柱状节理各向异性岩石力学特性及模型研究

各向异性是岩体基本属性。对于柱状节理岩体这种具有特定结构面，各向异性显著的岩体，按各向同性理论考虑对认识其应力变形及破坏规律有较大的局限性，甚至与实际相差较大。本研究针对中国西南广泛发育的柱状节理岩体，综合研究其工程地质岩组和岩体结构特征、现场岩体原位实验及室内力学实验成果，应用数值模拟方法研究其宏观岩体的各向异性力学特性，推导并建立各向异性岩体弹塑性本构关系。开展发育柱状节理岩体工程的各向异性岩体力学数值分析，通过与各向同性模型力学分析比较，理解柱状节理岩体各向异性力学特性对工程稳定性的影响，为发育柱状节理的岩体工程各向异性岩石力学分析提供理论基础。依托在建的白鹤滩水利水电工程，针对坝址区广泛发育的柱状节理岩体，对涉及到其各向异性岩石力学特性及模型等关键技术问题开展了研究工作，结合原位测试资料及理论研究成果，深入探讨和分析了柱状节理岩体各向异性力学特性及各向异性力学模型，并将研究成果应用于涉及柱状节理各向异性岩石力学特性的大型水电工程实践。 2100433B

摘要：各向异性是岩体具有的一种基本属性，发育柱状节理这种特定结构面的岩体，其各向异性性质更加显著，各向同性力学理论对认识其应力变形及破坏模式有较大的局限性。本研究针对中国西南广泛发育的柱状节理岩体，综合研究其工程地质岩组和岩体结构特征、现场岩体原位实验及室内力学实验成果，应用数值模拟方法研究其宏观岩体的各向异性力学特性，推导并建立各向异性岩体弹塑性本构关系，以FLAC3D为开发平台研制三维各向异性弹塑性数值程序。开展发育柱状节理岩体工程的各向异性岩体力学数值分析，通过与各向同性模型力学分析比较，论证不同分析方法的差异，深入理解柱状节理岩体各向异性力学特性对工程稳定性的影响，为发育柱状节理的岩体工程各向异性岩石力学分析提供理论基础。

柱状节理云南省腾冲县神柱

在云南省腾冲县的龙川江畔，矗立着一大片火山爆发时喷出的未露于地表的岩浆冷凝后形成的柱状结晶，地质学上称为“柱状节理”，当地人则形象地叫它“ 神柱”。

柱状节理山东柱状节理

在山东昌乐团子山火山口也有此现象发育，不过规模不是很大，但对于地质研究还是非常有价值的。

柱状节理腾冲的“神柱

地质专家经过调查认为，腾冲的“神柱”是我国迄今为止发现的一片规模最大、保存完整、年代最短的柱状节理。

柱状节理福建省柱状节理

福建省漳州市漳浦县的南碇岛上的柱状节理，其规模也非常宏大，且比之腾冲的柱状节理更具观赏性。

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。

岩体中众多节理、断层等结构面的存在导致的节理岩体各向异性给隧道支护设计和稳定分析造成了极大困难，如何确定围岩压力以及围岩的抗力系数等成为此类隧道支护设计的关键。本项目针对节理岩体各向异性特性以及隧道支护计算方法，以优势节理岩体模型为基础对数值流形法进行改进，将优势节理作为不连续面，含有密集分布节理、裂隙的岩体等效为符合H-B准则的弹塑性连续介质，建立可模拟隧道施工过程的节理岩体弹塑性数值流形方法。通过物理模拟和数值模拟，分析层状结构岩体和块状结构岩体以及随机分布节理岩体在不同尺度条件下的基本变形规律和破坏机理，揭示不同地应力条件下节理岩体各向异性对隧道变形和稳定性的影响规律，得出围岩松动压力和围岩抗力系数与节理分布参数之间的统计关系及其预测方法。通过优化分析提出隧道的合理支护参数，指导此类隧道的设计。