软岩力学特性试验.docx
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1、软岩力学特性试验软岩是一种特定环境下的具有显著塑性变形的简单岩石力学介质,其基本力学理论和方法迫切需要深化讨论。软岩问题始终是困扰隧道运行和建设的重大难题之一。每年约有800万米的巷道在脆弱围岩中开掘,随着开挖深度的增加,软岩问题愈趋严峻,直接影响工程平安生产,危及人身平安。通过可学的试验判定软岩两个基本力学属性:软化临界荷载和软化临界深度,从而推断是否属于软岩工程,杜宇转雀帝实施工程设计极为重要。软岩的基本属性软岩之所以能产生显著塑性变形的缘由,是由于软岩中的泥质成分和结构面掌握了软岩的工程力学特性,一般说来,软岩具有可塑性,膨胀性,崩解性,分散性,流变性,触变性和离子交换性。可塑性可塑性是
2、指软岩在工程力的作用下形成变形,去掉工程力之后这种变形不能恢复的性质。低应力软岩、高应力软岩和节理化软岩的可塑性机理不同,低应力软岩的可塑性是由软岩中泥质成分的亲水性和结构面扩容共同引起的。节理化软岩的可塑性变形是由于软岩中的缺陷和结构面扩容共同引起的,与粘土的矿物成分吸水软化的机制没有关系。描述结构面扩容,一般用塑性扩容内变量Op,这方面的讨论尚待进一步深化。高应力软岩的可塑性变形机制比较简单,前述两种机制(结构面扩容机制和粘土矿物吸水软化机制)可同时存在。膨胀性软岩在力的作用下或在水的作用下体积增大的现象,称为软演的膨胀性。依据产生的膨胀钉激励,膨胀性可分为内部膨胀性,外部膨胀性和应力扩容
3、膨胀性三种。内部膨胀是指水分子进入晶胞间而发生的膨胀。在常温下观看蒙脱石的层间水状态,则可见到其层间成平行水分子并有规章的层面排列。和水连续作用,则水分子层相继在层间公平积累,扩大层间距离。外部膨胀性是极化水分子进入颗粒与颗粒之间产生的膨胀性。由于粘土矿物都是层状硅酸盐,所以其表面积主要是底表面积。也就是说,水主要存在于小薄片之间,并使其膨胀,这种膨胀性称为外部膨胀性。扩容膨胀性是软岩受力后其中的微裂隙扩展、贯穿而产生的体积膨胀现象,故亦称应力扩容膨胀性。假如说内部膨胀是指层间膨胀、外部膨胀是指粒间膨胀的话,扩容膨胀则是集合间体系或更大的微裂隙的受力扩容。崩解性低应力软岩和高应力软岩、节理化软
4、岩的崩解机理是不同的。低应力软岩的崩解性是软岩中的粘土矿物集合体在与水作用使膨胀应力不匀称分布造成崩裂现象;高应力软岩和节理化软岩的崩解性则主要表现为在航道工程力的作用下,由于裂隙发育的不匀称造成局部张应力集中引起的向空间崩裂、片帮现像。流变性岩石特性的时间效应是由岩石材料的性质所打算的,尤其是软岩。从广义来说,岩石的力学特性也就是岩石的流变力学特性。软岩是一种流变材料,具有流变特性的材料的力学性状行为时流变学的讨论范畴。流变性又称粘性,是指物体受力变形过程于时间有关的变形性质。软岩的流变性包括弹性后效、流淌、结构面的闭合和滑移变形。流淌又可分为粘性流淌和塑性流淌。易扰动性软岩的易扰动性系指由
5、于软岩脆弱、裂隙发育、吸膨胀等特性,导致软岩抗外界环境扰动的力量极差。对卸荷松动、施工震惊、邻近巷道施工等扰动极为敏感,而且具有吸湿膨胀软化、暴露风化的特点。软岩的多轴力学特性及其对拱坝的影响摘要与单轴试验相比,在多轴条件下,软岩(尤其是遇水软化的砾岩)的强度和刚度均有所提高。尝试采用多轴非线性模型,将砾岩在多轴应力条件下的试验成果应用于实际工程,使仿真计算结果更接近实际状况。由于考虑了围压对岩石刚度有提高的影响,非线性计算结果更平安一些,但这不足以弥补砾岩因泡水降低弹模带来的影响。此外,通过对比双轴与常规三轴试验成果,得出在低围压应力区可用双轴试验结果代替三轴试验结果的结论,既简化了试验又便
6、于量测。1引言拱坝结构中,无论是坝体混凝土还是拱座岩石,承受单一的单轴受压、受拉或纯剪力的状况是极少的,事实上它们都处于双轴和三轴应力状态。国内外多轴试验表明,在双轴24和三轴5受压条件下,材料的强度和刚度均有所提高6力。通常对于拱坝拱座处的坚硬岩石来说,强度的提高是次要的,由于其应力基本处于低应力区;但对软岩基础上的拱坝则需分析岩石强度、遇水软化的拱座基岩在多轴应力下的变形和力学参数的变化,以及它对坝体的应力分布会产生什么影响,这些正是拱坝设计者迫切想知道的.目前,拱坝仿真应力计算中,通常做法是依据单轴试验结果拟合计算参数,并将叠加原理应用于多轴的状况9。力学模型是线弹性模型,并没有考虑应力
7、状态对这些参数的非线性影响,这和实际情况有肯定差别。本文结合新疆某拱坝,依据坝区软弱砾岩多轴压缩试验成果,考虑其变形和强度都随应力状态变化的影响,进行非线性仿真计算,通过比较,得出一些有价值的结论2工程背景新疆某水利枢纽工程,是一项以浇灌为主,兼有防洪、发电和改善生态环境等综合效益的中型水利工程。其主坝为碾压混凝土拱坝,坝高109m,厚高比0.28。在主坝设计中,采纳在坝肩设人工短缝、拱冠设中缝、下游面设人工短缝等措施,以降低坝体的刚度,达到改善坝体应力的目的4。坝址区出露侏罗系中、上统和白垩系下统地层,为一套连续沉积的河湖相碎屑岩,产出状态以中厚层块状为主,层理发育,具有明显的沉积韵律。其中
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