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岩土力学与工程

在东部剪切带的地质力学特性，AAR的地块，瑞士和隧道工程的启示通过S.的规定，E.埃贝哈特，S.罗威，和博士海因里希，瑞士2工程地质，瑞士联邦理工学院（ETHZ），瑞士3土木工程系，瑞士联邦理工学院（EPFL）瑞士的洛桑，2001年12月17日，2003年1月9日线上发表于2003年4月29日第施普林格出版社2003。

摘要

含有高裂隙密度或软的岩石区，低凝聚力的材料可以是高隧道开挖过程中遇到的问题。例如，在东部的AAR地块的中心瑞士的圣哥达公路隧道的建设过程中，经验表明严重骨折范围内剪切带的形式，负责为烟囱多米的高度。要理解和估计的影响上的剪切带岩体的行为，有关岩体的强度和变形特性的知识是根本。花岗岩的样品进行了一系列的室内三轴试验，剪切带片麻岩主办透露，随着构造套印程度越来越高，样品强度降低，岩石的行为显示了从脆性到韧性变形的过渡。这些趋势的原因可能是增加了骨折的密度，增加叶理强度，细粒度，低的凝聚力断裂填充物的厚度增加，增加云母含量与构造套印的程度越来越高。由于裂缝密度增加和对岩体强度的离散性，持续性的不连续性下降影响行为，测试样品变得越来越代表的岩体行为，即：一个人口密集破碎的统一体。如果在数值模拟计算的目的，可能是剪切带细分裂隙密度增加，相对于面理强度和云母内容转换成强面理化的区，断裂区和无粘性的区域，这反过来又表现出脆性，脆—韧性和韧性岩体本构行为。

关键词：剪切带，强度和变形特性，实验室三轴试验，岩石质量特性，隧道条件。

图8 例如在三轴试验测试中多级加载路径（样品GR4)

岩石峰值强度通过剪切面的变形发生永久性改变。因此，任何后续装载条件只能适用于一个残余剪切强度状态，围压增加并保持不变，连续两次从5到10MPa，再从10到15 或20MPa直到这些残余力量达成加载间隔(图8)。

轴向应变(轴向)的测定使用线性位移传感器和体积应变(v)，通过建立围压流体三轴小区，从这些参数、径向应变(径向)假设轴向对称的圆柱体积：

v轴向2径向/径向0.（ （1） 5v轴向）这个假设被认为是所有限制给定的在大部分的测试试样中观察到的非均匀变形的性质。 从轴向应力—应变曲线近似计算的杨氏模量（E）曲线作为：(1)一个切线模量(ET)，即斜率的轴向应力—应变曲线在50%的峰值强度，(2)一个割线模量(ES)，作为一个直线的斜率加入起源的轴向应力-应变曲线的点在50%的峰值强度。泊松比测定值除以ET通过1径向的曲线斜率在50%的峰值强度，弹性常数的计算被限制在各向同性的抽样核心假设。优选地，有一个横观各向同性模型更合适考虑层状理化性质的自然剪切带岩石。

通过测试过程和加载路径的应用，线性库仑残余强度包络线可以通过每个测试样品获得。这个包络线计算采用线性回归拟合程序（沙和和霍克，1991），以建立剩余的凝聚力（cr）和剩余的内部摩擦角（r）。在实践中，假设使用固有的库仑强度的线性包络线（例如开发一种离散、连续剪切面）可以是过于简单的峰值强度条件时，适用于大多数岩石类型 。然而，布雷迪和布朗（1993）建议的标准是提供一个比较好的有代表性的剩余强度条件，随着剪切面强度值趋于增加的粗糙度或具有多个剪切面的发展，这是实践给予不同程度的重要性，与高度相关的样品测试压裂所代表的不同剪切带岩石类型。

图9为测试样本应力-应变曲线：a）花岗岩托管剪切带：b）片麻岩托管剪切带

表2中。测试结果总结：ET表示切线的杨氏模量，ES表示割线杨氏模量，v表示泊松比，峰值表示峰值强度，围岩表示围岩压力，表示破坏面角度与尊重核心轴，Cr剩余的凝聚力，r表示残余摩擦角

应力屈服点

4实验结果为花岗岩托管剪切带样品

轴向应力—应变曲线的花岗岩托管剪切带样品列于图9a上。从分析中的结果总结于表2，从轴向应力—应变曲线清楚地表明，弹性刚度的降低增加构造套印的度数（即云母含量增加，叶理和破碎强度或“构造损坏”），作为抽样间隔从强面理化区域（GR1）移动到黏性区（GR5）。在这些曲线中的非线性度可以归因于加载和塑料的初始阶段关闭预先存在的骨折达到产生前的峰值应力，程度随构造破坏的增加而增加，因此，看到的杨氏模量的计算值减少在每个剪切带分区 (图10)。 施耐德（1992）报告的价值完整的Aar花岗岩的杨氏模量是45GPa。与此相比，一个值在这项研究中获得17GPa强叶分区直接相邻的 。

相比之下，这一观察趋势与泊松比并不一致(图10)。得到的无黏性区泊松比上限最接近值约为0.5，表明材料没有改变其体积。一个相对较高的泊松比也将是指示塑性变形导致整体应变的一个重要程度，把问题的适用性的弹性常数（即E和）在描述的刚度或变形高度破裂或粘性区的材料。

从峰值强度，价值被大大减少与增加构造套印或损害(图9a、10；表2)。减少38%峰值强度出现强烈叶片状区，由施耐德(1992)给出的值相比是完整的，

图10 切线的杨氏模量的变化（ET），泊松比（v），峰值强度（峰值），峰值强度（峰值），残余内摩擦角（r）和剩余凝聚力（Cr），相对于组合物的结构花岗岩和片麻岩托管的剪切带。

同质为176GPa的花岗岩围岩，此外，锐利度和峰后的承载能力下降程度，随着构造损坏峰值强度残余强度下降（图 9a）。例如，样品GR1，代表叠印/损坏的材料，经历了一个尖锐的峰值强度下降86％至其剩余值。后峰值下降82％，74％，和13％，分别观察样品GR2，GR3 和GR4，样品GR5，较为严重的骨折/粘性区，经历了应变硬化，从高峰值下降到清晰度残余强度显然意味着一个过渡脆性行为（样品GR1和GR2）随着岩石行为（样品GR5）构造韧性的完全套印或损坏。

通过这种过渡从脆性到韧性岩石行为表现的整体应变，同样可以做出塑性变形程度的增加与在每一个不同的样品中观察到的故障模式（图11）。样品GR1和GR2发展的失败，在一个典型的单一脆性方式中，破坏面与30角度对准1（图11，表2）。仔细观察发现，通过破坏面的样品GR1合并应激性微裂缝，其中一些优先发展沿面理面。样品GR2失败，通过一个预先存在的传播填充，宏观的断裂面向试样轴线倾斜。薄截面的破坏面的发展也参与沿面理面传播的微裂缝失败样品的展示。

随着构造套印或伤害，虽然形成层次分明，脆性破坏面变得不那么突出。但对于样品GR3，应力—应变曲线表现出明显的过渡从脆弱到塑性岩石的行为，通过桶形和剪切沿着几个平面发生失败。这种“剪切带”封闭面积的粉碎和完整的岩石材料（图11），北临剪切面面向40到1。通过滚磨和剪切失效发生几种破坏。这种“剪切带“封闭面积碎和完整岩石材料（图11），有界面向切变破坏在40到1。薄片分析表明,这些多重剪切面的聚结预先存在了，提供了便利高预检测裂缝密度（图13）。样品和GR5和GR4，代表那些最高的样品检测前断裂密度，通过失败零散到厘米至毫米大小的块。因此，失败主要是球墨形式出现大变形和滚磨的整个样品体积变形，存在的容纳不是众多已有的(GR4)或几乎无黏性加密以及从宏观上的骨折(GR5)。

这种转变在岩石行为中，主要从脆弱到球墨失败有一个明显的针对摩尔—库仑残余强度参数计算。剩余凝聚力值的增加而增加影响系统构造套印或损害（图16 a，10；表2）。但同样，残余内摩擦角的值始终也增加了。因此，观测表明，增加负荷能力在高峰后变形存在相对完好的母岩与增加程度的构造套印（尽管完整的主岩失败之前明显能够维持较高加载）。因此，控制过程和能量释放率机制参与形成离散脆性破坏面（即通过断裂传播和聚结）采取行动消除或破坏几乎所有的内在凝聚力元素沿着厚度发展的剪切面。摩擦阻力的力量提供沿离散剪切面。相比之下，发展一个更厚的“失败区”涉及到

一系列剪切面包括碎石和完整岩石材料，将采取一些行动来维护在高峰变形后的凝聚力。观察进一步证明发展幅度增加剪切带产生的残余凝聚力，如同摩擦阻力提供了更复杂的表面微凸体混合与较小的完整岩石碎片。

图11 脆性到韧性花岗岩托管剪切带样品的失效模式的转型（样品直径90mm；高度180mm）

5 实验结果片麻岩托管剪切带样品的实验结果

进行测试的结果在片麻岩托管剪切带样本中，显示一个比来自花岗岩托管剪切带更少的规律(图9 b，10表2)。这种差异是指示性的更为复杂和异构性质的片麻岩托管剪切带(图5)。不过,类似的趋势也发生在条款的失效模式逐渐发生变化,从脆弱到韧性随着构造套印或损害。再以类似的方式,这一转变导致了减少在杨氏模量、峰值强度、锐度和强度的高峰后强度下降。峰值强度和杨氏模量值被降低了70%和80%，分别从完整岩石的过渡到强烈叶片状区值相比，由施耐德(1992)为完整的黑云母片麻岩代表未损坏的母岩(UCS¼¼167 MPa，E 38 GPa)。泊松比价值广泛变化和再次带入问题的适用性在岩石材料的弹性常数呈现出的高度塑性应变。随着构造损伤从高峰到残余强度测定为16%、4%、25%和11%，分别为GN2， GN1，GN3b和GN4样本。样品GN5a-c显示应变硬化。 描述的从脆弱到韧性岩石过渡行为，出现的失效模式为片麻岩托管剪切带样品，记录在图12。与它对应的花岗质、样品GN1代表最有说明的片麻岩托管剪切带岩石,没有在一个单一的、离散的剪切面失败。相反，失败发生在沿剪切带几个骨折的角度定位在

60到1（图12；表2）。薄片观察表明，破坏面形成的沿面理所涉及的聚结的预先存

在的微裂缝。样品GN3b和GN4也没有类似的故障区域，这反过来又增加了厚度构造套印程度日益提高。对于GN3b，通过已经存在的凝聚发生故障，样品轴倾斜取向的宏观可见的骨折。 形成样品GN4中涉及的故障区传播和凝聚骨折的沿着预先存在的发起，填充的试样轴和面理平面倾斜取向的宏观裂隙(图14、15)。失败样品GN4的还参与程度高的塑性变形导致桶形测试样本(图12)。

图12 从脆性到韧性的故障模式片麻岩托管剪切带的样品的转型（试样直径90mm；高度180mm）

图13a，b 超薄切片取自GR3测试失败后。照片显示，开放性骨折相交的石英资源丰富的地区（qz）和细粒度的叶状结构域，在叶理域之内，一般的传播方向是偶尔步骤偏离子平行面理子平行轴向载荷（斜面理）。超薄切片显示垂直的切割面理和拉伸线理平行（交叉偏光）。

图14a，b 超薄切片取自测试GN4后 - 特别是不合格的样本桶装地区。照片显示，穿晶断裂相交的石英资源丰富的地区（qz）和细粒度的叶状结构域。骨折一般传播的方向平行轴向载荷（斜面理），但对齐平行面理互连步骤。超薄切片显示垂直的切割面理和拉伸线理平行（交叉偏光）。