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白鹤滩水电站层间错动带剪切特性研究

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第1章 引 言

1.1 选题依据与研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 错动带工程地质特性研究现状

1.2.2 层间错动带力学特性研究

1.2.3 含层间错动带岩体抗滑稳定性分析

1.2.4 含层间错动带岩体破坏模式

1.2.5 层间错动带强度预测

1.3 问题的提出

1.4 本文总体思路与研究内容

第2章 白鹤滩层间错动带工程地质特性研究

2.1 C2、C4层间错动带空间分布特征

2.2 层间错动带现场取样

2.3 白鹤滩层间错动带的形成模式与基本结构特征

2.3.1 形成模式

2.3.2 结构特征

2.4 层间错动带成分分析及微观结构特征

2.4.1 矿物成分分析

2.4.2 微观结构特征分析

2.5 层间错动带水理性质

2.5.1 膨胀性

2.5.2 崩解性

2.6 本章小结

第3章 白鹤滩层间错动带原状试样剪切力学参数

3.1 含层间错动带岩体现场剪切试验

3.1.1 现场试验设置

3.1.2 试验结果

3.2 层间错动带原状试样室内直剪试验研究

3.2.1 室内直剪试验

3.2.2 试验结果分析

3.3 本章小结

第4章 白鹤滩层间错动带剪切特性影响因素分析

4.1 正交试验方案设计与试样制备

4.1.1 正交试验方案设计

4.1.2 重塑试样制备

4.1.3 剪切试验设备

4.2 层间错动带剪切强度影响因素敏感性分析

4.2.1 剪切位移曲线分析

4.2.2 剪切强度敏感性分析

4.3 本章小结

第5章 层间错动带直剪试验的颗粒流数值模拟

5.1 PFC2D离散单元理论及方法介绍

5.2 PFC2D直剪试验模型建立

5.2.1 试验模型设计

5.2.2 直剪试验伺服机制

5.2.3 直剪试验模型中的细观参数标定

5.3 基于PFC2D的层间错动带直剪试验细观力学特性分析

5.3.1 直剪试验过程中模型内部细观特征分析

5.3.2 层间错动带复合试样剪切特性的厚度效应

5.3.3 粗粒含量对层间错动带复合试样剪切特性的影响

5.3.4 层间错动带复合试样剪切特性的尺寸效应

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

附录

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摘要

在建的金沙江白鹤滩水电站工程区内分布着一组延展性强、分布范围广、低角度缓倾斜的层间错动带,其中C2、C4错动带大规模斜切主要地下厂房洞室群,结构松散,剪切强度低,整体工程性质差,是控制洞室群岩体整体和局部稳定性的主要结构面,严重威胁工程建设期和运行期安全。本文主要借助现场踏勘、室内物理力学试验和数值模拟等手段,深入系统地研究了错动带的宏微观工程地质特性以及不同影响因素下错动带的力学响应规律。概括来说,本文的主要研究工作与结论如下: (1)针对白鹤滩水电站工程区C2、C4错动带的工程地质特性从宏微观角度展开研究。地质勘查及试验结果表明:①针对错动带自身的结构特征和复杂的赋存条件,为制取受扰动小的原状试样,应采用先开槽然后人工刻切土块的取样方法;②玄武岩-凝灰岩这种软弱相间的地质构造,为错动带的形成提供了物质基础,根据错动带的成因与结构特征将其内部结构划分为:节理带、劈理带和泥化带;③矿物成分分析表明,错动带中含有大量的黏土矿物,不同带区的黏土矿物含量差异明显,这与不同带区岩土体经历地质改造的强弱程度密切相关;④微观电镜扫描发现,同一带区,通过平行于错动带延展方向的断口观察到的结果与垂直方向观察到的结果差别大;而且不同带区的微观结构差异也很明显,上述结构特征从微观角度揭示了错动带的某些物理、水理以及力学特性。 (2)错动带原状试样的直剪试验结果表明:①错动带剪切位移试验曲线主要表现出理想弹塑性特征,但是受夹层厚度、夹层内大颗粒含量、含水率及试样尺寸的影响,不同位置处错动带的剪切强度具有较大离散性;②错动带的剪切强度及内摩擦角具有明显的尺寸效应。 (3)通过设计正交试验来分析夹层厚度、法向力、大颗粒含量和接触面起伏差等因素对错动带剪切强度的影响规律发现:①随错动带中夹层土厚度增加,剪切强度有减小趋势;②无论是采用统计方法还是从剪切位移曲线方面来考虑,大颗粒含量和接触面粗糙度对剪切强度的影响规律都不明显;③随夹层土厚度增加,土-岩接触面粗糙度的摩擦阻碍效应弱化,当现场错动带中泥化夹层厚度大于上下接触面起伏差时,错动带剪切强度近似于泥化夹层的剪切强度,当错动带中泥化夹层的厚度小于接触面起伏差时,需要综合考虑泥化夹层本身以及泥化夹层与接触面整体的力学效应。 (4)基于室内试验结果,利用离散元软件PFC2D构建了直剪试验模型,研究了剪切过程中,错动带内部的细观力学特征,并对比室内正交试验结果进一步分析了复合试样剪切特性的夹层厚度效应、大颗粒含量和结构面粗糙度对剪切特性的影响以及剪切特性的尺度效应。数值模拟结果发现:①剪切过程中,剪切盒内颗粒的孔隙率、配位数以及裂隙数量的变化规律与剪切位移曲线的变化规律大体一致;②当夹层厚度小于7mm时,随夹层厚度增加,峰值剪切强度有减小的趋势;当夹层厚度大于7mm时,随夹层厚度增加,剪峰值切强度趋于稳定;③在试验选定的大颗粒含量范围内,大颗粒含量对错动带峰值剪切强度的影响规律不明显。

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