基于典型岸坡深部裂缝的岩石力学试验研究

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1、成都理工大学博士学位论文基于典型岸坡深部裂缝的岩石力学试验研究姓名：张文居申请学位级别：博士专业：岩土工程指导教师：赵其华20090601摘要基于典型岸坡深部裂缝的岩石力学试验研究作者简介：张文居，男，1978年10月生，师从成都理工大学赵其华教授，2009年6月毕业于成都理工大学岩土工程专业，获得工学博士学位。摘要西南部地处我国第一个地形梯度带，区内水能资源十分丰富，一系列已建和拟建大型水电工程座落于这一地区。由于该区域大地构造上位于青藏断块的东部边缘地带，受青藏高原近百万年来持续隆升的影响，地质环

2、境条件特殊复杂。因此，在这些地区进行大型、超大型工程建设，有一系列制约工程设计，施工和运营的重大工程地质问题亟需加以研究和解决，其中之一便是岸坡深部裂缝问题。本文以青藏高原东侧的西南地区为主要研究对象，通过选取雅砻江锦屏一级，大渡河瀑布沟、深溪沟、双江口等大型水电工程勘察中所揭示的深部裂缝为研究素材，采用归纳与演绎的哲学思维方式，强调地质原型现场调研与地质过程分析，重视自然边坡的形成演化过程和深部裂缝所赋存的地质力学环境，运用现代数值模拟技术和岩石力学的理论与方法，对深部裂缝的发育分布及变形破坏特征从

3、地质原型调研、数值模拟反演、岩石力学试验、损伤理论分析四大方面进行了综合集成研究，初步建立了一套深部裂缝研究的基本框架和技术方法体系，取得以下主要成果：（1）通过对典型岸坡深部裂缝的系统研究，归纳总结了裂缝发育的一般性特点，即：①裂缝多发育于距谷底70～120m以上的岸坡岩体中；②裂缝大多呈带状产出，破裂带之间为相对完整的岩体；③裂缝中很干净，几乎未见次生夹泥；④裂缝发育程度总体有随高程增加而增强、随水平埋深增大而减弱；⑤裂缝形成时间总体有随高程增加而变老、随水平埋深增加而变新；⑥裂缝主要沿与坡向大体

4、平行的陡倾角构造结构面发育；等。（2）通过对典型岸坡深部裂缝生成的地质环境的综合分析，归纳提出了裂缝生成所须满足的地质环境条件，即：①在构造改造过程中能存储较高应变能的质坚性脆的岩性条件；②有利于应变能存储和释放的地质构造（如褶皱体）和结构条件（岩性结构和构造裂隙）；③作为广义“荷载”能导致岸坡岩体产生压缩变形和强烈卸荷回弹的高地应力条件；④能导致岩体应变能强烈释放的地壳快速抬升（即河谷快速下切）条件；等。（3）认为深部裂缝是在河谷（或叠加横向沟谷）地貌形成演化过程中，伴随区域性剥蚀和河谷下切过程，岸

5、坡应力场不断变化调整，引起岸坡岩体内部先期储存的应变能（与构造改造程度和方式有关）强烈释放，向临空方向产生差异回弹卸荷形成的，属浅生时效结构。I成都理工大学博士学位论文（4）依据岸坡地质体的形成演化过程，厘定了岸坡岩体的改造模式，提出岸坡岩体由坡表向内可划分为表生改造、浅生改造、构造改造三个带，表生改造带又可细分为外侧的卸荷拉裂带和内侧的紧密挤压带，浅生改造带则由深部裂缝带及带间板梁组成。并对各带岩体的应力、声波、点荷载、裂隙密度、裂隙开度等进行了统计分析。（5）由典型岸坡实测地应力的详细分析表明：深

6、部裂缝发育地区均存在较大的地质构造作用，属高（中）地应力区，岩体应力主要以水平构造应力为主。（6）依据典型岸坡实测应力值随水平埋深的变化特点，对岸坡应力场进行了分带，即将岸坡岩体应力由坡表向内划分为应力降低、应力增高、应力波动、应力趋稳四个带。其中应力降低和应力波动带，可分别与岸坡卸荷带的范围和深部裂缝发育的范围对照。分析认为，应力波动带的底界即为河谷应力场的影响深度，由此统计显示，我西南河谷地区这一深度大致为150～387m。（7）岸坡应力场的分布特征，与岸坡岩体的浅表生改造过程密切相关，依据成因，

7、将岸坡应力场由坡表向内划分为斜坡应力场区、过渡区和构造应力场区三个区，可分别与表生改造、浅生改造和构造改造三个带相对应，分析了各区应力分布的特点，提出斜坡应力场区主要以自重应力为主、过渡区是构造应力场向自重应力场转化的一个过渡区域、构造应力场区主要以构造应力为主的观点，并根据实测最大主应力倾角随埋深的变化特征验证了这一认识。（8）采用现代数值模拟技术，对岸坡应力场的分带特征进行了验证分析，并探讨了构造应力对分带范围的影响；同时还分析了岸坡应力场演化的基本特点以及深部裂缝的形成过程，并根据地质过程中裂缝

8、单元应力Mohr圆的变化特点，探讨了深部裂缝的生成时间，得出近坡表和高高程裂缝分别比深部和低高程裂缝形成时期要早，验证了地质分析的成果。（9）以深部裂缝形成过程中实际的应力变化状态为试验设计的依据，开展了不同围压、不同卸荷速率下的卸荷岩石力学对比试验，由试验揭示，在卸荷条件下：①随破坏围压的增加，试样破坏形式均从张性破坏向剪切破坏过渡，且在相同围压下，随卸荷速率的增大，试样张性破裂的比例也越重；②试样表现出累进性破坏特征，通常在试样表面附近有卸荷剥落的张