节理玄武岩体变形模量的尺寸效应和各向异性

目前系统研究柱状节理玄武岩工程力学特性的成果仅见于美国汉佛德玄武岩核废料埋藏工程和中国西南白鹤滩水电工程。列举了国内外相似工程柱状节理玄武岩的原位试验成果,分析了我国不规则柱状节理玄武岩体的柱体偏转特性和多级结构面发育特征,采用可变形离散元法建立了柱状节理玄武岩体的三维离散元数值模型,通过数值模拟不同尺寸的承压板试验,探讨了尺寸效应和各向异性对试验成果的影响。数值分析表明:承压板的尺寸效应是产生柱状节理岩体水平和铅直原位试验各向异性的主要原因,随着承压板直径的增大,各向异性效应减小,当承压板直径大于6m后,柱状节理玄武岩体可视为各向同性体,研究成果对利用和改造柱状节理岩体具有较好的工程意义。     

柱状节理开挖模拟洞数值原位试验

在西南水电大开发中,柱状节理岩体的工程力学性质逐渐受到水利工程的重视。白鹤滩水电站坝基揭露的柱状节理玄武岩体,RQD值普遍较低,完整性较差,其变形模量等力学指标相对较低,表现出显著的各向异性特征,对拱坝变形、坝肩稳定、边坡稳定、地下洞室群围岩稳定有重要影响,已成为该水电工程的关键技术问题之一。针对国内外对柱状节理岩体的研究及相关工程的经验甚少,白鹤滩水电站拟开展的大尺度柱状节理玄武岩试验洞,目的是获得反映柱状节理玄武岩力学特性的第一手观测资料。介绍了白鹤滩柱状节理的地质成因和工程特性及柱状节理试验洞的设计布置,探讨了原位试验和数值试验结合的分析方法,并采用各向异性本构模拟了试验洞开挖和原位试验,对不同位置试验点的代表性进行了评价。     

高边坡坝基柱状节理玄武岩开挖卸荷时效松弛特性

柱状节理玄武岩在开挖卸荷条件下容易松弛与开裂,是白鹤滩水电站坝基稳定的主要挑战。以白鹤滩水电站左岸坝基柱状节理玄武岩试验区为工程背景,采用单孔声波、钻孔摄像等原位测试技术,研究了分梯段开挖及时间效应条件下Ⅲ1类和Ⅲ2类柱状节理玄武岩松弛深度、松弛程度的时空演化规律,探讨了坝基柱状节理岩体松弛特征的原因。分析结果表明：柱状节理玄武岩的松弛深度主要由开挖引起,临近开挖面岩体的松弛程度随时间呈负指数增长,其时效期不超过半年。柱状节理岩体松弛特征与岩体质量关系密切,两类岩体的松弛深度、松弛程度的时效性及松弛程度随孔深的分布规律差异较大。坝基柱状节理岩体时效松弛是由内部节理张开导致的岩体强度参数的时效劣化引起。该研究对认识柱状节理岩体卸荷力学行为及优化坝基柱状节理岩体开挖保护方案具有重要意义。     

柱状节理玄武岩表观块度与变形模量差异原因分析

柱状节理玄武岩岩体块度小,但具有纵波波速高、模量高的特点,这一特性与通常认识的块度大则变形模量大的正相关常规规律截然相反,表观块度特征和力学属性在该类岩体出现了显著的差异。本文根据结构面测量、声波测试、现场变形试验等成果,分析了柱状节理玄武岩的块度特征和力学性质,并从结构体性质、结构面发育情况等方面,研究了产生表观完整性与力学性质不匹配的原因。     

基于节理网络有限元的柱状节理岩体等效变形模量结构效应研究

因其特殊的地质成因,柱状节理成为一种具有强烈非连续性及各向异性的特殊岩体结构。以白鹤滩水电工程设计、建设中所遇到的柱状节理玄武岩体为背景,针对柱状节理岩体的等效变形模量问题,在探讨了其结构效应表征参数的基础上,利用节理网络有限元为工具,研究各结构效应表征参数对柱状节理岩体等效变形模量的影响。研究结果表明：在柱轴线横向平面上,对于柱体不规则程度,当柱体完全不规则相对于完全规则情况,等效模量提高大约10%左右;在其他条件不变情况下,当柱体平均边长从0.1 m增加至0.5 m时,等效模量从5.36 GPa增加至23.4 GPa;对不同加载方向的研究结果表明,柱状节理在柱轴横向平面上可以视作各向同性;当节理刚度线性递增时,相应的岩体等效模量也基本符合线性递增的规律。在平行柱体轴线平面,节理组2间距越大,柱状节理岩体的等效变形模量越大;随着错距比的增加,柱状节理岩体的等效变形模量呈现先增加后减少的趋势,当错距比为50%时,节理岩体的等效变形模量取最大值;对于节理刚度的影响,与柱轴横向平面类似的,随柱体轴线平面上节理刚度的线性增加,相应的岩体模量也基本符合线性递增的规律。该研究成果与已有的现场研究成果及三维数值模型成果相比,吻合良好。说明了文中提供的研究结论具有较好的可信度及参考价值。     

柱状节理岩体隧洞松弛深度的变异特性与确定方法

柱状节理玄武岩是火山岩区所特有的地质现象,其地质成因独特,工程特性、开挖响应特征明显不同于一般常见岩体。针对节理岩体中不同钻孔属性条件下松弛深度测试结果存在变异性的问题,提出单孔声波测试与数字钻孔摄像综合的原位测试手段和松弛深度评价方法,获得了柱状节理条件下不同角度及不同孔径的岩体卸荷松弛特性。研究结果表明,在节理岩体中进行围岩的松弛深度测试时,不同孔径钻孔测试的松弛深度未有显著影响,但在不同钻孔角度条件下测试时,钻孔偏差角度、钻孔轴线与节理方位的夹角均对测试结果有较大影响,围岩松弛深度随节理方位与测孔轴线角度增大而增大。基于现场测试的结果与柱状节理的各向异性特征,进一步探讨了不同钻孔条件下松弛深度变异的机制。该研究结果对柱状节理围岩松弛测试评价、稳定性分析以及支护方案优化有显著价值。     

白鹤滩柱状节理岩体真三轴模型试验研究

在柱状节理玄武岩工程地质调查、现场精细结构描述等工作基础上,开展了柱状节理玄武岩体的脆性材料模型真三轴物理模拟试验。研究了复合柱状岩体在不同卸荷-加载应力途径下的破裂、破坏机制及不同方向三轴主应力作用下的应力-应变关系及其强度特性;开展的8种不同应力比和6种不同受力方向下各向异性试验结果表明,柱状节理玄武岩体强度、变形特征受三向不等围压和柱状节理特性影响明显,强度变形的各向异性特征显著。试验结果表明,应力比 对试样的强度、变形和破坏模式具有控制作用,随着应力比的变化,试样的极限强度呈现分段特性;较小应力比下试样的变形和破坏模式受应力比和原生节理的共同影响;较大的应力比对试样的变形和破坏模式的影响比原生节理的影响显著;随着应力比的增大,中主应力由约束侧向变形变为主动加载,这一作用的变化影响了极限荷载和破坏模式。     

柱状节理岩体隧洞松弛深度的变异特性与确定方法

柱状节理玄武岩是火山岩区所特有的地质现象,其地质成因独特,工程特性、开挖响应特征明显不同于一般常见岩体。针对节理岩体中不同钻孔属性条件下松弛深度测试结果存在变异性的问题,提出单孔声波测试与数字钻孔摄像综合的原位测试手段和松弛深度评价方法,获得了柱状节理条件下不同角度及不同孔径的岩体卸荷松弛特性。研究结果表明,在节理岩体中进行围岩的松弛深度测试时,不同孔径钻孔测试的松弛深度未有显著影响,但在不同钻孔角度条件下测试时,钻孔偏差角度、钻孔轴线与节理方位的夹角均对测试结果有较大影响,围岩松弛深度随节理方位与测孔轴线角度增大而增大。基于现场测试的结果与柱状节理的各向异性特征,进一步探讨了不同钻孔条件下松弛深度变异的机理。研究结果对柱状节理围岩松弛测试评价、稳定性分析以及支护方案优化有显著价值。     

柱状节理岩体隧洞松弛深度的变异特性与确定方法

柱状节理玄武岩是火山岩区所特有的地质现象,其地质成因独特,工程特性、开挖响应特征明显不同于一般常见岩体。针对节理岩体中不同钻孔属性条件下松弛深度测试结果存在变异性的问题,提出单孔声波测试与数字钻孔摄像综合的原位测试手段和松弛深度评价方法,获得了柱状节理条件下不同角度及不同孔径的岩体卸荷松弛特性。研究结果表明,在节理岩体中进行围岩的松弛深度测试时,不同孔径钻孔测试的松弛深度未有显著影响,但在不同钻孔角度条件下测试时,钻孔偏差角度、钻孔轴线与节理方位的夹角均对测试结果有较大影响,围岩松弛深度随节理方位与测孔轴线角度增大而增大。基于现场测试的结果与柱状节理的各向异性特征,进一步探讨了不同钻孔条件下松弛深度变异的机理。研究结果对柱状节理围岩松弛测试评价、稳定性分析以及支护方案优化有显著价值。     

基于地质强度指标法的柱状节理玄武岩体力学强度估计

节理岩体的强度是岩体工程设计的重要参数, 柱状节理岩体作为一种具有柱状镶嵌结构的特殊节理岩体, 缺乏相似的工程案例, 其岩体强度的确定是目前水电工程中的热点问题。本文综述了国内外相似工程中柱状节理岩体强度的研究进展, 以白鹤滩水电工程为例, 结合Hoek和Brown最新提出的地质强度指标法和强度准则估算了不同爆破损伤下的柱状镶嵌块状结构和柱状镶嵌碎裂结构柱状节理岩体的强度参数, 并得到白鹤滩水电站的原位试验成果的验证, 计算表明基于地质强度指标法的Hoek和Brown强度准则能较好的反映柱状节理岩体的强度参数。      

柱状节理玄武岩体抗剪强度参数尺寸效应研究

结合柱状节理玄武岩块室内直剪试验和现场大尺度直剪试验所取得不同尺度岩块的抗剪参数试验成果,进行异计拟合回归分析得到柱状节理玄武岩体抗剪强度参数内聚力c和内摩擦系数f的尺寸效应经验表达式,认为抗剪强度参数与试样尺寸间近似呈幂函数形式。抗剪强度参数的表征单元体积研究表明,内聚力对试样的尺寸更为敏感。     

一种新的岩石节理面三维粗糙度分形描述方法

研究并提出一种新的岩石节理面三维粗糙度分形描述方法。首先,基于激光扫描数据将节理表面离散成三角网,并建立与剪切方向相关的三维均方根抵抗角的计算方法。其次,运用分形数学理论,提出一种新的基于三维均方根抵抗角的节理面粗糙度分形描述方法。最后,采用新方法对天然玄武岩节理和花岗岩张拉型节理的粗糙特性进行分析。研究结果表明,提出的新方法能够较全面地反映节理面的三维几何形貌信息,并能描述节理粗糙度的各向异性特性。研究成果为进一步建立岩石节理面的三维剪切强度公式和剪切本构理论奠定了基础。     

柱状节理坝基岩体三维各向异性数值分析

在分析柱状节理不连续性和各向异性的工程特性基础上,对某拱坝及坝基的柱状节理岩体进行三维数值模拟分析。考虑河谷初始地应力场和岩体各向异性力学性质,采用各向同性本构和各向异性弹塑性本构进行对比分析。计算表明,坝基柱状节理岩体各向异性特性对工程整体应力、变形的影响比较明显,采用各向异性弹塑性模型计算更能反映柱状节理的特殊性。其结果为该坝区岩体工程各向异性力学分析提供了示例。     

不同充填度岩石分形节理抗剪强度的数值模拟

在对岩石节理进行分形模拟的基础上,建立了岩石分形充填节理直剪试验数值分析模型,采用数值模拟方法,研究了充填度与岩石分形充填节理抗剪强度之间的关系。结果表明,随着充填度的增大,分形节理抗剪强度总体上呈非线性减小。当充填度小于1时,随着充填度的增大,分形节理抗剪强度迅速减小,节理抗剪强度受节理表面形态、充填物力学性质以及壁岩力学性质的共同影响;当充填度大于1时,节理抗剪强度主要受充填物力学性质的控制,强度参数接近于节理充填物的强度参数。      

南京六合桂子山玄武岩石柱林成因初探

南京六合桂子山发育规模巨大、柱体形状规则和排列有序的玄武岩石柱林。已有多种玄武岩柱状节理的成因假说,但均尚有不完备之处。玄武岩熔浆喷出地表未固结之前的双扩散对流和固结成岩阶段的冷却收缩作用,可能是形成桂子山玄武岩石柱林的主要原因。玄武岩柱状节理的形成机理十分复杂,远未达到完全解决的境地。     

基于岩体结构面分布分形维的岩体质量评价

尽管岩体结构面具有空间上的不规则性和结构网络上的复杂性,但由于它又具有自相似的特征,可以运用分形理论来对其进行研究。运用盒计维数法对某矿山巷道围岩体结构面分布的分维数进行计算,验证了岩体结构面分布的分形特征。通过对岩体结构面分布分形维值分布规律的分析发现,分形维数越大、结构面分布越密集,结构面迹线越长,岩体质量越差,表明可将岩体结构面分布的分形维作为岩体质量评价的指标。将计算所得的岩体结构面分布的分维数与按工程岩体分级标准对相应岩体分级所得的岩体质量等级进行对比,提出了一个以岩体结构面分布的分形维作为分级指标的岩体质量评价方案。     

岩体结构面力学行为的尺寸效应研究

尺寸效应是岩体结构面力学行为的重要特征。本文列举了结构面力学行为中普遍存在的尺寸效应现象,并由实测统计资料的分析,论证了结构面力学行为的尺寸效应具有分形结构。通过结构面力学行为尺寸效应的机理研究,建立了结构面力学行为尺寸效应分维数和结构面粗糙度系数尺寸效应分维数之间的相关关系,从而简化了结构面力学行为尺寸效应规律的表述,为客观评价岩体结构面力学参数提供最为有效的手段。