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丹巴石英云母片岩隧洞围岩卸荷变形破坏机制研究

【摘要】:石英云母片岩是一种具有典型波状片理结构的变质岩,岩石强度低,属于软质岩。其矿物成分主要为石英、黑云母、白云母、斜长石、角闪石等,造成了岩石本身内部微观角度来讲为多晶体结构。岩体片理面发育,石英、云母等矿物在岩石变质过程中定向压应力的作用下发生变形或者重结晶,从而按一定规律进行定向排列,各向异性明显,对围岩的变形破坏影响显著。本文以丹巴水电站厂房平洞CPD1石英云母片岩为研究对象,通过室内外宏观力学变形试验及微观断面电镜扫描试验为研究方法,结合现场围岩变形破坏特征,对围岩的变形破坏机制进行分析,主要取得了以下成果: (1)研究区以剥蚀中山峡谷地貌为主,高温区域变质作用及强烈的造山事件使其地质构造变得极其复杂,地下水发育微弱,以基岩裂隙水为主,平洞内最大主应力方向近水平,属中等偏高应力量级。平洞石英云母片岩段围岩整体稳定性较好,收敛变形量小,主洞围岩变形破坏程度低,高地应力区顺片理面开挖的支洞围岩变形破坏现象明显。 (2)通过岩石磨片鉴定试验揭示:平洞围岩矿物以片状、粒状及柱状矿物为主,其中片状矿物为白云母和黑云母;粒状、柱状矿物主要为石英、斜长石、角闪石等;变质矿物以铁铝榴石、蓝晶石、十字石等为主。此外,还含有少量磷灰石、电气石、锆石等矿物。矿物的含量及组成随洞深的增加呈一定规律性变化。 (3)通过一系列的室内外岩体、岩石试验对石英云母片岩的力学变形特性进行了研究。点荷载试验结果表明:岩石强度基本都在30MPa以内,且随洞深增加呈增高趋势,垂直于片理面加载,岩石以压致拉裂破坏为主。室内直剪试验和现场岩体原位直剪试验结果表明:断面均沿预剪面发生剪切破坏,垂直于片理面方向剪切时,岩体的抗剪断强度为f′=1.03,c′=2.10MPa,抗剪(摩擦)强度为f=0.69,c=0.18MPa;顺片理面剪切时,岩体的抗剪断强度为f′=0.61,c′=0.84MPa抗剪(摩擦)强度为f=0.56,c=0.10MPa。单轴压缩试验结果表明,岩石的力学参数及变形破坏模式均受控于片理面方向,表现出了明显的各向异性特征:岩石的单轴抗压强度及弹性模量均随加载方向与片理面夹角β呈―U‖型变化(即垂直或平行加载时最大,斜交时变小,β=30°时最小),顺片理面加载时,以顺层拉裂破坏为主,30°左右相交时,以顺层剪切滑移破坏为主,60°角度左右相交时,以穿层剪切破坏为主,垂直片理面加载时,以穿层拉裂破坏为主。三轴卸荷试验结果表明:随着围压的增大,石英云母片岩各向异性逐渐减弱,当预设围压设定在一定范围内,卸荷过程中的岩石破坏模式不再受控于片理面与主应力加载方向的夹角β,而是统一发生了不同角度断裂面的剪切破坏,断面轨迹为单一平直破坏面。 (4)通过电镜扫描(SEM)试验表明了石英云母片岩的矿物晶体是按一定的规律进行定向排列,各向异性明显,且岩石内部存在着一定的微解理和微缺陷,岩石的宏观破坏是其内部裂纹扩展贯通的结果。不同受力状态下石英云母片岩试样断口宏观、微观花样形态也有着一定的区别,微观形貌典型花样主要包括:河流状花样、晶界—晶间断裂花样、平行滑移花样、台阶状花样、平坦面花样、鱼骨状花样、片状花样共计七种断裂花样。 (5)根据现场地质调查结果得知,平洞围岩整体稳定性较好,收敛变形量较小,主洞及平洞围岩主要破坏类型归结起来可划分为三类:剪切滑移型、弯折内鼓型、劈裂倾倒型,其破坏影响因素主要包括:片理面与洞轴线夹角、地质构造、地应力特征。洞室开挖之后,应力重分布,当存在节理裂隙或断层带时,结构面抗剪强度较低导致岩体易沿结构面发生剪切滑移破坏;高地应力区片理面走向与洞轴线小角度相交时,两侧边墙部位由于岩体的抗弯折强度较低,易发生弯折内鼓破坏;高地应力区片理面与洞轴线大角度相交时,拱肩、拱顶及边墙部位均易发生劈裂倾倒或剥落破坏。

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