论文部分内容阅读
大型工程开挖是人类工程活动对岩体环境扰动的主要形式。在高地应力环境下的岩体特别是高强度岩体储存着很高的能量，岩体开挖释能引起的快速卸荷变形破坏常导致严重的工程问题和工程灾害。以锦屏一级水电站建基面开挖和锦屏二级水电站引水隧洞开挖为研究对象，采用野外调查、室内试验、力学分析方法相结合的方法进行大型工程开挖卸荷破坏相关研究。 在锦屏一级水电站大理岩坝基开挖中，卸荷破坏造成定向的雁列式微破碎带。利用EBSD技术，分别获取微破碎带外未破碎方解石与微破碎带内破碎方解石的晶体取向分布特征。分析结果表明，1）卸荷应力场诱导控制微观卸荷裂隙的方向并使之具有强定向性，绝大多数卸荷裂隙面与σ1σ2面平行或者近似平行;2）在锦屏一级大理岩工程开挖卸荷破坏过程中，微裂隙最容易沿{10-14}晶面发生，容易沿{10-18}晶面和(0001)晶面发生。 为了查明高储能岩体快速卸荷变形破坏机理，设计了锦屏大理岩岩爆试验，对岩爆试件的宏观破坏特征、声发射过程等进行研究。首先，根据以往真三轴岩爆试验特征进行了全程试验和非全程试验，记录其过程及声发射特征。然后，对比分析两者的宏观破坏特征，解释了岩爆试验的渐进破坏过程。试验结果表明:在大理岩岩爆试验中，岩石试件的宏观破坏是由表及里的;张性裂纹的出现要早于剪切裂纹，剪切裂纹搭接相邻的张性裂纹（或临空面）形成圈闭，圈闭内的岩石碎块出现剥离或以一定初速度弹射;剪切面上岩粉的存在意味着剪切裂纹萌生扩展过程伴随着大量弹性应变能的释放;与其他的岩爆分类和机制相比，本文的岩爆渐进破坏观点能够较好地解释岩爆机制。 为了获取岩石力学试验碎片表面的分形特征，特别是码尺在亚毫米级以下的二维分形特征，利用投影覆盖法对大理岩岩爆试验碎片表面特征进行研究。首先，利用岩爆试验模拟隧洞开挖时洞腰的卸载破坏现象并分析大理岩试件破坏特征。然后，利用激光共聚焦扫描显微镜对碎片进行表面测量，获取其三维表面数据，并使用三角剖分法求取不同码尺所对应的表面积，分析表面积随码尺变化的规律即碎片的二维分形特征。最后，论证了使用投影覆盖法计算大理岩碎片表面积的码尺下限。试验结果表明:1）碎片表面积在(0.625，639.375)μm码尺范围内具有多重分形特征;2）表面积增长率的分布在(0.625，319.688)μm码尺范围内类似于正态分布，在0.625μm码尺范围以下，碎片表面积的增长极为有限，故分形规律计算碎片表面积的码尺下限可以取0.625μm;3）基于扫描电镜的断口分析进一步证实碎片表面积计算中的码尺下限及其二维多重分形特征。 正交镜下，晶体轮廓与裂隙十分容易分辨。根据统计，在几条张性裂隙中，穿晶断裂所占的比例达到90％左右，沿晶断裂所占的比例约10％。 比表面仪试验可以获取粒度较小的碎块/碎屑的表面积，而三维激光扫描仪和激光共聚焦扫描显微镜可以获取粒度较大的碎块/碎屑的表面积。另外，扫描电镜试验照片显示，在锦屏大理岩岩爆试验中，岩石破坏具有明显的脆性特征，藕断丝连的脆-韧性特征不显著，碎块/碎屑内部的新生裂纹较少，甚至可以忽略不计。从整个尺度内的真三轴岩爆试验碎块/碎屑的粒度分布规律来看，比表面仪试验测试的碎块/碎屑的表面积与未参与测试的碎块/碎屑的表面积在数量级上相当，即单个真三轴岩爆试验的表面能在0.2～5J之间。 总之，以锦屏一级水电站建基面开挖和锦屏二级水电站引水隧洞开挖为研究对象，对其野外宏观破坏特征和微观破坏特征进行了调研，用真三轴岩爆试验模拟了锦屏二级水电站引水隧洞的开挖，对比分析了其渐进破坏过程，并对真三轴岩爆试验的残留试件、碎块进行了二维分形特征分析，对残留试件内的裂隙特征进行了研究，最终对真三轴岩爆试验的能量过程进行了初步探讨。