高地应力硬脆性围岩开挖损伤区时效性扩展案例分析——特征与机制

硬脆性围岩在开挖完成后，其强度在高应力的影响下具有明显的时间效应，这导致围岩开挖损伤区的发展也呈现出与时间相关的特征。在岩石强度时效性演化模型的基础上，以锦屏二级水电站试验洞钻孔摄像、声波、变形监测等开挖损伤区实测结果为目标函数，采用正交设计方法、最小二乘支持向量机模型、粒子群优化算法等方法，建立了考虑时间效应的LSSVM-PSO智能反演分析方法，并以锦屏二级水电站试验洞为例，研究了开挖完成后的25 d里，围岩强度在高地应力条件下的时效性演化特征，进而获得这一时段内开挖损伤区扩展过程。研究结果表明：（1）高应力地区，隧洞开挖后，围岩损伤区的主要扩展方向受地应力控制，且最大扩展方向为最小主应力方向，且破坏区（破坏接近度FAI≥2）也集中于该方向； （2）开挖损伤区面积随时间近似呈S形曲线变化，表明开挖损伤区初始发展较为缓慢，随着时间推移呈现线性增加的趋势，最后又逐渐趋于稳定；（3）开挖后第3～10 d为开挖损伤区快速增长阶段。该研究成果对高应力地区硬脆性围岩开挖损伤区时效性演化研究具有指导意义。     

大理岩弹塑性耦合特性试验研究

大量研究表明,岩石经历塑性变形时其弹性参数会发生变化,即存在弹塑性耦合现象。为了研究岩石的弹塑性耦合特性,进行了两种大理岩的循环加、卸载试验。试验结果表明:与常规试验对比,循环加、卸载试验对岩石的变形、强度及破坏形态影响较小;弹性参数随塑性变形的变化显著,考虑弹塑性耦合时,弹性参数取体积模量和剪切模量更为合适;基于Mohr-Coulomb屈服准则,计算得到了强度参数,即黏聚力和内摩擦角随塑性内变量的演化规律。所得结论将为岩石弹塑性耦合本构模型的建立提供基本的试验支持。     

基于现场试验的岩体变形模量尺寸效应研究

岩体力学参数具有随机性和不确定性,合理确定岩体力学参数是岩土工程稳定性分析的基础和关键。以某水电站前期研究的110个钻孔弹模测试数据为研究样本,对其进行了统计特征分析,确定变形模量的概率分布特征更符合Weibull分布。以钻孔弹模仪承压板尺寸为岩体变形模量研究的样本尺度,岩体由该尺度的岩样叠加而成,建立了不同尺寸的立方体岩体数值分析模型,按照Weibull分布随机给出各岩样的变形模量,在此基础上对不同尺寸的岩体分别进行5 000次单轴压缩试验的数值模拟,得到了不同尺度岩体等效变形模量的变化特征,确定了岩体等效变形模量的REV。基于现场实测岩体变形模量与概率统计理论相结合研究岩体变形模量是一个新的尝试,可为该水电站工程岩体力学参数的合理取值提供依据。     

大理岩弹性参数的围压效应与弹塑性耦合模型

以锦屏二级水电站 和 深埋大理岩循环加、卸载试验结果为基础,对不同围压下大理岩弹性参数的演化规律进行研究,得出其弹性模量随围压和内变量的变化显著,而泊松比随围压则变化不明显。基于试验结果确定了锦屏大理岩弹性模量与围压和内变量的定量关系,建立了考虑弹性参数围压效应的大理岩弹塑性耦合模型,并在有限差分软件FLAC3D中进行了数值实现,用于模拟分析大理岩室内三轴压缩试验结果,并将模拟结果与不考虑弹性参数围压效应的计算结果进行对比,结果表明：考虑大理岩弹性参数围压效应的数值模拟与试验结果更吻合。研究方法和结果对于提高深部工程围岩（特别是具有小变形破坏特性的硬脆性围岩）变形计算的准确性具有重要的参考价值和借鉴意义。     

大理岩单轴压缩时滞性破坏的试验研究

在深埋地下岩石工程开挖过程中,岩爆是多发的工程灾害,且大多表现出明显的时滞性,即大部分岩爆并不是随开挖而即时发生,而是会滞后开挖一段时间。针对深埋地下岩石工程围岩发生时滞性岩爆的实际应力特征,开展了锦屏二级水电站大理岩单轴压缩时滞性破坏试验研究。试验结果表明：在应力峰值前的长时间单轴压缩作用下,硬脆性大理岩的破坏表现出明显的时滞性;大理岩岩样在时滞性压缩破坏过程中会产生大量的竖向裂纹,破坏时会产生大量的片状破裂碎屑;岩样发生时滞性破坏时的环向应变不仅大于自身的轴向应变,而且也大于其常规单轴压缩破坏时的环向应变;当环向应变接近或超过轴向应变时,大理岩发生剧烈脆性破坏的可能性将明显提高。研究结论对于深入认识岩爆的时滞性机制以及建立时滞性岩爆的预测方法具有重要的意义和启示。     

岩石强度时效性演化模型

在一定的外界荷载作用下,岩石材料的强度会随时间不断降低,在工程上常表现为由于强度的弱化而导致岩体的突发性破坏行为以及岩体的长期强度等不同现象和问题。因此,岩石强度的时间效应研究对岩体工程施工安全和工程长期稳定性都具有重要的指导意义。在对大量试验结果分析的基础上,总结了岩石强度演化规律与内在机制,发现岩石强度的损失与岩石本身的固有强度、所受应力状态（屈服接近度）以及应力作用的持续时间有关,在此基础上,提出了以岩石凝聚力和内摩擦角随上述因素变化为核心的岩石强度时效性演化模型。通过对多组试验数据的模拟分析表明,提出的岩石强度时效性演化模型能很好地描述岩石强度的演化规律,可以较好地定量反映不同应力水平下岩石强度弱化过程,且物理意义明确,为岩石强度的时间效应研究开拓了一个新的思路和方法。