柱状节理玄武岩各向异性尺寸效应及其理论模型研究

As a special type of rock mass, the excavation engineering of columnar jointed basalt has the anisotropic size effect due to the effects of micro fissures, joint surfaces between columns and gently dipping structural surfaces. In order to improve the understanding of anisotropy size effect of columnar jointed basalt, the present project will carry out study in three parts which based on the background of Baihetan hydropower station. The first is to analyze the rock mass mechanics characteristics of anisotropy size effect and confining pressure effect by the columnar jointed basalt experiments and the 3D printing of model reconstruction. The second is to establish the mechanical model which considers the anisotropic size effects of failure modes, unloading conditions and mechanical parameters from the analysis of field investigation and laboratory tests. The third is to acquire the numerical simulation method for the mechanical parameters of engineering size of columnar joint by analyzing the factors of anisotropy size effect like joint inclination angles, joint and fracture spacing based on the simulation of surrounding rock deformation and loosened rock circles around the tunnel. The research results can provide references for the engineering construction and enrich the contents of geotechnical engineering in China.

柱状节理玄武岩作为一种特殊工程岩体，由于其内部隐微裂隙、柱间节理面及缓倾角结构面等作用，在开挖过程中面临着各向异性尺寸效应问题且对其认识尚不明确。鉴于此，本项目以白鹤滩水电站柱状节理玄武岩开挖工程为背景，以柱状节理玄武岩各向异性尺寸效应为研究重点，通过开展含隐微裂隙柱体、柱状节理岩体及相应3D打印精准重构模型在多尺寸、多方向条件下的力学试验，分析柱状节理岩体各向异性尺寸效应的力学特征。结合工程现场及室内力学试验分析结果，建立考虑柱状节理玄武岩破坏模式、卸荷条件以及力学参数各向异性尺寸效应的力学模型并验证。通过对多尺度、多工况条件下围岩变形及松动圈的数值试验，分析影响柱状节理玄武岩各向异性尺寸效应的主要因素，获取工程尺寸岩体数值参数计算方法，最终为柱状节理岩体相关工程设计及丰富我国岩土工程研究内容提供参考与依据。

柱状节理岩体作为一类特殊工程岩体，由于其内部隐微裂隙、柱间节理面及缓倾角结构面等作用，使得在工程开展过程中面临着各向异性及尺寸效应问题。本项目通过对柱状节理岩体开展系统的地质调查，研究了柱状节理岩体的结构尺度特征和隐微裂隙分布规律；实现了非规则复杂结构柱状节理岩体的3D打印精确重构，并在此基础上研究了复杂结构柱状节理岩体的力学特性各向异性和破坏特征；通过开展建立考虑损伤程度的岩体各向异性特征本构模型，系统分析了岩体结构因素影响下的力学及破坏特性变化规律；针对柱状节理岩体在卸荷条件下容易破坏的工程实际，开展了柱状节理岩体在卸荷条件下的物理试验，研究了单临空面条件下柱状节理岩体的破坏模式，并给出了工程中该类破坏的具体解决方法；结合工程现场及室内力学试验分析结果，建立了考虑柱状节理玄武岩破坏模式、卸荷条件以及力学参数各向异性尺寸效应的力学模型并验证。通过对多尺度、多工况条件下围岩变形及松动圈的数值试验，分析了影响柱状节理玄武岩各向异性特征的主要因素，给出了获取工程尺寸岩体数值参数的方法，最终为柱状节理岩体相关工程设计及丰富我国岩土工程研究内容提供了参考与依据。