2.5 岩体流变特性研究_龙滩地下洞室群设计施工关键技术-QQ阅读男生都市网

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2.5　岩体流变特性研究

2.5.1　研究概况

龙滩水电站左岸进水口上游侧边坡为典型的倾倒蠕变岩体。为研究边坡蠕变岩体形成机理及工程边坡长期稳定性，结合国家“八五”攻关课题“反倾向层状结构岩石流变试验研究”，开展了龙滩水电站砂岩、泥板岩两类岩石不同应力状态下的流变试验。试验分两种类型，即岩石受弯流变试验和岩石受压流变试验。弯曲梁式试件的尺寸为20mm×40mm×200mm、15mm×30mm×200mm；柱式试件尺寸为ϕ25mm×75mm。这两类岩石也是龙滩水电站地下洞室群围岩的主要组成部分，试验成果简述如下。

3点弯曲试验成果表明：砂岩的流变服从广义的开尔文模型，其变形随时间的变化将趋向于一稳定值，流变模型参数可用E1、E2、η1（弹性模量、黏滞系数）表征，其值分别为：E1=3.7×105MPa，E2=8.69×104MPa，η1=1.20×108h·MPa，相应的延迟时间为td=253.4h。泥板岩流变服从伯格斯流变模型，当σ＞8.44MPa时，流变在经过初始蠕变弯曲之后进入第二阶段蠕变，变形随时间以一定速率呈稳定增势；当σ＜8.44MPa时，流变在经过初始蠕变之后即进入第二阶段，但变形呈稳定状态，泥板岩流变模型参数以E1、E2、η1、η2表征，E1=9.55×105MPa、E2=3.17×104MPa、η1=1.15×107h·MPa、η2=6.64×108h·MPa，相应的延迟时间为td=46.1h。从两类岩石的弯曲流变试验结果看：砂岩在经历较长黏弹性变形之后，进入黏塑性阶段趋于稳定；泥板岩在经历了较短的黏弹性变形之后，进入黏塑性阶段趋于稳定，两者的变形机制不同。另外，砂岩的流变参数随应力水平的变化趋势不如泥板岩明显。

受压流变试验结果表明：砂岩的受压流变服从广义开尔文模型，在平行层理方向上，其流变模型参数平均值分别为：E1=1.56×105MPa、E2=2.39×104MPa、η1=9.81×107h·MPa、td=486.1h；在垂直层理方向上，E1=0.32×105MPa、E2=2.22×104MPa、η1=5.87×107h·MPa、td=253.2h；结果表明砂岩的流变呈明显的各向异性。泥板岩的受压流变规律与应力水平有关，当σ＜σc时，其流变服从广义的开尔文模型；当σ＞σc时，服从伯格斯模型。在平行层理方向上，σc=6.069MPa，E1=2.48×105MPa、E2=2.34×104MPa、η1=1.31×107h·MPa、η2=6.30×108h·MPa、td=56.3h；在垂直层理方向上，σc=24.38MPa，E1=1.63×105MPa、E2=1.66×104MPa、η1=2.25×107h·MPa、η2=1.20×108h·MPa、td=13.8h；整体上，垂直层理方向的流变参数均小于平行层理方向的值。

在地下洞室群专题研究中，对节理面和泥板岩开展了室内流变试验研究，根据试验资料得到了节理和泥板岩的流变模型及参数，同时，根据勘探洞和地下厂房模型试验洞位移观测资料进行了流变模型辨识及参数的反演分析。

2.5.2　节理面剪切流变试验与模型参数反演

2.5.2.1　试验结果及分析

岩石节理面试件取自龙滩水电站9号施工支洞0+245桩号，为无充填的硬性结构面。先对节理面进行快剪试验（一组4个试件），取得不同法向荷载下的抗剪强度值，得到节理面快剪强度参数c、φ值。根据快剪试验结果，确定剪切流变试验的正压力和剪切荷载分级。剪切流变试验正应力分6级（对应6个试件），各级剪应力历时5d左右，最后一级剪应力时岩石节理面出现蠕变破坏。剪切流变试验结果绘制成节理的剪切流变曲线、等时流变曲线以及剪切变形速率-剪应力曲线，并通过曲线得到了节理的长期抗剪强度。

节理面快剪试验成果见表2.38和图2.6。根据已有的研究文献，对于粗糙的硬性节理面，其剪切行为具有明显的尺寸效应，包括剪胀角、残余强度、峰值剪切位移和抗剪强度都明显依赖于岩样的尺寸大小。总体趋势是，随着岩样尺寸的增加，节理的抗剪强度逐渐减小。根据Bandis（1981）的研究成果，对于节理粗糙度系数JRC=8～18，节理岩壁的抗压强度JCS=50～150MPa，节理法向应力σ=0～4MPa，如果节理面积从200cm2增加到50cm2，则节理抗剪强度减小9%～13%。本次试验中节理的工程取样面积为600cm2，而实际剪切试样的节理面积为225cm2，并根据节理表面形态和施加的法向应力，确定本次试验的抗剪强度参数降低率为12%，从而初步得到修正后的节理抗剪强度参数为f=0.83，凝聚力为c=0.27MPa。

表2.38　节理面快剪试验成果

图2.6　节理快剪和剪切流变试验的拟合结果

流变试验资料整理采用陈宗基提出的方法。先绘制各级荷载下相同剪切历时的剪位移叠加曲线，见图2.7；由这组叠加曲线绘制各种时间的剪应力与剪位移等时曲线簇，见图2.8。剪应力与剪位移等时曲线簇的拐点反映了节理剪位移随剪应力增加而变化的转折点，此转折点就是长期流变作用下节理的剪切屈服点。如此，可以确定各级正应力下对应的长期抗剪强度。岩体节理面剪切流变试验得出的长期强度及参数见表2.39和图2.7。与快速剪切强度参数相比，长期强度参数有所降低，摩擦系数降低20%，凝聚力降低67%。由此可见，时间效应对凝聚力的影响更为显著。

图2.7　节理剪切流变曲线

图2.8　节理流变等时曲线

从剪位移叠加曲线可以看出：在每一级正应力下，当剪应力值很小时，节理面的最终剪切流变位移也很小，而且很快趋于稳定；当剪应力增加时，节理的最终剪切流变位移也增加，趋于蠕变稳定所需的时间也加长；当剪应力超过其长期抗剪强度时，其剪切流变位移增量有较大增加，产生了明显的跃变，且随时间的增加，其蠕变位移曲线呈明显的上升趋势。

表2.39　节理面剪切流变试验成果

2.5.2.2　节理剪切流变的黏弹性模型反演

通过分析节理剪切流变的六组试验数据得出，节理剪切流变除了与剪应力有关外，还与节理的法向应力关系密切。总的规律是，在时间和剪切应力相同的情况下，随着节理法向应力的增加，节理的剪切流变位移逐渐减小。为了便于反演分析和工程应用，假定节理剪切流变参数与法向应力呈线性关系。参与反演的流变模型集合采用与经典黏弹性模型相似的流变模型，其中包括开尔文体、马克思韦尔体、三参量模型、广义开尔文体、标准线性体以及伯格斯体。对于开尔文体，其流变模型可以分为4种情况，即：模型参数都与法向应力无关；仅剪切模量与法向应力有关；仅黏滞系数与法向应力有关；模型参数都与法向应力有关。与此类似，根据模型参数是否与节理法向应力有关，马克思韦尔体有4种情况，标准线性体有8种情况，伯格斯体有16种情况，三参量模型有8种情况，广义开尔文体有16种情况。也就是说，对6种流变模型的56种情况同时进行反演分析。

在节理剪切流变模型的优化反演中，运用了解决无约束极值问题的梯度法以及解决非线性规划问题的制约函数法。

从节理剪切的实际情况、模型参数的多少和拟合误差三方面来考虑，对于节理的剪切流变，推荐采用类似于标准线性体流变模型，节理剪切流变位移ε（t）的表达式为

其中μ1=2.188mm-1，μ2=0.722mm-1，η=0.699MPa·h/mm。

2.5.2.3　节理剪切流变的黏弹-黏塑性模型参数反演

采用的模型为非线性黏弹-黏塑性模型，见图2.9。

图2.9　节理剪切流变的非线性黏弹塑性模型

非线性黏弹-黏塑性模型的参数分别为剪切模量G1、剪切模量G2、黏滞系数η2、黏滞系数η3以及节理的长期摩擦系数f3。在流变模型的黏塑性部分，屈服条件为τσ·f3＞0，并且摩擦系数f3始终与法向应力无关。根据节理剪切流变的非线性黏弹-黏塑性模型的剪切模量和黏滞系数与法向应力的关系及其组合情况，采用与节理剪切流变的黏弹性模型反演分析相同的方法，得到了各种参数组合情况下的拟合误差，由此，确定的非线性黏弹-黏塑性模型的表达式和参数值如下