花岗岩蚀变土力学特性及其洞室围岩稳定性模糊评判.pdf
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1、第 44 卷第 4 期2023 年 7 月华 北 水 利 水 电 大 学 学 报(自 然 科 学 版)Journal of North China University of Water Resources and Electric Power(Natural Science Edition)Vol.44 No.4Jul.2023收稿日期:2022-06-09第一作者:王竹波(1971),男,高级工程师,从事水利水电工程施工技术及管理方面的研究。E-mail:。引用:王竹波,张艳艳,张红光,等.花岗岩蚀变土力学特性及其洞室围岩稳定性模糊评判J.华北水利水电大学学报(自然科学版),2023,44
2、(4):76-82.WANG Zhubo,ZHANG Yanyan,ZHANG Hongguang,et al.Mechanical properties of altered granite soil and the fuzzy evaluation of surrounding rock stability of cavern J.Journal of North China university of water resources and electric power(natural sci-ence edition),2023,44(4):76-82.DOI:10.19760/j.n
3、cwu.zk.2023047花岗岩蚀变土力学特性及其洞室围岩稳定性模糊评判王竹波1,张艳艳1,张红光1,刘云2(1.中国水利水电第十一工程局有限公司,河南 郑州 450001;2.河南新华五岳抽水蓄能发电有限公司,河南 信阳 465400)摘要:花岗岩蚀变带岩体软弱、破碎,工程维护面临诸多技术难题。以河南五岳抽水蓄能电站蚀变花岗岩土为研究对象,开展了固结排水三轴剪切试验,研究了自然含水状态下蚀变花岗岩重塑土的力学强度特性,并在试验结果的基础上运用模糊评判理论,分析了该土体各力学强度指标对洞室围岩稳定性影响的权重。结果表明:围压的改变会显著影响试样的剪切强度,围压应力水平愈大,剪切强度值愈高,黏
4、聚力亦愈大;伴随的试样破坏形式主要表现为中间鼓出的塑性大变形特征;内摩擦角和泊松比是影响试样力学强度特性的主控因素,而变形模量的影响权重最小。关键词:蚀变花岗岩土;力学特性;围岩稳定性;重塑土;模糊评判中图分类号:TU41文献标识码:A文章编号:2096-6792(2023)04-0076-07Mechanical Properties of Altered Granite Soil and the Fuzzy Evaluation of Surrounding Rock Stability of CavernWANG Zhubo1,ZHANG Yanyan1,ZHANG Hongguang1
5、,LIU Yun2(1.Sinohydro Bureau 11 Co.,Ltd.,Zhengzhou 450001,China;2.Henan Xinhua Wuyue Pumped Storage Power Generation Co.,Ltd.,Xinyang 465400,China)Abstract:The rock mass in the granite alteration zone is weak and fragmented,and engineering maintenance faces many technical difficulties.Taking the alt
6、ered granite soil of Wuyue Pumped Storage Power Station in Henan Province as the re-search object,a consolidated drainage triaxial shear test was carried out to study the mechanical strength characteristics of altered granite remolded soil under natural water content.Based on the experimental result
7、s,the fuzzy evaluation theory was applied to analyze the weight of the influence of various mechanical strength indicators of the soil on the stability of the sur-rounding rock of the cavern.The results are as follows.Firstly,changes in the confining pressure can significantly affect the shear stren
8、gth of the specimen.The greater the level of confining compressive stress,the higher the value of shear strength and the greater the cohesion.Secondly,the accompanying failure form of the sample is mainly characterized by large plastic deformation in the middle of the bulge.Thirdly,the internal fric
9、tion angle and Poissons ratio are the main factors affecting the mechanical strength characteristics of the sample,while the influence weight of deformation modulus is the smallest.Keywords:altered granite soil;mechanical properties;surrounding rock stability;remolded soil;fuzzy evaluation实现“碳中和”的前提
10、是“零碳”的电力,发展抽水蓄能对实现“零碳”目标至关重要1-3。在抽水蓄能电站工程中,地下水工隧洞是其重要的结构建筑物,开挖施工期间难免遭遇蚀变类岩层,严重制约工程施工的顺利推进。目前已有多处相关工程案例报道了水电工程施工中遭遇的严重蚀变岩层,比如北京青石岭水电站、二滩水电站、广州抽水蓄能电站以及河南天池抽水蓄能电站等4-8,此类岩体导致各类工程出现治理难题。不难发现,岩体蚀变原因在于,特殊水力环境下的地下水对岩层的物理化学侵蚀引发岩体矿物成分、结构类型的显著改变,进而引起原生岩体的力学特性改变。由于赋存的水力环境的显著差异性,工程区存在的蚀变岩层性质具有多样性特征,最终导致此类岩体整体软弱、
11、破碎,甚至被蚀变成砂土性状9-11。不少学者针对蚀变花岗岩体开展了相关研究。廖建强12指出大多数蚀变花岗岩体中包含不同含量的蒙脱石等膨胀性黏土矿物,其遇水易产生膨胀、崩解等,力学特性弱化严重。同时,以蒙脱石化为主的蚀变岩的研究13-15表明,蒙脱石化蚀变岩的强度特性极差,力学性能类似于全(强)风化原岩,在浸水湿化后急剧弱化而崩解,属软质岩土。由此可知,处于此类地层的隧洞工程围岩易诱发围岩流动大变形、涌水涌沙等工程灾害,甚至在工程竣工数年之后发生垮塌。针对此类膨胀岩出现的各类工程问题,国内外学者做了诸多深入的研究。例如:BARLA M16采用三轴试验对膨胀性岩体进行了膨胀性研究;MAO D W
12、等17基于重塑试样测试所得的膨胀力参数,分析了穿越含膨胀性黏土花岗岩蚀变带的挪威 Finnfast 海底隧道及 Hanekleiv 隧道围岩稳定性及其支护受力情况。然而,尽管诸多学者围绕前述工程问题开展了一定的研究,但仍存在不足和问题,尤其缺乏对含膨胀性黏土矿物的花岗岩蚀变土力学特性的深入认识。而且,穿越此类岩层的水工隧洞围岩的安全稳定性也制约着施工技术的发展,已成为地下工程中亟待解决的关键性技术问题。鉴于此,本文以河南五岳抽水蓄能电站蚀变带为工程背景,通过一系列力学试验,分析含膨胀性矿物的花岗岩蚀变土的力学强度特性,并运用模糊数学理论综合评判了其关键力学指标对该地层工程围岩稳定性的影响权重,
13、为此类工程围岩的稳定性控制和有效支护提供科学依据。1试验1.1试验材料试验所有材料取自河南五岳抽水蓄能电站工程区花岗岩蚀变带,该蚀变带最大宽度达到 100 m,其内岩体呈土状夹强风化岩块,浅灰白色或浅肉红色,如图 1 所示,其自然含水率为 13.0%。X 射线衍射分析结果显示18,采样土中含蒙脱石等膨胀性矿物,含量为 38.29%,遇水易发生膨胀、崩解。图 1现场花岗岩蚀变情况由于现场采样土粒径较大,不能满足室内试验仪器尺寸要求,需对超粒径颗粒进行处理。按照土工试验方法(GB/T 501232019)19,采用等量替代法和相似级配法确定了重塑级配粒径范围,由此获得了重塑土级配范围及基本参数。1
14、.2试验设备及方案图 2 所示为重塑土粒径分布曲线,根据土工试验方法(GB/T 501232019)19,按照图 2 所示的级配参数对采样土进行重塑制样,试样尺寸为直径 39.1 mm、高度 80 mm,如图 3 所示。结合工程实际水力环境,拟采用固结排水的试验方式,共设置 4种围压应力水平,即 100、200、400、600 kPa,制样干密度为 1.55 g/cm3,剪切速率固定为 0.015 mm/min,77第 44 卷第 4 期王竹波,等:花岗岩蚀变土力学特性及其洞室围岩稳定性模糊评判试验终止标准为轴向应变(a)达到 25%。试验仪器采用的是 TSZ-1 应变控制式三轴仪。图 2重塑
15、土粒径分布曲线图 3重塑土试样2结果分析根据试验结果,从土样强度、变形特征方面进行分析,研究不同围压应力水平对重塑土力学强度指标的影响规律。2.1不同围压水平对土样强度的影响图 4 展示了不同围压条件下土样的偏应力(1-3)-轴向应变(a)曲线。由图 4 可以发现:不同围压应力水平下,土样的偏应力(1-3)与 a整体表现出类似应变硬化类型,土样变形经历了明显的初期弹性变形和后期较大塑性变形阶段,全过程未出现峰值强度屈服点;在围压较小时,弹性阶段曲线很短,塑性阶段表现为主体变形特征;而围压较大时,曲线出现了较为明显的弹性阶段,相应的塑性阶段则有一定程度的缩短,但其仍为土样的主体变形特征;瞬时偏应
16、力(1-3)随着围压应力的增大而增大,在轴向应变值较大(如 a5.0%)时,对应的瞬时偏应力(1-3)差值基本趋于稳定。根据图 4 中偏应力-轴向应变曲线类型,设定轴向应变等于 15%时的偏应力为试样破坏偏应力(1-3)f),即峰值强度,由此可获得不同围压下的峰值强度值,如图 5 所示。图 4不同围压下试样偏应力与轴向应变之间的关系图 5围压与峰值强度的关系由图 5 可知:总体上,当围压应力水平改变时,试样峰值强度变化明显,围压越大对应的峰值强度越大;具体地,当围压从最小值 100 kPa 依次按照 2、4、6倍增加到最大围压 600 kPa 的过程中,峰值强度分别增加 1.60、2.47、3
17、.00 倍;围压从较小值(如 100 kPa)逐渐增大时,峰值强度的增长幅度明显;当围压从较大值逐渐增大时,则峰值强度对应的增长幅度显著减弱,比如当围压为 100 kPa 时,每增加 100 kPa,峰值强度对应增加 82.5 kPa,该值是当围压从 400 kPa 增加到 500 kPa 过程中所对应峰值强度增长值的 2.24 倍。同时,经过数据拟合可知,峰值强度与围压之间存在良好的线性相关性,拟合优度达到 0.96。此外,基于各个围压及其对应的峰值强度(图5),便可绘制出一个极限状态莫尔圆,这样可绘制出 4 个极限状态应力莫尔圆,做出这些极限状态莫尔圆的公切线就可得出天然重塑土的摩尔-库仑
18、抗剪强度包络线,如图 6 所示。其中,、分别代表剪切面的剪应力和正应力。由此获得土样的黏聚力(c)、内摩擦角()分别为 39.7 kPa、12.4。87华 北 水 利 水 电 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2023 年 7 月图 6强度包络线2.2不同围压水平对土样体积应变的影响重塑土样的体积应变 v和轴向应变 a的关系如图 7 所示。由图 7 可知:同一围压应力水平下,体积应变 v随着轴向应变 a的增加而增大,继而趋于平缓,曲线类似“双曲线”形式;同一轴向应变 a、不同围压应力水平下,围压越大,重塑土体积应变越小,且在围压为 400、600 kPa 较大应力水平时,两者的体积应变 v差
19、值变得越小,说明较小的围压应力水平对重塑土样的体积应变 v作用敏感,应加强围侧向应力水平,以提高围岩稳定性。图 7不同围压下体积应变与轴向应变的关系2.3不同围压水平对强度参数的影响根据邓肯-张双曲线模型,模型中切线变形模量(Et)的计算方法见式(1)20,即Et=Kpa3pa()n1-Rf1-3()1-sin()2ccos+23sin2。(1)式中:1为最大主应力,kPa;3为围压,即最小主应力,kPa;pa为标准大气压力,kPa;Rf为破坏比,其值小于 1;K、n 为试验常数。则切线泊松比(ut)的计算公式如下:ut=G-Flg3pa()1-D(1-3)Et。(2)式中 G、D 和 F 为
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