爆破開挖擾動下柱狀節(jié)理玄武巖的損傷機(jī)制

本項目以西南高山峽谷地區(qū)大型水電工程建設(shè)為背景，針對壩基、邊坡及洞室柱狀節(jié)理玄武巖巖體爆破開挖，研究了柱狀節(jié)理玄武巖中爆破開挖擾動荷載特性，分析了開挖擾動荷載作用下柱狀節(jié)理玄武巖的損傷開裂機(jī)制，揭示了開挖擾動荷載在巖體中的傳播規(guī)律以及柱狀節(jié)理玄武巖巖體應(yīng)力場瞬態(tài)調(diào)整的過程，建立了爆炸荷載與開挖荷載瞬態(tài)卸荷耦合作用下柱狀節(jié)理玄武巖的開裂分析模型，提出了爆破開挖擾動下柱狀節(jié)理玄武巖的損傷判據(jù)以及開挖損傷區(qū)巖體參數(shù)的預(yù)測方法。研究成果可為爆破開挖擾動下柱狀節(jié)理玄武巖的變形分析和穩(wěn)定控制提供理論依據(jù)和分析模型，在我國大型水利水電工程建設(shè)、交通工程建設(shè)等領(lǐng)域具有廣闊的工程應(yīng)用前景。結(jié)合項目研究，發(fā)表論文14篇，其中SCI收錄5篇，EI收錄3篇，授權(quán)發(fā)明專利2項，培養(yǎng)碩士研究生7人。 2100433B

本項目以大型水利水電工程爆破開挖對柱狀節(jié)理玄武巖的擾動為研究主線，采用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗與工程地質(zhì)調(diào)研相結(jié)合的研究方法，研究爆破開挖擾動下柱狀節(jié)理玄武巖的損傷機(jī)制。通過分析柱狀節(jié)理玄武巖中爆破開挖擾動荷載特性，揭示開挖擾動的幅值、頻率在巖體中隨時間及空間變化的傳播規(guī)律；研究柱狀節(jié)理玄武巖巖體應(yīng)力場瞬態(tài)調(diào)整的時空演化過程，闡明開挖荷載瞬態(tài)卸荷對柱狀節(jié)理玄武巖應(yīng)力場時空分布的擾動機(jī)制；研究開挖擾動荷載作用下柱狀節(jié)理玄武巖的損傷機(jī)制，建立爆破荷載與開挖荷載瞬態(tài)卸荷耦合作用下柱狀節(jié)理玄武巖的動態(tài)損傷模型，提出爆破開挖擾動下柱狀節(jié)理玄武巖的損傷判據(jù)。研究成果可為爆破開挖擾動下柱狀節(jié)理玄武巖的變形分析和穩(wěn)定控制提供理論依據(jù)和分析模型，在我國大型水利水電工程建設(shè)、交通工程建設(shè)等領(lǐng)域具有廣闊的工程應(yīng)用前景。

巨人之堤玄武巖柱狀節(jié)理景觀是巨人之堤是玄武巖柱狀節(jié)理形成的一種景觀位于愛爾蘭安特里姆群西北海岸大約在5000萬年前火山噴發(fā)溢出熾熱的玄武巖流，逐漸冷卻收縮呈六邊形或五邊形的裂縫。

從而形成規(guī)則六邊形或五邊形石柱.即柱狀節(jié)理-沿著海岸線的玄武巖石柱，猶如一道通向大海的天然階梯。石柱寬度約為0.45m左右，高出海平面6?12m，約有千根石柱，也有部分隱設(shè)在水下。巨人之堤列為世界自然遺產(chǎn)中國也有許多玄武巖石柱景觀，如南京六合，福建漳州牛頭山、大嶂山，云南騰沖等地。

玄武巖柱狀節(jié)理形成機(jī)制的主導(dǎo)學(xué)說是“冷卻收縮說”。該學(xué)說認(rèn)為，玄武巖流中柱狀節(jié)理的理想生成方式是巖流冷卻過程中，平坦的熔巖冷凝面形成無數(shù)規(guī)則而又間隔排列的均勻收縮中心，產(chǎn)生垂直于收縮方向的張力裂隙，體積收縮引起巖石物質(zhì)向固定的內(nèi)部中心聚集，致使巖石裂開，形成多面柱體。在理想情況下，如果巖石是均質(zhì)的，則收縮中心的距離相等，最終在平面上呈現(xiàn)六邊形圖案，隨著巖漿不斷冷卻凝固，張力裂隙就在垂直于冷凝面的方向上形成規(guī)則的六棱柱體。實際上，玄武巖柱體形成時受到種種環(huán)境條件的影響，特別是巖體內(nèi)的非均質(zhì)結(jié)構(gòu)，因而在柱列斷面上，就形成六邊形、四邊形以及七邊形等多種組合情況。

川滇兩省是我國水電開發(fā)的主要地區(qū)，由于該地區(qū)地質(zhì)成因復(fù)雜，地表侵蝕卸荷嚴(yán)重，柱狀節(jié)理玄武巖廣泛分布，目前準(zhǔn)備興建的白鶴灘水電站就位于該地區(qū)。柱狀節(jié)理玄武巖具有明顯的非連續(xù)、易斷裂與各向異性力學(xué)特征，屬于典型的非貫通節(jié)理巖體。本項目以柱狀節(jié)理玄武巖為研究對象，利用水、石膏與河砂的混合物作為柱狀節(jié)理玄武巖的相似材料，借助石膏凝固的時效特性，模擬柱狀節(jié)理的生成過程，并且根據(jù)現(xiàn)場柱狀節(jié)理的幾何特性，制成截面為四邊形與六邊形的相似模型。通過單軸壓縮試驗不僅獲得了柱狀節(jié)理玄武巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與基本的力學(xué)特性，同時解釋柱狀節(jié)理玄武巖各向異性的形成機(jī)制，確定了原生節(jié)理傾角對柱狀節(jié)理玄武巖強(qiáng)度與變形影響。而后，通過大量的原位變形觀測與鉆孔攝像檢測，獲得柱狀節(jié)理卸荷過程中的力學(xué)特性、洞室邊墻與頂拱的破壞模式。根據(jù)室內(nèi)試驗與現(xiàn)場觀測結(jié)果，確定了柱狀節(jié)理玄武巖加載與卸荷過程中巖體的力學(xué)行為與破壞模式，建立了CRDM本構(gòu)模型，并在3DEC平臺上開發(fā)了本構(gòu)模型。利用建立的本構(gòu)模型對白鶴灘柱狀節(jié)理試驗洞開挖過程進(jìn)行了模擬，通過現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬的比較可以發(fā)現(xiàn)，D-CRDM模擬方法可以很好的模擬柱狀節(jié)理玄武巖的力學(xué)特性，并且能夠解釋現(xiàn)場巖體的失穩(wěn)機(jī)理。根據(jù)柱狀節(jié)理玄武巖在不同應(yīng)力環(huán)境的力學(xué)特性與破壞模式，建議白鶴灘水電站洞室群的支護(hù)應(yīng)以鋼筋混凝土襯砌支護(hù)為主，錨桿支護(hù)為輔，這與傳統(tǒng)的支護(hù)方式有一定的差別，并通過現(xiàn)場工程支護(hù)的實際情況證明了該支護(hù)方法的正確性。目前，白鶴灘工程還在施工過程中，不斷揭露的柱狀節(jié)理臨空面越來越多、面積越來越大，柱狀節(jié)理玄武巖的卸荷力學(xué)特性也在不斷有新的進(jìn)展與發(fā)現(xiàn)，力求在該基金的資助下繼續(xù)做一些探索性的研究，獲得更多有助于工程應(yīng)用的科研成果。 在基金資助的三年內(nèi)，撰寫著作1本，發(fā)表十余篇論文，其中SCI檢索3篇，EI檢索2篇，培養(yǎng)研究生3名。 2100433B