中高地应力环境下柱状节理岩体各向异性特性研究

The project focus on anisotropic characteristics of columnar jointed basalt under midle-high in-situ stress. In order to understand the anisotropic deformation and strength properties of columnar jointed basalt, the rockmass structure inverstigation, a series of conventional triaxial compression tests, unloading confinement pressure triaxial tests in laboratory, loading axial pressure and unloading confinement pressure true triaxial tests and bearing plate tests in situ are conducted. And the surrounding rock deformation monitoring data and relaxation zone geophysical detection data are obtainde while the tunnel section of columnar jointed basalt of diversion tunnels excavating.Based on data obtained by inverstigation and testing, a transversely isotropic model is proposed using incorporating a microstructure tensor into Hoek-Brown failure criteria. And the prameters of transversely isotropic model is confirmed by rock michnaics tests results, then the availability of model is tested and verified by simulating deformation and relaxation zone of diversion tunnels surrounding rock. The results of this research make further improvement on understanding the anisotropic characteristics of columnar jointed basalt under middle-high in-situ stress, and provide valuable test data and theorotic basis for stability analysis and evaluating of engineering structure refer to columnar jointed basalt.

以白鹤滩水电工程为依托，针对中高地应力环境下柱状节理玄武岩的各向异性问题，开展岩体结构调查，一系列岩块尺度室内常规三轴压缩试验、三轴卸围岩卸载试验，岩体尺度现场真三轴加载及卸围压试验，和承压板试验，同时对导流洞柱状节理玄武岩岩性段在开挖过程中进行围岩变形监测和围岩松动圈声波检测，探讨柱状节理玄武岩岩体的各向异性变形性质和强度特征。在地质调查、岩石力学试验的基础上，运用微结构张量，结合传统Hoek-Brown屈服准则建立柱状节理横观各向同性弹塑性模型，并通过岩石力学试验成果确定屈服准则参数，利用导流洞围岩监测和物探检测资料验证模型的有效性。本项目研究成果，进一步深化柱状节理玄武岩各向异性特性试验和理论研究，为涉及柱状节理玄武岩的类似工程的稳定性分析和评价提供试验支撑和理论基础。

在中高地应力环境下，柱状节理岩体表现出强卸荷松弛及各向异性特征，对坝基稳定与防渗，边坡稳定，及地下洞室围岩稳定影响较大。本项目以白鹤滩水电工程为依托，针对中高地应力环境下柱状节理玄武岩的各向异性问题，从岩体结构，变形和强度特征，及破坏准则方面进行了研究。.（1）柱面裂隙和缓倾角裂隙的统计分析显示柱面裂隙在各个方向上基本呈均匀分布，累积长度也大致相当，无优势方向，缓倾角裂隙发育程度较柱面裂隙高。这是承压板试验显示的垂直柱体的弹性模量高于平行柱体弹性模量，以及声波测试显示的垂直柱体声波值高于平行柱体声波值的重要原因之一。.（2）柱状节理玄武岩岩块的电镜扫描结果显示岩块内微裂隙随机发育，无优势方向，室内试验显示岩块的变形和强度特征不具强烈的方向性。说明岩块无明显的各向异性特征，岩体内发育的柱面和缓倾角裂隙是造成其各向异性特征的主要因素，同时结合岩体结构特征，其可以等效为横观各向同性材料，柱体方向为材料主轴，垂直于柱体的平面为各向同性面。.（3）现场真三轴和承压板试验得到岩体变形和强度随方向变化的特征。由Hooke定理得到弹性模量随方向的分布曲线，同时发现由Saint Venant提出的剪切模量与三个主轴方向上的弹性模量之间的经验关系式对柱状节理玄武岩岩体不适用。.（4）在各向同性Hoek-Brown准则的基础上引入与岩体微结构张量和应力张量相关的各向异性参数，得到各向异性破坏准则。采用层状岩样室内试验，及柱状节理玄武岩岩体的真三轴试验成果进行适用性验证，结果表明提出的各向异性破坏准则能较好的反映岩石的强度各向异性特征。在FLAC3D的基础上进行本构开发，对白鹤滩右岸导流洞进行数值分析，结果显示提出的本构模型可较好地反映围岩变形和应力分布情况。.本项目研究成果进一步深化了柱状节理玄武岩各向异性特性试验和理论研究，为涉及柱状节理玄武岩的类似工程的稳定性分析和评价提供了试验支撑和理论参考。