高地應(yīng)力強(qiáng)卸荷作用下柱狀節(jié)理玄武巖破壞機(jī)理研究中文摘要

川滇兩省是我國水電開發(fā)的主要地區(qū)，由于該地區(qū)地應(yīng)力場較高，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)頻繁，地表侵蝕卸荷嚴(yán)重，因此川滇兩省節(jié)理巖體廣泛分布。目前準(zhǔn)備興建的白鶴灘水電站就位于該地區(qū)，壩址區(qū)內(nèi)柱狀節(jié)理較為發(fā)育，該巖體具有明顯的非連續(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。上述力學(xué)特征為高邊坡與地下洞室群的設(shè)計(jì)與施工帶來諸多不確定因素。為了滿足大型水電工程建設(shè)的需要，同時(shí)為促進(jìn)非貫通節(jié)理巖體力學(xué)研究的發(fā)展，該課題以高地應(yīng)力強(qiáng)卸荷作用下柱狀節(jié)理玄武巖為研究對(duì)象，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與Voronoi 隨機(jī)模型相結(jié)合建立玄武巖的塊體模型、通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與理論分析建立柱狀節(jié)理玄武巖的力學(xué)模型與破壞判據(jù)、借助數(shù)值模擬與現(xiàn)場反饋分析驗(yàn)證力學(xué)模型的準(zhǔn)確性，最終建立一套符合強(qiáng)卸荷作用下柱狀節(jié)理巖體的研究方法，為我國其他同類水電工程提供可資借鑒工程依據(jù)。

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(xiàng)目以柱狀節(jié)理玄武巖為研究對(duì)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(shí)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(yàn)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(shí)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(duì)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(yàn)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(tái)上開發(fā)了本構(gòu)模型。利用建立的本構(gòu)模型對(duì)白鶴灘柱狀節(jié)理試驗(yàn)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(shí)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

本項(xiàng)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(duì)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(dòng)荷載特性，分析了開挖擾動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(xiàng)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(xiàng)，培養(yǎng)碩士研究生7人。 2100433B

本項(xiàng)目以大型水利水電工程爆破開挖對(duì)柱狀節(jié)理玄武巖的擾動(dòng)為研究主線，采用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場試驗(yàn)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(dòng)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(dòng)荷載特性，揭示開挖擾動(dòng)的幅值、頻率在巖體中隨時(shí)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(shí)空演化過程，闡明開挖荷載瞬態(tài)卸荷對(duì)柱狀節(jié)理玄武巖應(yīng)力場時(shí)空分布的擾動(dòng)機(jī)制；研究開挖擾動(dòng)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(dòng)態(tài)損傷模型，提出爆破開挖擾動(dòng)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(dòng)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。