柱狀節(jié)理各向異性巖石力學特性及模型研究

各向異性是巖體基本屬性。對于柱狀節(jié)理巖體這種具有特定結構面，各向異性顯著的巖體，按各向同性理論考慮對認識其應力變形及破壞規(guī)律有較大的局限性，甚至與實際相差較大。本研究針對中國西南廣泛發(fā)育的柱狀節(jié)理巖體，綜合研究其工程地質巖組和巖體結構特征、現(xiàn)場巖體原位實驗及室內力學實驗成果，應用數(shù)值模擬方法研究其宏觀巖體的各向異性力學特性，推導并建立各向異性巖體彈塑性本構關系。開展發(fā)育柱狀節(jié)理巖體工程的各向異性巖體力學數(shù)值分析，通過與各向同性模型力學分析比較，理解柱狀節(jié)理巖體各向異性力學特性對工程穩(wěn)定性的影響，為發(fā)育柱狀節(jié)理的巖體工程各向異性巖石力學分析提供理論基礎。依托在建的白鶴灘水利水電工程，針對壩址區(qū)廣泛發(fā)育的柱狀節(jié)理巖體，對涉及到其各向異性巖石力學特性及模型等關鍵技術問題開展了研究工作，結合原位測試資料及理論研究成果，深入探討和分析了柱狀節(jié)理巖體各向異性力學特性及各向異性力學模型，并將研究成果應用于涉及柱狀節(jié)理各向異性巖石力學特性的大型水電工程實踐。 2100433B

摘要：各向異性是巖體具有的一種基本屬性，發(fā)育柱狀節(jié)理這種特定結構面的巖體，其各向異性性質更加顯著，各向同性力學理論對認識其應力變形及破壞模式有較大的局限性。本研究針對中國西南廣泛發(fā)育的柱狀節(jié)理巖體，綜合研究其工程地質巖組和巖體結構特征、現(xiàn)場巖體原位實驗及室內力學實驗成果，應用數(shù)值模擬方法研究其宏觀巖體的各向異性力學特性，推導并建立各向異性巖體彈塑性本構關系，以FLAC3D為開發(fā)平臺研制三維各向異性彈塑性數(shù)值程序。開展發(fā)育柱狀節(jié)理巖體工程的各向異性巖體力學數(shù)值分析，通過與各向同性模型力學分析比較，論證不同分析方法的差異，深入理解柱狀節(jié)理巖體各向異性力學特性對工程穩(wěn)定性的影響，為發(fā)育柱狀節(jié)理的巖體工程各向異性巖石力學分析提供理論基礎。

柱狀節(jié)理云南省騰沖縣神柱

在云南省騰沖縣的龍川江畔，矗立著一大片火山爆發(fā)時噴出的未露于地表的巖漿冷凝后形成的柱狀結晶，地質學上稱為“柱狀節(jié)理”，當?shù)厝藙t形象地叫它“ 神柱”。

柱狀節(jié)理山東柱狀節(jié)理

在山東昌樂團子山火山口也有此現(xiàn)象發(fā)育，不過規(guī)模不是很大，但對于地質研究還是非常有價值的。

柱狀節(jié)理騰沖的“神柱

地質專家經過調查認為，騰沖的“神柱”是我國迄今為止發(fā)現(xiàn)的一片規(guī)模最大、保存完整、年代最短的柱狀節(jié)理。

柱狀節(jié)理福建省柱狀節(jié)理

福建省漳州市漳浦縣的南碇島上的柱狀節(jié)理，其規(guī)模也非常宏大，且比之騰沖的柱狀節(jié)理更具觀賞性。

玄武巖柱狀節(jié)理形成機制的主導學說是“冷卻收縮說”。該學說認為，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，產生垂直于收縮方向的張力裂隙，體積收縮引起巖石物質向固定的內部中心聚集，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，特別是巖體內的非均質結構，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。

巖體中眾多節(jié)理、斷層等結構面的存在導致的節(jié)理巖體各向異性給隧道支護設計和穩(wěn)定分析造成了極大困難，如何確定圍巖壓力以及圍巖的抗力系數(shù)等成為此類隧道支護設計的關鍵。本項目針對節(jié)理巖體各向異性特性以及隧道支護計算方法，以優(yōu)勢節(jié)理巖體模型為基礎對數(shù)值流形法進行改進，將優(yōu)勢節(jié)理作為不連續(xù)面，含有密集分布節(jié)理、裂隙的巖體等效為符合H-B準則的彈塑性連續(xù)介質，建立可模擬隧道施工過程的節(jié)理巖體彈塑性數(shù)值流形方法。通過物理模擬和數(shù)值模擬，分析層狀結構巖體和塊狀結構巖體以及隨機分布節(jié)理巖體在不同尺度條件下的基本變形規(guī)律和破壞機理，揭示不同地應力條件下節(jié)理巖體各向異性對隧道變形和穩(wěn)定性的影響規(guī)律，得出圍巖松動壓力和圍巖抗力系數(shù)與節(jié)理分布參數(shù)之間的統(tǒng)計關系及其預測方法。通過優(yōu)化分析提出隧道的合理支護參數(shù)，指導此類隧道的設計。