压缩条件下玄武岩柱尺寸效应及破裂机理数值模拟研究

为研究压缩条件下玄武岩柱强度和变形的尺寸效应,及其破裂机理和破坏模式,本研究构建不同尺寸的玄武岩柱图像,然后将细观损伤力学、统计强度理论、连续介质力学相结合,基于RFPA3D-CT的数字图像处理,将玄武岩柱图像转化为有限元网格模型,并分别赋予节理、岩石的材料力学参数,其中,考虑节理及岩石的非均质。开展压缩条件下的玄武岩柱数值试验,分析侧压、垂直柱轴方向(Ⅰ/Ⅱ)对玄武岩柱的力学尺寸效应的影响,以及玄武岩柱破裂过程的应力场演化与损伤破裂特征。研究表明:对于垂直柱轴方向Ⅰ的情况,当侧压为0 MPa,试件抗压强度无明显的尺寸效应;当侧压为2 MPa,试件抗压强度的尺寸效应临界值为4 m;当侧压为4、6、8 MPa,试件抗压强度的尺寸效应临界值为6 m。对于垂直柱轴方向Ⅱ的情况,当侧压为0、2 MPa,试件抗压强度无明显的尺寸效应;当侧压为4 MPa,试件抗压强度的尺寸效应临界值为4 m;当侧压为6、8 MPa,试件抗压强度的尺寸效应临界值为6 m。当侧压为0~8 MPa,随着模型尺寸的增加,试件抗压强度的横观各向异性系数变化范围为0.75~1.15;试件等效变形模量的横观各向异性系数变化范围为0.90~1.15。因此,玄武岩柱可近似为横观各向同性。分析了不同侧压、模型尺寸、垂直柱轴方向(Ⅰ/Ⅱ)条件下玄武岩柱的节理开裂情况、应力集中、裂纹萌生扩展、破碎带形成的全过程,以及声发射特征。

压缩条件下玄武岩柱各向异性及破裂机理数值模拟研究

构建不同柱体倾角的玄武岩柱图像,基于RFPA^(3D)-CT软件的数字图像处理,将玄武岩柱图像转化为有限元网格模型,并分别赋予节理、岩石的材料力学参数,开展单轴压缩及围压条件下的玄武岩柱数值试验,研究其强度和变形的各向异性,及其破裂机理与破坏模式。研究表明:对于围压0 MPa~8MPa的情况,玄武岩柱试件的抗压强度随柱体倾角的增加大致呈U型分布;随着围压的增加,各柱体倾角的试件抗压强度有较明显的提升;在不同围压条件下,抗压强度的最小值,出现在β=30°的位置。以柱体倾角β=15°、45°的玄武岩柱为例,研究其在单轴及围压条件下的渐进破裂机理;并研究围压8 MPa条件下不同柱体倾角玄武岩柱的损伤破裂特征。

不同规则程度玄武岩柱压缩破裂机理数值模拟

压缩条件下,不同规则程度玄武岩柱的强度和变形存在差异,且其破裂机理亦存在区别。构建不同规则程度的玄武岩柱图像,然后将细观损伤力学、统计强度理论、连续介质力学相结合,基于RFPA^(3D)-CT的数字图像处理,将玄武岩柱图像转化为有限元网格模型,并分别赋予节理、岩石的材料力学参数,并考虑节理及岩石的非均质。开展不同侧压条件下的玄武岩柱数值试验,以研究其强度变形特性,及其破裂机理、累计声发射数、损伤破裂特征。研究表明:侧压0 MPa、6 MPa情况下,随着柱体不规则程度的增加,玄武岩柱的抗压强度基本呈先微增(或增加)再减小的趋势;玄武岩柱的等效变形模量呈波动变化(或先增加再减小)的趋势;随着柱体不规则程度的增加,或者随着侧压的增加,玄武岩柱抗压强度,趋于横观各向同性;分析了侧压0 MPa、6 MPa条件下不同规则程度玄武岩柱的应力场演化过程。在累计声发射数方面,从加载过程中峰值应力所对应的累计声发射数出现的先后顺序,及其量值由小到大的角度来看,分别为柱体不规则、中等规则、基本规则和完全规则;从损伤的角度,分析了侧压0 MPa、6 MPa条件下不同规则程度玄武岩柱的损伤破裂特征。

玄武岩柱状节理六边形结构形成机制探讨

玄武岩柱状节理往往呈现完美的六边形石柱,这种现象引起了人们的广泛关注和好奇,但是对于其形成机理尚无合理的解释。本文通过对冷却过程中的玄武岩进行受力分析,提出当岩石(浆)冷凝收缩的凝聚力达到其抗张强度时,岩石(浆)内部发生潜在破裂和微形变;当潜在破裂面形成后,因岩石的泊松效应,微小潜在破裂面处的应力状态发生重整,形成新的潜在破裂面;当新的潜在破裂面处的剪应力等于岩石抗张强度时,岩石(浆)发生剪切破裂,形成如今所见的柱状节理。根据前人相关岩石实验数据,推算得到玄武岩相应温度下的内摩擦角、黏聚力、抗张强度和泊松比,采用应力莫尔圆方法进行数值计算,获得玄武岩在冷却到800℃左右时发生破裂,六棱柱形柱状节理开始形成,内角约119.1°。进一步分析认为,岩石的黏聚力、石英含量等因素可能控制着柱状节理的发育和形状。

压缩条件下不同形状玄武岩柱破裂机理数值模拟研究

压缩条件下,不同形状玄武岩柱的强度和变形存在差异,且其破裂机理和破坏模式亦存在区别。本文构建不同形状的玄武岩柱图像,然后将细观损伤力学、统计强度理论、连续介质力学相结合,基于RFPA3D-CT软件的数字图像处理,将玄武岩柱图像转化为有限元网格模型,并分别赋予节理、岩石的材料力学参数,其中,考虑节理及岩石的非均质性。进一步开展不同侧压条件下的玄武岩柱数值试验,以研究其强度和变形特性,及其破裂机理与破坏模式。研究表明:对于侧压0 MPa的情况,尺寸1.5 m×3 m,3 m×3 m,6 m×3 m的玄武岩柱的抗压强度随柱体倾角的增加大致呈U型分布;对于侧压6 MPa的情况,尺寸1.5 m×3 m,3 m×3 m,6 m×3 m的玄武岩柱的抗压强度随柱体倾角的增加大致呈V型分布。分别以尺寸1.5 m×3 m,6 m×3 m,柱体倾角β为15°和45°的玄武岩柱为例,研究其在不同侧压条件下的破裂机理及破坏模式,分析了加载过程中应力集中、裂纹萌生、扩展、破碎带形成的全过程,以及声发射特征。

柱状节理玄武岩松弛时空效应及其控制技术

柱状节理玄武岩表现出开挖后易松弛的特性,对白鹤滩水电站拱坝变形和地下洞室群稳定都有重要影响,是该工程的关键岩石力学问题之一。白鹤滩水电站柱状节理玄武岩表现出卸荷松弛、破裂松弛和坍塌松弛3种类型,采用钻孔声波测试为主、钻孔电视全景成像测试为辅的方法开展监测,并建立松弛层划分标准;发现开挖松弛具有显著的时间效应和空间效应;松弛时间效应可用对数函数表征,松弛大致在开挖35 d后趋于稳定,松弛与支护的及时性和有效性密切相关;松弛深度随着洞室跨度、开挖高度和断面面积的增加而不断增大,边墙松弛增幅尤其显著;开挖松弛是岩性、结构面、岩体结构和地应力共同控制的结果;提出成型成套松弛控制技术,取得了良好的控制效果。

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。

钢管玄武岩纤维混凝土短柱轴心受压承载能力试验研究

钢管混凝土短柱是工程中的常用构件,其核心混凝土的性能对钢管混凝土承载能力有较大影响,为了研究玄武岩纤维混凝土对钢管混凝土受力性能的影响,采用钢管混凝土和钢管玄武岩混凝土短柱轴心受压对比试验,结果发现,在相同条件下,钢管玄武岩纤维混凝土短柱轴心受压承载能力均大于普通钢管混凝土短柱,最大提高率10.1%,承载能力提高率随着钢管混凝土含钢率的提高而降低;相对于钢管混凝土短柱,钢管玄武岩纤维混凝土短柱的弹性阶段较长,延性增加。延性系数随含钢率提高而提高,纤维长度改变对钢管玄武岩纤维混凝土短柱承载力影响较小。

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。

柱状节理玄武岩岩体结构与结构面的分形研究

峨嵋山柱状节理玄武岩是西南地区分布的主要岩类。柱状节理玄武岩的原生建造、构造作用和风化卸荷对岩体结构和工程性状有较大的影响。节理裂隙影响岩体结构并劣化岩体完整性,分维数D能客观地表现岩体完整性特征,因而分析讨论柱状节理岩体节理面的分形特征,可以深层次的反映柱状节理岩体的工程地质特点。

浅析水电站左岸坝基柱状节理玄武岩保护层开挖精细爆破技术

白鹤滩水电站拱坝基础分布第一类柱状节理玄武岩,第一类柱状节理玄武岩微裂隙发育、层内发育多条缓倾层内错动带,开挖后岩体易松弛。开展柱状节理玄武岩开挖爆破生产性试验,总结并推荐柱状节理玄武岩开挖爆破参数,施工中动态优化保护层开挖爆破参数、施工工序精细控制和精细爆破技术,确保白鹤滩水电站左岸坝基柱状节理玄武岩保护层开挖施工质量满足设计要求。

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Ⅲ_1类和Ⅲ_2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。

白鹤滩特高拱坝坝肩柱状节理玄武岩开挖爆破试验研究

柱状节理玄武岩具有表面易破碎、易松弛等性状特点,作为300 m级高拱坝坝肩基岩世界罕见。柱状节理玄武岩基岩面岩体施工处理,经常出现边坡预裂面破坏,预裂面超欠挖严重、预裂面半孔率低、岩体扰动等问题。为解决破碎岩体边坡开挖的稳定,减少预裂爆破对建基面稳定的危害,根据白鹤滩水电站左岸坝肩柱状节理玄武岩物理及力学特性,通过预裂爆破与光面爆破对比试验,以确定爆破类型;并优化预裂爆破装药线密度、孔排距等参数。结果表明:预裂爆破综合效果优于光面爆破。通过在爆前、爆后布置物探监测仪器对周围岩体损伤进行监测,得出预裂爆破孔0.6 m的间距及线密度240 g/m装药参数,对柱状节理玄武岩实现基岩面扰动最小,达到最佳爆破效果。为强卸荷岩体高拱坝基础开挖提供了理论和实践借鉴。

柱状节理玄武岩松弛圈尺寸效应及地应力影响

为研究柱状节理玄武岩松弛圈尺寸效应及地应力对其产生的影响,选取了8种不同尺寸典型洞室,利用单孔声波法测试松弛深度,对161组测试成果进行数据统计及曲线拟合,建立了松弛深度经验计算公式。研究结果表明,断面尺寸及地应力是影响洞室松弛深度的2个主要因素;洞室边墙中上部松弛深度最大,尺寸效应明显,与洞室高度表现出明显的线型相关性,高地应力会加剧这种尺寸效应,在低地应力条件下,松弛深度一般是洞室高度的1/6,高地应力条件下,松弛深度一般是洞室高度的1/3,极端情况下24 m高洞室边墙中部松弛深度会达到10.2 m。

柱状节理玄武岩洞段开挖支护施工技术——以白鹤滩水电站导流洞为例

白鹤滩水电站导流洞工程开挖断面大、地应力水平较高,柱状节理玄武岩分布规模大、岩体特点突出、不良地质现象频发、开挖支护施工难度大。在柱状节理玄武岩洞段施工过程中,通过对开挖支护方法及支护参数不断地改进,取得了良好的效果,保证了施工人员设备安全和开挖施工节点目标的顺利实现。

适应柱状节理玄武岩坝基的特高拱坝结构研究

白鹤滩水电站坝址区柱状节理玄武岩发育,其岩芯破碎,完整性较差,变形模量等力学指标相对较低,还表现出各向异性及开挖后易松弛的特性。白鹤滩水电站是首次将柱状节理玄武岩应用于高拱坝坝基,为研究特高拱坝适应基础岩体的力学特性,本文提出了拱坝扩大基础的结构形式。应用三维有限元方法,计算研究了扩大基础受力机理及效应,并研究柱状节理玄武岩松弛的敏感性,论证了拱坝扩大基础适应柱状节理玄武岩坝基特性的能力。

白鹤滩水电站右岸坝基柱状节理玄武岩开挖施工技术

白鹤滩水电站右岸坝基高程590.00m以下为P_2β_3~3层柱状节理玄武岩,岩体内微裂隙发育,整体性差。为控制坝基柱状节理玄武岩开挖后卸荷松弛,采用双保护层方式开挖,预留保护层厚度5m,保护层顶面参照建基面要求实施预裂爆破技术开挖,然后利用保护层作为岩石盖重进行坝基固结灌浆及锚筋桩预锚等基础处理,以增加坝基柱状节理玄武岩的力学性能及岩体完整性。根据坝基开挖体型特点,预留保护层上部陡坡段采用常规预裂爆破技术开挖,下部缓坡段和水平段采用复合消能爆破技术开挖,既保证了建基面开挖质量,也加快了施工进度,实现了大坝混凝土如期顺利开浇。

柱状节理玄武岩弹性波特性研究

金沙江白鹤滩水电站坝址区坝基范围内发育有大量柱状节理玄武岩,对其工程地质特性的研究对划分风化卸荷带、评价建基面岩体质量、确定合理开挖深度具有重要意义。通过对坝区所揭露柱状节理玄武岩的平硐弹性波和钻孔声波测试成果的统计、对比分析可知,各种玄武岩新鲜完整岩块波速有所差异,其中柱状节理玄武岩和隐晶质玄武岩的波速较高,杏仁状玄武岩和角砾熔岩波速较低;随着岩体风化、卸荷程度加剧,地震波和声波速度均呈降低的趋势,其中声波速度变化相对较小;坝基岩体的钻孔声波速度和平硐声波速度、地震波速度分布多呈近正态分布特征,峰值波速主要对应为微新岩体或弱风化下段岩体;平硐侧壁的松弛深度随着卸荷、风化程度的加剧,呈逐渐增大的趋势。

西南某电站坝基柱状节理玄武岩松弛特性研究

柱状节理玄武岩因其特殊的岩体结构,开挖卸荷后易松弛、岩体力学参数降低,对工程建设不利。因此,研究柱状节理玄武岩的松弛特性,对柱状节理玄武岩的开挖、支护设计有着重要意义。通过岩体声波测试,分析西南某电站坝基在开挖过程中柱状节理玄武岩的松弛特性,总结了开挖卸荷后坝基柱状节理玄武岩在松弛深度、松弛岩体时空分布、松弛程度等方面的规律,为工程设计提供了可靠依据。

柱状节理玄武岩帷幕灌浆施工研究

白鹤滩水电站大坝基础为玄武岩地层,其中柱状节理玄武岩节理、裂隙发育密集,岩体完整性差,岩体特征较为典型。白鹤滩水电站坝高289m,坝前水头高,坝基防渗要求高,文章介绍了坝基柱状节理玄武岩地层帷幕灌浆施工工艺,并对柱状节理玄武岩地层帷幕灌浆成果数据进行了分析,对比灌浆前后岩体透水性可知,帷幕灌浆效果显著。