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高地应力下白鹤滩地下洞室群含错动带岩体破坏模式及机制研究

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岩石力学与工程学报 2017年第4期36卷 852-864页

作者：段淑倩冯夏庭江权刘国锋徐鼎平姚志宾樊义林王鹏飞中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 东北大学深部金属矿山安全开采研究中心辽宁沈阳110819 中国长江三峡集团公司北京100038

在建的白鹤滩地下洞室群规模巨大,具有"高边墙、大跨度、高地应力、复杂地质条件"的特点,在高应力开挖卸荷过程中,遭遇到延展性强且力学性质差的多条大型错动带的影响,使得含错动带岩体遭遇到不同程度的变形破坏问题。结合地质、施工、... 详细信息

在建的白鹤滩地下洞室群规模巨大,具有"高边墙、大跨度、高地应力、复杂地质条件"的特点,在高应力开挖卸荷过程中,遭遇到延展性强且力学性质差的多条大型错动带的影响,使得含错动带岩体遭遇到不同程度的变形破坏问题。结合地质、施工、监测、测试及数值分析等资料,首先从错动带产状、成因和自身特点等方面对错动带的工程特性进行详细论述,然后对因错动带导致工程岩体结构变形失效或破坏的实例进行归纳总结,从结构控制因素上将含错动带岩体的破坏模式划分为塑性挤出型拉伸破坏、结构应力型塌方/掉块和剪切滑移型破坏3种类型;其次,研究分析各类含错动带岩体的破坏特征与机制,包括时空演化过程、形态特征、破坏规模等,初步揭示3种破坏模式对应的力学机制;最后,给出典型的含错动带岩体破坏模式分析预测和支护探讨实例,从而为白鹤滩地下厂房施工过程中含错动带岩体不稳定性问题的预测和调控提供借鉴。上述研究成果对于高应力条件下类似的地下洞室群含错动带岩体的稳定性研究具有重要的参考价值和指导意义。

关键词：岩石力学错动带地下洞室群高地应力破坏模式破坏机制

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不同先期固结压力下的错动带力学特性研究

岩土力学 2017年第1期38卷 49-60页

作者：段淑倩冯夏庭江权徐鼎平徐鸿中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点试验室湖北武汉430071 东北大学深部金属矿山安全开采研究中心辽宁沈阳110819

针对白鹤滩大型水电站揭露的错动带,探索了一种反映原岩应力状态的错动带试样制备方法,采用替代法对错动带进行超粒径处理,同时控制先期固结压力和稳压时间进行静载固结,并基于不同先期固结压力、不同高围压下的不固结、不排水三轴试验... 详细信息

针对白鹤滩大型水电站揭露的错动带,探索了一种反映原岩应力状态的错动带试样制备方法,采用替代法对错动带进行超粒径处理,同时控制先期固结压力和稳压时间进行静载固结,并基于不同先期固结压力、不同高围压下的不固结、不排水三轴试验,结合矿物成分分析试验和扫描电镜试验,分析了不同先期固结压力下错动带的力学和变形特性。试验结果表明,不同高围压、不同固结压力下错动带应力-应变关系曲线基本表现为有剪胀行为的应变硬化型力学行为,且多为腰鼓型塑性破坏;在相同固结压力条件下,随着围压升高,错动带试样破坏应力、变形模量和泊松比均呈增大趋势,扩容效应更明显;相同围压条件下,随着先期固结压力的增大,错动带破坏应力逐步提高,弹性模量逐渐增大,而泊松比略有减小,敏感性不大;同时黏聚力和内摩擦角随固结压力的增加而分别减小和增大,呈劣化趋势。错动带微观结构的定性和定量分析进一步揭示了错动带作为一种夹杂错动后残留有岩石碎屑(块)软弱物质的颗粒类材料,在高应力下其塑性变形主要来源于颗粒破碎和颗粒的定向排列。因此,先期固结压力是影响错动带性质的重要因素。

关键词：错动带先期固结压力颗粒破碎

高地应力卸荷条件下错动带塑性变形规律与硬化特征

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岩土力学 2022年第1期43卷 97-109页

作者：段淑倩高坡江权周扬一徐鼎平郑州大学土木工程学院河南郑州450001 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 东北大学深部金属矿山安全开采研究中心辽宁沈阳110819

为阐明高地应力地下工程开挖卸荷条件下错动带变形破坏的塑性规律与硬化特征,通过一系列不同围压、不同加卸荷应力路径下的三轴试验,着重研究了不同加卸荷应力路径下的错动带塑性变形规律;基于试验结果,在应力空间进一步探究了等效塑性... 详细信息

为阐明高地应力地下工程开挖卸荷条件下错动带变形破坏的塑性规律与硬化特征,通过一系列不同围压、不同加卸荷应力路径下的三轴试验,着重研究了不同加卸荷应力路径下的错动带塑性变形规律;基于试验结果,在应力空间进一步探究了等效塑性功、等效塑性应变、塑性体应变等内变量作为硬化参数的应力路径相关性,并提出应力路径无关的硬化参量修正公式。研究结果表明:(1)高地应力下错动带的变形力学特性存在着明显的应力路径效应,在相同卸荷应力路径下,高围压会抑制错动带试样环向塑性变形的发展;在相同初始围压下,卸轴压卸围压应力路径下错动带试样的塑性体积残余应变(6%)明显大于其余卸荷应力路径(2%~4%);不同应力路径对错动带塑性体积变形的促进作用为卸轴压卸围压应力路径>恒轴压卸围压应力路径>增轴压卸围压应力路径;(2)错动带在不同卸荷路径变形破坏过程中,其塑性体应变、等效塑性应变、等效塑性功等内变量均存在一定的应力路径相关性,因而在错动带的弹塑性分析中,直接将以上任何一个状态参量作为其硬化参数并假定其与应力路径无关是不准确的。为此,提出等效塑性功修正方法,发现当修正等效塑性功公式中反映错动带材料特性的参数n_(s)=-0.4时,修正等效塑性功具有明显的应力路径无关性,更适宜作为高地应力卸荷条件下错动带的硬化参数来描述其卸荷塑性应变硬化特征。揭示的错动带塑性力学特性可进一步深化高地应力卸荷条件下错动带的变形破坏认识,为实际工程中错动带的破坏机制分析和支护控制提供理论依据。

关键词：错动带高地应力卸荷塑性变形硬化特征

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高应力条件下错动带加卸荷力学特性试验研究

岩石力学与工程学报 2016年第6期35卷 1090-1101页

作者：段淑倩冯夏庭江权徐鼎平徐鸿刘国锋中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点试验室湖北武汉430071 东北大学深部金属矿山安全开采研究中心辽宁沈阳110819

针对白鹤滩地下厂房开挖过程中所揭露的力学响应行为十分复杂的错动带,为研究其在高应力条件下的加卸荷力学特性,开展一系列不同应力水平和应力路径下的不排水三轴常规加、卸荷试验。研究结果表明:(1)卸荷过程中,错动带卸荷应力–应变... 详细信息

针对白鹤滩地下厂房开挖过程中所揭露的力学响应行为十分复杂的错动带,为研究其在高应力条件下的加卸荷力学特性,开展一系列不同应力水平和应力路径下的不排水三轴常规加、卸荷试验。研究结果表明:(1)卸荷过程中,错动带卸荷应力–应变曲线特征与初始围压相关性很大,错动带向卸荷方向回弹变形显著,从卸围压开始即表现出强烈的剪胀现象;卸轴压卸围压方案比增轴压卸围压方案的侧向扩展变形表现更为显著;且在试样表面都出现了张/张剪裂纹。(2)卸荷应力路径下,错动带变形模量劣化效应十分明显,随围压的减小而逐渐降低,基本呈三次多项式递减;体积模量随体积应变的增加而减小,整体呈负指数形式降低;泊松比则随体积应变逐渐增加,整体呈近似抛物线形式递增。(3)相同初始围压条件下,相较于加荷条件,卸荷条件下错动带的破坏应力有所降低,内摩擦角明显增大,而黏聚力则明显降低;卸轴压卸围压方案下的破坏应力劣化更显著。试验所采用的应力水平和应力路径基本涵盖和反映了错动带在洞室开挖过程中所经历的复杂的应力重分布过程,具有一定的代表性,地下厂房开挖后高边墙错动带黏聚力和内摩擦角取值基本可参考卸轴压卸围压应力路径下天然含水率错动带的试验结果,为后续进一步讨论错动带强度特征并建立错动带本构模型提供了有效依据。

关键词：水利工程错动带卸荷试验变形特征强度参数

开挖扰动下地下交叉洞室错动带岩体微震演化规律

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岩土力学 2020年第11期41卷 3789-3796,3822页

作者：赵金帅裴书锋徐进鹏江权陈炳瑞江苏大学土木工程与力学学院江苏镇江212013 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 华北水利水电大学地球科学与工程学院河南郑州450046 中国长江三峡集团公司北京100038

错动带具有"历史上多次剪切错动、延伸范围广、遇水易软化、力学强度低"的软弱特性,致使其在开挖卸荷作用下极易诱发不同程度的变形和破坏,进而严重影响地下洞室的稳定性。针对白鹤滩水电站右岸9#母线洞(地下交叉洞室)发生的错动带岩体... 详细信息

错动带具有"历史上多次剪切错动、延伸范围广、遇水易软化、力学强度低"的软弱特性,致使其在开挖卸荷作用下极易诱发不同程度的变形和破坏,进而严重影响地下洞室的稳定性。针对白鹤滩水电站右岸9#母线洞(地下交叉洞室)发生的错动带岩体塌方破坏,借助高精度、实时微震监测系统,系统地研究了塌方孕育过程中的微震活动性,包括微震事件时空演化规律、震级和视应力分布特征。采用矩张量理论,反演塌方孕育过程中的微震事件破裂机制(张拉、剪切或混合),归纳、总结其演化过程为:表层围岩卸荷张拉破裂→裂纹渐进向围岩深部扩展→破裂沿错动带方向萌生、扩展(张拉破裂为主,伴随剪切或混合破裂)→裂缝与错动带交汇,切割出不稳定楔形体→爆破振动或重力作用下,错动带岩体塌方。该研究结果可为高应力地下交叉洞室错动带岩体的开挖、支护提供参考,同时对类似工程的施工具有重要借鉴意义。

关键词：地下交叉洞室错动带塌方微震监测时空演化破裂机制

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层间错动带的强度参数取值探讨

岩土力学 2011年第11期32卷 3379-3386页

作者：江权冯夏庭周辉赵阳徐鼎平黄可江亚丽中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室武汉430071 中国水电顾问集团华东勘测设计研究院杭州310014

为获得高应力下具有剪切错动历史、延展规模大、组合结构和矿物构成多元化等特点的白鹤滩层间错动带强度值(黏聚力和内摩擦角),首先介绍了6种错动带试验研究,包括针对错动带泥化软层的环剪试验、高压直剪试验和三轴压缩试验,以及针对错... 详细信息

为获得高应力下具有剪切错动历史、延展规模大、组合结构和矿物构成多元化等特点的白鹤滩层间错动带强度值(黏聚力和内摩擦角),首先介绍了6种错动带试验研究,包括针对错动带泥化软层的环剪试验、高压直剪试验和三轴压缩试验,以及针对错动带复合体的直剪试验、三轴压缩试验和现场试验。综合分析不同试验对象和不同试验条件下获得的错动带强度值,归纳出了错动带黏聚力和内摩擦角与试验方式、加载的法向应力大小、试样特点及含水率之间的关系,并发现白鹤滩错动带强度特性具有典型的组合体结构效应、弱胶结效应、围压效应、水软化效应。在此基础上,提出"原状错动带强度"和"扰动错动带强度"两个概念,并进一步讨论了白鹤滩厂址区原状的和扰动的层间错动带强度参数取值问题。其研究结果可为白鹤滩地下洞室群的安全设计和深部地下工程中同类泥化夹层的力学参数取值提供参考。

关键词：错动带黏聚力内摩擦角泥化软层多元组合体

白鹤滩水电站错动带非线性渗透参数的原位试验确定

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岩土工程学报 2020年第3期42卷 430-437页

作者：周志芳李思佳王哲郭巧娜石安池陈朦沈琪河海大学地球科学与工程学院江苏南京211100 华东勘测设计研究院浙江杭州311122

基于广义非线性渗透的Forchheimer方程,提出了一种确定错动带非线性流渗透参数的原位试验方法。结合白鹤滩水电工程现场试验研究发现,非线性系数b、m的取值与稳定性和错动带的充填物类型、结构有关。C3、C4层间错动带m=2,非线性系数b值... 详细信息

基于广义非线性渗透的Forchheimer方程,提出了一种确定错动带非线性流渗透参数的原位试验方法。结合白鹤滩水电工程现场试验研究发现,非线性系数b、m的取值与稳定性和错动带的充填物类型、结构有关。C3、C4层间错动带m=2,非线性系数b值相对较为稳定,变化不大。C2层间错动带m=0.5,非线性系数b值相对稳定,但量级上远小于C3、C4层间错动带非线性系数b值;分析其原因认为高压压水试验过程中原来错动带连通性较差的孔隙,在高压水作用下形成了贯通的优势流通道,导致相同压力下的压水量大幅增加。依据试验获得非线性系数和非线性程度影响系数β判别,高压压水试验过程中压水孔和测试孔之间非线性项占绝对优势,地下水的运动状态均为非线性流,说明原位测试方法选择的压水孔和测试孔之间的距离、压力梯级变化是合适的。试验验证表明,错动带非线性渗透参数的原位试验方法不仅理论严密,而且具有试验过程简单、易操作,获取的参数齐全、精度高等优点,因此有很好的推广应用价值。

关键词：非线性流渗透参数白鹤滩水电站原位试验错动带

非线性弹性-硬化接触本构模型在层间错动带中的研究

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水力发电学报 2013年第1期32卷 206-211,217页

作者：金长宇张春生冯夏庭东北大学深部金属矿山安全开采研究中心沈阳110819 中国水电顾问集团华东勘测设计研究院杭州310014

贯穿白鹤滩水电站地下洞室群的层间错动带是发育于各岩流层顶部凝灰岩层中的缓倾角、贯穿性的错动构造,受到不同地质作用,在错动带内部形成夹碎裂岩和泥岩等不同构造。由于其形成过程和内部构造相对复杂,因此其力学行为的描述也较为困难... 详细信息

贯穿白鹤滩水电站地下洞室群的层间错动带是发育于各岩流层顶部凝灰岩层中的缓倾角、贯穿性的错动构造,受到不同地质作用,在错动带内部形成夹碎裂岩和泥岩等不同构造。由于其形成过程和内部构造相对复杂,因此其力学行为的描述也较为困难,为了直观合理地揭示其力学特性,借助两体理论,将该地质构造考虑为一种上下接触、中间夹软弱带的"夹心饼干"结构。基于层间错动带现场试验规律,建立错动带非线性弹性-硬化本构模型,基于FLAC3D软件中的INTERFACE单元,利用FISH语言实现对接触单元的自动搜索和判断,从而对切向刚度以及摩擦角计算参数进行动态调节;并且依据现场试验成果,利用神经网络对Ks和Φ进行回归反演。并且基于该接触模型计算分析了白鹤滩水电站地下洞室群的围岩稳定性,并且利用动态安全系数对错动带的稳定性进行量化评价。

关键词：岩土力学围岩稳定性非线性弹性错动带硬化

白鹤滩水电站地下厂房错动带围岩稳定性控制方法研究

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隧道建设（中英文） 2022年第1期42卷 48-56页

作者：朱永生褚卫江万祥兵欧阳秋平何炜王鹏飞中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司浙江杭州311122 浙江中科依泰斯卡岩石工程研发有限公司浙江杭州311122 中国三峡建设管理有限公司北京610042

软弱错动带C2、C4分别加剧了白鹤滩两岸主厂房围岩的变形破坏风险和程度,为研究错动带影响机制和特点,制定针对性控制措施,依据现场破坏现象、监测数据,结合理论分析和数值反馈方法考察左厂边墙揭露C2、右厂顶拱揭露C4 2种条件下的围岩... 详细信息

软弱错动带C2、C4分别加剧了白鹤滩两岸主厂房围岩的变形破坏风险和程度,为研究错动带影响机制和特点,制定针对性控制措施,依据现场破坏现象、监测数据,结合理论分析和数值反馈方法考察左厂边墙揭露C2、右厂顶拱揭露C4 2种条件下的围岩开挖力学响应特点和破坏机制,提出错动带不利影响控制措施,并评价工程措施的有效性及其相应条件下的厂房稳定条件。研究结果表明:1)由主洞+支洞联合抗剪、交叉锁口构成的组合措施,可有效控制沿C2发生的剪切变形对左岸主厂房边墙松弛变形的加剧效应;2)错动带C4在构造运动中形成局部地层应力异常并与开挖二次应力叠加作用,导致右岸主厂房顶拱层高应力破坏风险增加;3)强化表面支护+深部加固组合措施可对C4影响部位的浅层和深部围岩综合起到"维持"和"加固"作用。系统支护和错动带组合控制措施可有效保证主厂房整体稳定性。

关键词：白鹤滩水电站地下厂房错动带围岩稳定性支护设计