随机节理对岩体力学性能的影响。以此为基础,分析了尺寸从2m~20m包含大量随机节理岩样的卸荷岩体力学参数,并和载荷试验结果进行对比,发现预测的卸荷岩体参数结果和载荷试验结果具有较好的一致性,可以用来预测卸荷岩体参数。将经验方法应用到小湾坝基卸荷岩体参数估算中,取得较为合理的估算结果,并与传统的几何连通率确定岩体参数方法以及数值分析方法的结果对比,结果比较接近。
卸荷裂隙可以看成岩体内的损伤。通过引进损伤力学方法,用损伤力学的方法对卸荷岩体变形参数进行预测。由于损伤力学中按变形模量的思路对岩体强度参数进行预测并不合理,本文将岩体强度参数预测公式改为:c=c(1-CsD)、()=arctg((1-CsD)tg()+tg(CsD×*()b)),预测结果表明,改进后的预测结果与前面的经验方法和数值分析结果较接近,因此更为合理。
为了适应工程上快速预测卸荷岩体的.力学参数的需要,本文提出工程影响因子δ的概念,并基于声波波速推导出其表达式为:δ=a(VP/VP)2,从而可以快速定量确定岩体中卸荷损伤或加固强化的程度,为工程岩体参数的确定提供一种快速可行的方法。通过小湾坝基岩体参数的评价结果表明,这一方法是合理的。