1、第 18 卷增刊 2地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol.182022 年 12 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringDec.2022不同规则程度玄武岩柱压缩破裂机理数值模拟王永艺1,陈甜甜2,龚斌1,王婷婷2,唐春安1,3(1.大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁 大连 116024;2.东北大学 资源与土木工程学院,沈阳 110819;3.中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源国家重点实验室,武汉 430074)摘要: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
2、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 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,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
3、 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。关键词:压缩条件;规则程度;玄武岩柱;破裂机理;数值模拟中图分类号:TU45文献标识码:A文章编号:1673-0836(2022)增 2-0642-17Numerical Simulation of the Fracture Mechanism of Columnar Jointed Bas
4、alts with Different Regular Degrees under CompressionWang Yongyi1,Chen Tiantian2,Gong Bin1,Wang Tingting2,Tang Chunan1,3(1.State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering,Dalian University of Technology,Dalian,Liaoning 116024,P.R.China;2.School of Resources and Civil Engineering,Northeaster
5、n University,Shenyang 110819,P.R.China;3.State Key Laboratory of Geological Processes and Mineral Resources,China University of Geosciences,Wuhan 430074,P.R.China)Abstract:Under compression,the strengths and deformations of columnar jointed basalts(CJBs)with different regular degrees are different,a
6、nd the failure mechanisms are also not the same.The images of CJBs with different regular degrees are constructed.Then,by combining meso-damage mechanics,statistical strength theory and continuum mechanics,the images of CJBs are converted into finite element mesh models based on RFPA3D-CT digital im
7、age processing,and mechanical parameters of joint and rock materials are assigned,respectively,in which 收稿日期:2022-03-10(修改稿)作者简介:王永艺(1991),男,福建南安人,博士生,主要从事岩土工程方向的研究。E-mail:594645902 通讯作者:陈甜甜(1992),女,山西运城人,博士生,主要从事工程力学、岩土工程方向的研究。E-mail:chentiantian0304 基金项目:国家自然科学基金(42102314,41941018);重庆大学煤矿灾害动力学与控制国
8、家重点实验室重大项目(2011DA105287FW201802);中 国 地 质 大 学 地 质 过 程 与 矿 产 资 源 国 家 重 点 实 验 室 开 放 基 金(GPMR202002);中 国 科 学 院 西 北 生 态 环 境 资 源 研 究 院 冻 土 工 程 国 家 重 点 实 验 室 开 放 基 金(SKLFSE202013)the heterogeneity of joint and rock is considered.Further,numerical tests of CJBs under different lateral pressures are carried
9、out to study the strength and deformation characteristics,fracture mechanism,acoustic emission(AE)accumulation and damaged fracture characteristics.The results show that:Under lateral pressures of 0 MPa and 6 MPa,with the growth of column irregularity,the compressive strength(CS)of CJBs shows a tren
10、d of slight increase(or increase)first and then decrease.The equivalent deformation modulus(EDM)of CJBs fluctuates(or increases firstly and then decreases).With the growth of column irregularity or lateral pressure,the CS of CJBs tends to be transversely isotropic.The evolution processes of stress f
11、ield of CJBs with different regularities under lateral pressures of 0 MPa and 6 MPa are investigated.In terms of AE accumulation,the sequence and magnitude of AE accumulations,corresponding to peak stresses in the loading process,are in order of irregular,moderately regular,basically regular and com
12、pletely regular columns,respectively.From the point view of damage,the damaged fracture characteristics of CJBs with different regular degrees under lateral pressures of 0 MPa and 6 MPa are analyzed.Keywords:compression condition;regular degree;basalt columns;fracture mechanism;numerical simulation0
13、引言柱状节理是玄武岩喷发溢流过程中冷却收缩形成的一种张性破裂构造,属于原生节理,它往往将岩体切割成规则或者不规则棱柱体。柱状节理构造分布广泛,在中国、澳大利亚、巴西、印度、苏格兰、西伯利亚、美国等地均有分布1-3。在中国西南地区,诸多已建成的大型水电站,如位于金沙江下游的白鹤滩水电站、乌东德水电站、云南丽江金安桥水电站、金沙江峡谷段的溪洛渡等水电站均位于柱状节理玄武岩之上。对于柱状节理岩体,国内学者采用现场试验、室内物理试验、数值模拟等方法开展其力学特性研究。其中,在室内物理试验和数值模拟方面,对不同规则程度的柱状节理玄武岩力学性质的研究较少,进一步地,对于压缩条件下不同规则程度的柱状节理玄武
14、岩渐进破裂机理的研究更少。在柱状节理岩体的力学特性方面,已有相关学者开展相关研究。崔臻等4利用节理网络有限元为工具,研究各结构效应表征参数对柱状节理岩体等效变形模量的影响。郑文棠等5采用可变形离散元法建立了柱状节理玄武岩体的三维离散元数值模型,通过数值模拟不同尺寸的承压板试验,探讨了尺寸效应和各向异性对试验成果的影响。宁宇等6采用 3DEC 开展数值试验,进行柱状节理岩体随机模拟及其表征单元体尺度研究。闫东旭等7建立了柱状节理岩体三维离散元模型,对柱状节理岩体进行了三轴压缩试验数值模拟,研究柱状节理岩体宏观等效弹性模量尺寸效应。以上的数值模拟,对柱状节理岩体的尺寸效应及各向异性取得了有益的进展
15、;但尚未考虑侧压对不同规则程度的柱状节理岩体破裂机理的影响。江权等8开展柱状节理玄武岩各向异性特性的调查与试验研究。秦磊9根据现场真三轴卸载试验结果对卸载条件下柱状节理岩体的强度特性进行了研究。Xiao 等10对地下水电站柱状节理玄武岩开挖诱发的微震进行监测。胡伟等11通过现场坝基钻孔取得岩芯,对含原生隐裂隙的玄武岩试样开展单轴压缩试验,并同步采集岩样变形破坏过程中的声发射信息,结合试样的结构特征对试验结果进行系统分析。Xia 等12对白鹤滩水电站排水隧洞柱状节理玄武岩结构特征及其对纵波各向异性的影响开展研究。以上的现场试验,获得了宝贵的实际工程柱状节理体的力学特性研究资料及研究成果;但现场试
16、验的工程岩体赋存环境复杂,且在取样环节有可能受到扰动的影响。肖维民等13-14通过单轴压缩试验和三轴压缩试验得到柱状节理岩体在不同柱体倾角下的变形模量和单轴抗压强度,分析柱状节理岩体变形和强度的各向异性特性。黄巍等1结合 Voronoi 图随机模拟和 3D 打印技术制备不规则柱状节理网络模型,浇筑模型和拆模,然后分别采用白乳胶和 502 胶水作为黏结剂黏结柱体得到不规则柱状节理岩体试件,通过对其进行单轴压缩试验研究不规则柱状节理岩体强度特性和破坏模式。柯志强等15通过单轴压缩试验,研究柱体倾角和横向节理对岩体各向异性力学特性及破坏机制的3462022 年增刊 2王永艺,等:不同规则程度玄武岩柱压缩破裂机理数值模拟影响。Ji 等16采用水泥、细砂、水、减水剂,制作柱状节理岩体试件,对其开展单轴压缩试验研究,分析不同柱体倾角情况的试件强度变化及破坏特征。Xia 等17提出了一种利用 3DP 和相似常数精确重建不规则柱状节理岩体结构的合适方法,对重建后的试件开展单轴压缩试验,将其试验结果与现场试验结果进行了比较。以上的室内物理试验,在柱状节理岩体力学特性的认识上,取得了有益的研究成果;但当工