爆破开挖扰动下柱状节理玄武岩的损伤机制

本项目以西南高山峡谷地区大型水电工程建设为背景，针对坝基、边坡及洞室柱状节理玄武岩岩体爆破开挖，研究了柱状节理玄武岩中爆破开挖扰动荷载特性，分析了开挖扰动荷载作用下柱状节理玄武岩的损伤开裂机制，揭示了开挖扰动荷载在岩体中的传播规律以及柱状节理玄武岩岩体应力场瞬态调整的过程，建立了爆炸荷载与开挖荷载瞬态卸荷耦合作用下柱状节理玄武岩的开裂分析模型，提出了爆破开挖扰动下柱状节理玄武岩的损伤判据以及开挖损伤区岩体参数的预测方法。研究成果可为爆破开挖扰动下柱状节理玄武岩的变形分析和稳定控制提供理论依据和分析模型，在我国大型水利水电工程建设、交通工程建设等领域具有广阔的工程应用前景。结合项目研究，发表论文14篇，其中SCI收录5篇，EI收录3篇，授权发明专利2项，培养硕士研究生7人。 2100433B

本项目以大型水利水电工程爆破开挖对柱状节理玄武岩的扰动为研究主线，采用理论分析、数值模拟、现场试验与工程地质调研相结合的研究方法，研究爆破开挖扰动下柱状节理玄武岩的损伤机制。通过分析柱状节理玄武岩中爆破开挖扰动荷载特性，揭示开挖扰动的幅值、频率在岩体中随时间及空间变化的传播规律；研究柱状节理玄武岩岩体应力场瞬态调整的时空演化过程，阐明开挖荷载瞬态卸荷对柱状节理玄武岩应力场时空分布的扰动机制；研究开挖扰动荷载作用下柱状节理玄武岩的损伤机制，建立爆破荷载与开挖荷载瞬态卸荷耦合作用下柱状节理玄武岩的动态损伤模型，提出爆破开挖扰动下柱状节理玄武岩的损伤判据。研究成果可为爆破开挖扰动下柱状节理玄武岩的变形分析和稳定控制提供理论依据和分析模型，在我国大型水利水电工程建设、交通工程建设等领域具有广阔的工程应用前景。

巨人之堤玄武岩柱状节理景观是巨人之堤是玄武岩柱状节理形成的一种景观位于爱尔兰安特里姆群西北海岸大约在5000万年前火山喷发溢出炽热的玄武岩流，逐渐冷却收缩呈六边形或五边形的裂缝。

从而形成规则六边形或五边形石柱.即柱状节理-沿着海岸线的玄武岩石柱，犹如一道通向大海的天然阶梯。石柱宽度约为0.45m左右，高出海平面6〜12m，约有千根石柱，也有部分隐设在水下。巨人之堤列为世界自然遗产中国也有许多玄武岩石柱景观，如南京六合，福建漳州牛头山、大嶂山，云南腾冲等地。

玄武岩柱状节理形成机制的主导学说是“冷却收缩说”。该学说认为，玄武岩流中柱状节理的理想生成方式是岩流冷却过程中，平坦的熔岩冷凝面形成无数规则而又间隔排列的均匀收缩中心，产生垂直于收缩方向的张力裂隙，体积收缩引起岩石物质向固定的内部中心聚集，致使岩石裂开，形成多面柱体。在理想情况下，如果岩石是均质的，则收缩中心的距离相等，最终在平面上呈现六边形图案，随着岩浆不断冷却凝固，张力裂隙就在垂直于冷凝面的方向上形成规则的六棱柱体。实际上，玄武岩柱体形成时受到种种环境条件的影响，特别是岩体内的非均质结构，因而在柱列断面上，就形成六边形、四边形以及七边形等多种组合情况。

川滇两省是我国水电开发的主要地区，由于该地区地质成因复杂，地表侵蚀卸荷严重，柱状节理玄武岩广泛分布，目前准备兴建的白鹤滩水电站就位于该地区。柱状节理玄武岩具有明显的非连续、易断裂与各向异性力学特征，属于典型的非贯通节理岩体。本项目以柱状节理玄武岩为研究对象，利用水、石膏与河砂的混合物作为柱状节理玄武岩的相似材料，借助石膏凝固的时效特性，模拟柱状节理的生成过程，并且根据现场柱状节理的几何特性，制成截面为四边形与六边形的相似模型。通过单轴压缩试验不仅获得了柱状节理玄武岩的应力-应变曲线与基本的力学特性，同时解释柱状节理玄武岩各向异性的形成机制，确定了原生节理倾角对柱状节理玄武岩强度与变形影响。而后，通过大量的原位变形观测与钻孔摄像检测，获得柱状节理卸荷过程中的力学特性、洞室边墙与顶拱的破坏模式。根据室内试验与现场观测结果，确定了柱状节理玄武岩加载与卸荷过程中岩体的力学行为与破坏模式，建立了CRDM本构模型，并在3DEC平台上开发了本构模型。利用建立的本构模型对白鹤滩柱状节理试验洞开挖过程进行了模拟，通过现场监测结果与数值模拟的比较可以发现，D-CRDM模拟方法可以很好的模拟柱状节理玄武岩的力学特性，并且能够解释现场岩体的失稳机理。根据柱状节理玄武岩在不同应力环境的力学特性与破坏模式，建议白鹤滩水电站洞室群的支护应以钢筋混凝土衬砌支护为主，锚杆支护为辅，这与传统的支护方式有一定的差别，并通过现场工程支护的实际情况证明了该支护方法的正确性。目前，白鹤滩工程还在施工过程中，不断揭露的柱状节理临空面越来越多、面积越来越大，柱状节理玄武岩的卸荷力学特性也在不断有新的进展与发现，力求在该基金的资助下继续做一些探索性的研究，获得更多有助于工程应用的科研成果。 在基金资助的三年内，撰写著作1本，发表十余篇论文，其中SCI检索3篇，EI检索2篇，培养研究生3名。 2100433B