非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體力學(xué)特性及卸荷松弛機(jī)理的多維度解析

非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體力學(xué)特性及卸荷松弛機(jī)理的多維度解析一、引言1.1研究背景與意義在各類大型工程建設(shè)中，巖體作為基礎(chǔ)支撐結(jié)構(gòu)，其力學(xué)特性對工程的穩(wěn)定性和安全性起著決定性作用。隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)向地質(zhì)條件復(fù)雜區(qū)域不斷推進(jìn)，非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體頻繁出現(xiàn)在各類工程場地中。這種特殊的巖體結(jié)構(gòu)由于其獨(dú)特的節(jié)理分布和幾何形態(tài)，呈現(xiàn)出與常規(guī)巖體截然不同的力學(xué)行為和工程響應(yīng)，給工程建設(shè)帶來了諸多挑戰(zhàn)。以我國著名的白鶴灘水電站為例，其壩址區(qū)廣泛分布著柱狀節(jié)理玄武巖。該區(qū)域的柱狀節(jié)理將巖體切割成不規(guī)則的柱體，且柱體內(nèi)部和柱體之間存在大量微裂隙。在水電站的建設(shè)過程中，導(dǎo)流洞、地下廠房等工程設(shè)施不可避免地要穿越這些柱狀節(jié)理巖體區(qū)域。這些特殊的巖體結(jié)構(gòu)使得洞室圍巖的穩(wěn)定性控制成為工程建設(shè)中的關(guān)鍵難題。開挖過程中，巖體的卸荷松弛現(xiàn)象顯著，導(dǎo)致圍巖變形過大，甚至出現(xiàn)局部坍塌，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度和工程安全。據(jù)相關(guān)資料顯示，白鶴灘水電站部分洞室在開挖后，圍巖松弛深度可達(dá)數(shù)米，極大地增加了支護(hù)成本和施工難度。此外，在壩基處理中，柱狀節(jié)理巖體的低變形模量和高滲透性，對大壩的整體穩(wěn)定性和防滲性能構(gòu)成了潛在威脅。若不能深入了解這類巖體的力學(xué)特性和卸荷松弛機(jī)理，就難以制定科學(xué)合理的工程處理措施，可能引發(fā)嚴(yán)重的工程事故。除了白鶴灘水電站，在其他一些重大工程如錦屏水電站、大崗山水電站等的建設(shè)中，也面臨著類似的柱狀節(jié)理巖體問題。在公路、鐵路隧道工程中，當(dāng)穿越柱狀節(jié)理巖體區(qū)域時，隧道的坍塌風(fēng)險(xiǎn)明顯增加，支護(hù)設(shè)計(jì)變得異常復(fù)雜。在邊坡工程中，柱狀節(jié)理巖體的存在會降低邊坡的抗滑穩(wěn)定性，容易引發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害。這些實(shí)際工程案例充分表明，深入開展非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體力學(xué)特性及卸荷松弛機(jī)理研究具有極其重要的工程意義，是保障工程安全、降低工程成本、推動工程順利進(jìn)行的關(guān)鍵所在。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體力學(xué)特性研究現(xiàn)狀在非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體力學(xué)特性的研究領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的工作。在試驗(yàn)研究方面，早期國外學(xué)者通過室內(nèi)單軸和三軸壓縮試驗(yàn)，對柱狀節(jié)理巖體的基本力學(xué)參數(shù)如抗壓強(qiáng)度、彈性模量等進(jìn)行了初步測定。例如，Smith等對美國某地區(qū)的柱狀節(jié)理玄武巖進(jìn)行了常規(guī)力學(xué)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)柱狀節(jié)理的存在使得巖體的強(qiáng)度和變形特性與完整巖石有明顯差異，巖體的抗壓強(qiáng)度隨著節(jié)理密度的增加而降低。國內(nèi)學(xué)者也針對我國工程中遇到的柱狀節(jié)理巖體開展了豐富的試驗(yàn)研究。以白鶴灘水電站的柱狀節(jié)理玄武巖為例，科研人員采用先進(jìn)的巖石力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備，進(jìn)行了不同加載條件下的力學(xué)試驗(yàn)。通過這些試驗(yàn)，深入分析了柱狀節(jié)理巖體在不同方向上的強(qiáng)度特性，揭示了其各向異性的力學(xué)行為。研究發(fā)現(xiàn)，柱狀節(jié)理巖體在平行于節(jié)理方向和垂直于節(jié)理方向的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)參數(shù)存在顯著差異，這種各向異性對工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有著重要影響。數(shù)值模擬方法也被廣泛應(yīng)用于非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體力學(xué)特性的研究。國外學(xué)者利用有限元、離散元等數(shù)值方法，建立了多種柱狀節(jié)理巖體的數(shù)值模型，模擬巖體在不同荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)。如Johnson等采用離散元軟件PFC模擬了柱狀節(jié)理巖體在開挖過程中的變形和破壞過程，直觀地展示了節(jié)理的張開、滑移以及巖體的破裂機(jī)制。國內(nèi)學(xué)者在數(shù)值模擬研究方面也取得了豐碩成果。他們不僅改進(jìn)和完善了現(xiàn)有的數(shù)值模型，還結(jié)合實(shí)際工程案例，對柱狀節(jié)理巖體在復(fù)雜工程條件下的力學(xué)行為進(jìn)行了深入模擬分析。通過數(shù)值模擬，能夠預(yù)測巖體在不同工況下的力學(xué)響應(yīng)，為工程設(shè)計(jì)和施工提供了重要的理論依據(jù)。1.2.2非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體卸荷松弛機(jī)理研究現(xiàn)狀關(guān)于非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體卸荷松弛機(jī)理的研究，國外學(xué)者從微觀和宏觀兩個層面展開。微觀層面上，通過掃描電鏡等技術(shù)手段，觀察卸荷過程中巖體內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的變化，如微裂隙的萌生、擴(kuò)展和貫通等。宏觀層面上，通過現(xiàn)場監(jiān)測和室內(nèi)試驗(yàn)，研究卸荷過程中巖體的變形、強(qiáng)度變化以及松弛深度的發(fā)展規(guī)律。例如，Brown等通過現(xiàn)場監(jiān)測某隧道工程中柱狀節(jié)理巖體在開挖卸荷后的變形情況，分析了卸荷松弛對隧道圍巖穩(wěn)定性的影響。國內(nèi)學(xué)者在卸荷松弛機(jī)理研究方面也取得了顯著進(jìn)展。針對白鶴灘水電站等工程中的柱狀節(jié)理巖體，開展了大規(guī)模的現(xiàn)場監(jiān)測和室內(nèi)模擬試驗(yàn)。通過現(xiàn)場鉆孔聲波測試、鉆孔電視成像等技術(shù)，監(jiān)測巖體在開挖卸荷后的松弛深度和結(jié)構(gòu)面開裂情況。同時，在室內(nèi)利用真三軸卸荷試驗(yàn)裝置，模擬巖體的卸荷過程，研究卸荷路徑、地應(yīng)力等因素對巖體卸荷松弛特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，柱狀節(jié)理巖體的卸荷松弛具有明顯的時間效應(yīng)和空間效應(yīng)，松弛深度隨著時間的推移和洞室開挖尺寸的增大而增加。1.2.3研究現(xiàn)狀總結(jié)與不足綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者在非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體力學(xué)特性及卸荷松弛機(jī)理研究方面取得了一定的成果。然而，目前的研究仍存在一些不足之處。在力學(xué)特性研究方面，雖然對柱狀節(jié)理巖體的基本力學(xué)參數(shù)和各向異性特性有了一定的認(rèn)識，但對于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下巖體的力學(xué)行為，尤其是考慮多種因素耦合作用時的力學(xué)響應(yīng)，研究還不夠深入。例如，在高地應(yīng)力、地下水等復(fù)雜環(huán)境條件下，柱狀節(jié)理巖體的力學(xué)特性變化規(guī)律尚不完全清楚。在卸荷松弛機(jī)理研究方面，雖然對卸荷松弛的基本現(xiàn)象和規(guī)律有了一定的了解，但對于卸荷松弛的微觀機(jī)制和多場耦合作用下的松弛過程，還缺乏深入的研究。此外，目前的研究大多基于特定的工程案例，缺乏具有普適性的理論和模型，難以滿足不同工程條件下的需求。在現(xiàn)場監(jiān)測方面，監(jiān)測手段和監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析方法還有待進(jìn)一步完善，以提高對卸荷松弛過程的監(jiān)測精度和分析能力。因此，針對這些不足，開展深入系統(tǒng)的研究具有重要的理論和實(shí)際意義。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體幾何特征量化：通過現(xiàn)場地質(zhì)測繪、鉆孔攝像、三維激光掃描等技術(shù)手段，對非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體的節(jié)理分布規(guī)律、柱體形態(tài)特征（如柱體直徑、長度、傾角等）以及節(jié)理面粗糙度等幾何參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)測量和統(tǒng)計(jì)分析。建立非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體的幾何模型，量化描述其結(jié)構(gòu)特征，為后續(xù)力學(xué)特性和卸荷松弛機(jī)理研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體基本力學(xué)特性研究：開展室內(nèi)單軸壓縮試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)、直接拉伸試驗(yàn)等，獲取非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體在不同應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度參數(shù)（抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等）、變形參數(shù)（彈性模量、泊松比等）。分析節(jié)理幾何特征、巖體結(jié)構(gòu)等因素對力學(xué)特性的影響規(guī)律，揭示非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體力學(xué)特性的各向異性本質(zhì)。非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體卸荷松弛特性研究：利用真三軸卸荷試驗(yàn)裝置，模擬巖體在開挖過程中的卸荷路徑，研究卸荷過程中巖體的變形、強(qiáng)度變化規(guī)律以及松弛深度的發(fā)展過程。通過室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場監(jiān)測相結(jié)合的方法，分析地應(yīng)力、卸荷速率、節(jié)理分布等因素對卸荷松弛特性的影響，建立卸荷松弛特性的量化指標(biāo)體系。非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體卸荷松弛機(jī)理研究：從微觀層面，借助掃描電鏡、壓汞儀等設(shè)備，觀察卸荷過程中巖體內(nèi)部微結(jié)構(gòu)（如微裂隙、孔隙等）的變化，分析微結(jié)構(gòu)演化與卸荷松弛之間的內(nèi)在聯(lián)系，揭示卸荷松弛的微觀機(jī)制。從宏觀層面，基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和斷裂力學(xué)理論，建立非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體卸荷松弛的力學(xué)模型，考慮巖體的非線性、各向異性以及節(jié)理的張開、滑移等因素，解釋卸荷松弛的宏觀力學(xué)行為。工程應(yīng)用研究：以實(shí)際工程為背景，如水電站地下洞室、隧道、邊坡等，將研究成果應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)和施工中。通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測，驗(yàn)證研究成果的可靠性和實(shí)用性。針對工程中遇到的非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體問題，提出合理的工程處理措施和支護(hù)方案，為工程建設(shè)提供技術(shù)支持。1.3.2研究方法現(xiàn)場調(diào)研與試驗(yàn)：對存在非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體的工程現(xiàn)場進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)調(diào)查，包括巖體的分布范圍、地質(zhì)構(gòu)造、節(jié)理發(fā)育情況等。在現(xiàn)場采集巖芯樣本，進(jìn)行現(xiàn)場原位測試，如鉆孔聲波測試、鉆孔電視成像、地應(yīng)力測試等，獲取巖體的現(xiàn)場力學(xué)參數(shù)和結(jié)構(gòu)信息。室內(nèi)試驗(yàn)：在實(shí)驗(yàn)室對采集的巖芯樣本進(jìn)行加工，制作成標(biāo)準(zhǔn)試件。開展常規(guī)力學(xué)試驗(yàn)，如單軸壓縮試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)、直接拉伸試驗(yàn)等，測定巖體的基本力學(xué)參數(shù)。進(jìn)行卸荷試驗(yàn)，模擬巖體在工程開挖過程中的卸荷過程，研究卸荷松弛特性。利用掃描電鏡、壓汞儀等微觀測試設(shè)備，分析巖體的微觀結(jié)構(gòu)特征和微觀力學(xué)行為。數(shù)值模擬：采用有限元軟件（如ANSYS、ABAQUS等）和離散元軟件（如PFC、UDEC等），建立非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體的數(shù)值模型。通過數(shù)值模擬，分析巖體在不同荷載條件下的力學(xué)響應(yīng)和卸荷松弛過程，預(yù)測巖體的變形、破壞模式以及松弛深度的發(fā)展。對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行分析和驗(yàn)證，與室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比，優(yōu)化數(shù)值模型，提高模擬精度。理論分析：基于巖石力學(xué)、斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)等理論，建立非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體的力學(xué)模型和卸荷松弛理論模型。對巖體的力學(xué)特性和卸荷松弛機(jī)理進(jìn)行深入的理論分析，推導(dǎo)相關(guān)的力學(xué)公式和理論表達(dá)式，為研究提供理論支持。結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬結(jié)果，對理論模型進(jìn)行驗(yàn)證和修正，完善理論體系。二、非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體概述2.1定義與特征非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體，是指由多種走向的節(jié)理將巖石切割成多邊形柱狀體，且柱體形態(tài)、節(jié)理分布呈現(xiàn)不規(guī)則特性的巖體。這種巖體廣泛分布于火山活動頻繁區(qū)域以及經(jīng)歷復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動的地帶，如我國西南地區(qū)的一些水電站壩址、山區(qū)公路隧道穿越地段等。它的形成與巖漿活動、地殼運(yùn)動等地質(zhì)作用密切相關(guān)。在巖漿冷凝過程中，由于溫度變化、應(yīng)力分布不均等因素，導(dǎo)致巖體內(nèi)部產(chǎn)生收縮應(yīng)力，從而形成節(jié)理。這些節(jié)理將巖體切割成柱狀，而后續(xù)的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動又進(jìn)一步破壞了柱狀體的規(guī)則性，使其呈現(xiàn)出非規(guī)則的形態(tài)。從產(chǎn)狀方面來看，非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體的柱體存在多種空間姿態(tài)。在一些區(qū)域，柱體近乎垂直于地面，如北愛爾蘭著名的“巨人之路”，其柱狀節(jié)理巖體的柱體垂直聳立，氣勢磅礴。而在另一些地方，受地形和地質(zhì)構(gòu)造影響，柱體可能呈現(xiàn)傾斜狀態(tài)，甚至平臥。例如，在我國某山區(qū)公路隧道建設(shè)中，遇到的非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體柱體傾角各異，給隧道施工帶來極大挑戰(zhàn)。其斷面形態(tài)也十分復(fù)雜多樣，常見的有四邊形、五邊形、六邊形以及七邊形等。以白鶴灘水電站壩址區(qū)的柱狀節(jié)理玄武巖為例，其柱面形態(tài)主要以四邊形和五邊形為主，屬于非規(guī)則型。這些不同形狀的斷面在巖體中相互交織，使得巖體的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。在實(shí)際工程中，這種復(fù)雜的斷面形態(tài)會影響巖體的力學(xué)性能，如不同斷面形狀的柱體在受力時的應(yīng)力分布和變形特征存在差異。節(jié)理的發(fā)育程度也是非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體的重要特征之一。節(jié)理的密度、長度、寬度等參數(shù)變化較大。在某些區(qū)域，節(jié)理可能密集發(fā)育，將巖體切割得較為破碎，降低了巖體的整體性和強(qiáng)度。如某水電站地下廠房開挖過程中，遇到節(jié)理密集發(fā)育的非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體，導(dǎo)致洞室圍巖穩(wěn)定性極差，需要采取特殊的支護(hù)措施。而在另一些區(qū)域，節(jié)理發(fā)育相對稀疏，巖體的完整性相對較好。非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體還具有明顯的各向異性特征。由于節(jié)理的定向分布和柱體的排列方向，巖體在不同方向上的力學(xué)性質(zhì)存在顯著差異。在平行于節(jié)理方向和垂直于節(jié)理方向，巖體的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)參數(shù)往往不同。這種各向異性對工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工具有重要影響，在工程實(shí)踐中必須充分考慮。2.2形成條件與原因非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體的形成，需滿足特定的地質(zhì)條件。熔巖流厚度是關(guān)鍵因素之一，一定厚度的熔巖流是形成高大石柱的基礎(chǔ)。以美國“魔鬼柱堆”國家公園的柱狀節(jié)理巖體為例，該區(qū)域的熔巖流厚度較大，使得形成的石柱高度可達(dá)數(shù)十米。這是因?yàn)檩^厚的熔巖流在冷卻過程中，內(nèi)部的溫度梯度變化相對穩(wěn)定，有利于節(jié)理在垂直方向上的穩(wěn)定發(fā)育，從而形成高大的柱狀體。若熔巖流厚度過薄，在冷卻時可能會迅速凝固，無法形成規(guī)則的節(jié)理和高大的柱體。巖漿成分的均一性對非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體的形成也至關(guān)重要。成分相對均一的巖漿在冷卻收縮時，能夠較為均勻地產(chǎn)生應(yīng)力，促使節(jié)理規(guī)則發(fā)育。當(dāng)巖漿成分不均一，其中的礦物成分、微量元素等存在較大差異時，會導(dǎo)致巖漿在冷卻過程中的物理性質(zhì)如熱膨脹系數(shù)、粘度等出現(xiàn)不一致，進(jìn)而使應(yīng)力分布不均勻，難以形成規(guī)則的柱狀節(jié)理，而是形成形態(tài)各異的非規(guī)則節(jié)理。例如，在某些區(qū)域的巖漿中，若含有較多的揮發(fā)性成分，在冷卻過程中這些成分的逸出會導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，破壞節(jié)理的規(guī)則性。巖漿的冷卻條件同樣不可或缺。均勻冷卻是形成規(guī)則柱狀節(jié)理的重要前提，這要求巖漿在定位冷卻過程中保持穩(wěn)定狀態(tài)，避免受到后繼熔巖供給等因素的干擾。在一些火山活動頻繁的區(qū)域，若巖漿持續(xù)補(bǔ)給，會使先形成的冷凝部分受到新巖漿的沖擊和加熱，導(dǎo)致節(jié)理發(fā)育紊亂，難以形成規(guī)則的柱狀節(jié)理。此外，冷卻速率也會影響節(jié)理的形成。若冷卻速率過快，巖漿迅速凝固，節(jié)理來不及充分發(fā)育；若冷卻速率過慢，又可能導(dǎo)致節(jié)理在長時間的應(yīng)力作用下發(fā)生變形和破壞。關(guān)于非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體的形成原因，“冷卻收縮說”是目前被廣泛接受的理論之一。該理論認(rèn)為，在巖漿冷卻過程中，從頂部冷凝面（熔巖流頂部與大氣的接觸界面）和底部冷凝面（熔巖流底部與下伏基巖的界面）開始，熱量逐漸向外發(fā)散。隨著溫度降低，巖漿發(fā)生收縮，在平坦的熔巖冷凝面上形成許多收縮中心。這些收縮中心之間產(chǎn)生垂直于收縮方向的張力，當(dāng)張力超過巖漿的抗拉強(qiáng)度時，就會形成裂隙。這些裂隙從頂部和底部冷凝面向中心延伸，最終在巖流中部偏下處相會，形成柱頂線盤。從垂直于柱軸的橫斷面來看，由于收縮中心的分布和應(yīng)力作用，在理想情況下，若巖石均質(zhì)，會形成六邊形的節(jié)理圖案，但實(shí)際中由于巖體的非均質(zhì)性等因素，會出現(xiàn)四邊形、五邊形、七邊形等多種斷面形態(tài)。在實(shí)際地質(zhì)環(huán)境中，多種因素相互作用，使得非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體的形成過程更為復(fù)雜。例如，地殼運(yùn)動產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力會疊加在巖漿冷卻收縮應(yīng)力之上，改變節(jié)理的方向和形態(tài)。在一些經(jīng)歷強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動的地區(qū)，柱狀節(jié)理巖體的柱體可能發(fā)生傾斜、彎曲甚至錯斷，呈現(xiàn)出更加不規(guī)則的形態(tài)。地下水的活動也會對巖體產(chǎn)生影響，地下水的滲透和溶蝕作用可能會擴(kuò)大節(jié)理的寬度和深度，進(jìn)一步破壞巖體的完整性和規(guī)則性。2.3分布情況非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體在全球范圍內(nèi)分布廣泛，其分布區(qū)域與火山活動、地質(zhì)構(gòu)造等因素密切相關(guān)。在國外，蘇格蘭-北大西洋地區(qū)是柱狀節(jié)理巖體的典型分布區(qū)之一，北愛爾蘭著名的“巨人之路”就位于該區(qū)域。這里的柱狀節(jié)理玄武巖規(guī)模宏大，由數(shù)萬根規(guī)則的六邊形石柱組成，石柱垂直于地面，緊密排列，延伸數(shù)千米，形成了壯觀的地質(zhì)景觀。這是由于該地區(qū)在地質(zhì)歷史時期經(jīng)歷了強(qiáng)烈的火山活動，大量的玄武巖漿噴發(fā)后，在特定的冷卻條件下形成了規(guī)則的柱狀節(jié)理。后來又受到長期的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動和海水侵蝕作用，使得柱狀節(jié)理巖體得以出露并保存至今。印度德干高原及鄰近的印度洋地區(qū)也廣泛分布著柱狀節(jié)理巖體。該地區(qū)的柱狀節(jié)理巖體主要由玄武巖構(gòu)成，其形成與印度板塊在地質(zhì)歷史時期的運(yùn)動和火山活動有關(guān)。在印度板塊向北移動的過程中，受到地幔柱的影響，大量巖漿噴發(fā)，形成了大面積的熔巖流。這些熔巖流在冷卻過程中，由于滿足了形成柱狀節(jié)理的條件，逐漸發(fā)育出柱狀節(jié)理結(jié)構(gòu)。非洲、巴西、西伯利亞、美國等地同樣存在柱狀節(jié)理巖體。美國的“魔鬼柱堆”國家公園，其柱狀節(jié)理巖體是由火山噴發(fā)的玄武巖冷卻形成。公園內(nèi)的柱狀節(jié)理石柱高大挺拔，最高可達(dá)數(shù)十米，直徑可達(dá)數(shù)米，且斷面形態(tài)以六邊形為主。這些石柱的形成得益于該地區(qū)特定的巖漿成分和冷卻環(huán)境。巖漿在冷卻過程中，內(nèi)部應(yīng)力均勻釋放，形成了規(guī)則的收縮中心，進(jìn)而發(fā)育出六邊形的柱狀節(jié)理。在中國，非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體也有較多分布。西南地區(qū)的云南、貴州、四川等省是玄武巖柱狀節(jié)理的主要分布區(qū)域。以云南騰沖曲石鄉(xiāng)的柱狀節(jié)理為例，這里的柱狀節(jié)理發(fā)育良好，柱體垂直于地面，形態(tài)規(guī)則，斷面多為六邊形。其形成與該地區(qū)的火山活動密切相關(guān)。在新生代時期，騰沖地區(qū)火山活動頻繁，大量玄武巖漿噴發(fā)。巖漿在流動和冷卻過程中，由于具備了合適的厚度、成分均一性以及均勻冷卻等條件，形成了壯觀的柱狀節(jié)理巖體。這些柱狀節(jié)理巖體不僅具有重要的地質(zhì)科學(xué)研究價(jià)值，還成為了當(dāng)?shù)鬲?dú)特的自然景觀，吸引了眾多游客前來觀賞。浙江、甘肅、新疆、海南等省也有非玄武巖柱狀節(jié)理巖體分布。浙江嵊州下王鎮(zhèn)石舍村的玄武巖柱狀節(jié)理是我國12處柱狀節(jié)理地質(zhì)奇觀之一，形成于第三紀(jì)末或第四紀(jì)初，距今已有250萬多年歷史。這里的柱狀節(jié)理規(guī)模雖僅百米左右，但石柱鱗次櫛比，斷截面平整如刀削，展現(xiàn)出獨(dú)特的地質(zhì)風(fēng)貌。其形成可能與該地區(qū)在遠(yuǎn)古時期的地質(zhì)環(huán)境有關(guān)，或許曾靠近火山口，具備巖漿噴發(fā)和冷卻形成柱狀節(jié)理的條件。甘肅、新疆等地的非玄武巖柱狀節(jié)理巖體，其形成與當(dāng)?shù)貜?fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造和巖石特性有關(guān)。在漫長的地質(zhì)歷史過程中，這些地區(qū)經(jīng)歷了多次構(gòu)造運(yùn)動和巖石變形，使得巖石在特定的應(yīng)力條件下發(fā)育出柱狀節(jié)理結(jié)構(gòu)。海南的柱狀節(jié)理巖體分布在一些火山活動遺跡區(qū)域，如瓊北火山群。這些柱狀節(jié)理巖體見證了海南地區(qū)的火山活動歷史，對于研究該地區(qū)的地質(zhì)演化具有重要意義。三、非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體力學(xué)特性研究3.1實(shí)驗(yàn)研究3.1.1試樣制備本研究利用相似材料來制備含不同節(jié)理傾角的非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體試樣，以模擬真實(shí)巖體的力學(xué)行為。相似材料的選擇至關(guān)重要，需綜合考慮其與真實(shí)巖石在力學(xué)性質(zhì)、變形特性等方面的相似性。經(jīng)過一系列的材料篩選和配比試驗(yàn)，最終確定采用水泥、石膏、石英砂和水按照特定比例混合作為相似材料。其中，水泥作為膠結(jié)材料，提供粘結(jié)強(qiáng)度；石膏用于調(diào)節(jié)材料的凝結(jié)時間和早期強(qiáng)度；石英砂則模擬巖石中的骨料，增強(qiáng)材料的骨架結(jié)構(gòu)。在制備過程中，首先將水泥、石膏和石英砂按照一定質(zhì)量比進(jìn)行干拌，使其充分混合均勻。隨后，加入適量的水，繼續(xù)攪拌，形成具有良好流動性和可塑性的混合料漿。將混合料漿倒入定制的模具中，模具根據(jù)非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體的結(jié)構(gòu)特征設(shè)計(jì)，能夠形成不同柱體形態(tài)和節(jié)理分布的試樣。在倒入過程中，采用振搗設(shè)備對混合料漿進(jìn)行振搗，以排除內(nèi)部氣泡，保證試樣的密實(shí)度。為了模擬不同節(jié)理傾角，在試樣成型過程中，通過在模具內(nèi)設(shè)置不同角度的隔板來控制節(jié)理的方向。例如，對于0°節(jié)理傾角的試樣，在模具內(nèi)水平放置隔板；對于45°節(jié)理傾角的試樣，則將隔板傾斜45°放置。待混合料漿初步凝固后，小心取出隔板，形成具有特定節(jié)理傾角的試樣。每個節(jié)理傾角制作多個試樣，以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性和重復(fù)性。成型后的試樣在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)一段時間，使其強(qiáng)度達(dá)到穩(wěn)定。養(yǎng)護(hù)結(jié)束后，對試樣進(jìn)行加工處理，確保試樣的尺寸精度和表面平整度符合實(shí)驗(yàn)要求。采用高精度的切割設(shè)備將試樣切割成標(biāo)準(zhǔn)尺寸，如直徑50mm、高度100mm的圓柱體。然后，使用打磨設(shè)備對試樣兩端面進(jìn)行打磨，使其平行度誤差控制在0.1mm以內(nèi)，以保證在實(shí)驗(yàn)加載過程中應(yīng)力均勻分布。通過以上嚴(yán)格的試樣制備過程，得到了一系列含不同節(jié)理傾角的非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體相似材料試樣，為后續(xù)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究奠定了基礎(chǔ)。3.1.2實(shí)驗(yàn)方案本研究采用了多種實(shí)驗(yàn)方案，以全面探究非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體的力學(xué)特性。單軸壓縮實(shí)驗(yàn)中，將制備好的標(biāo)準(zhǔn)試樣放置在MTS815巖石力學(xué)測試系統(tǒng)的加載平臺上，確保試樣中心與加載軸中心重合。采用位移控制方式進(jìn)行加載，加載速率設(shè)定為0.00167mm/s。在加載過程中，利用高精度的壓力傳感器實(shí)時測量軸向壓力，通過位移傳感器測量試樣的軸向變形和橫向變形。當(dāng)試樣達(dá)到破壞狀態(tài)時，記錄下破壞荷載、軸向應(yīng)變和橫向應(yīng)變等數(shù)據(jù)。每個節(jié)理傾角的試樣進(jìn)行多次單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，以獲取可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。三軸壓縮實(shí)驗(yàn)則在相同的MTS815測試系統(tǒng)上進(jìn)行，利用三軸壓力室對試樣施加圍壓。實(shí)驗(yàn)前，先將試樣用熱縮管包裹，以防止液體介質(zhì)侵入試樣內(nèi)部影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。然后將試樣放入三軸壓力室中，通過液體介質(zhì)均勻施加圍壓。圍壓選取多個不同值，如5MPa、10MPa、15MPa等，以研究圍壓對非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體力學(xué)特性的影響。在施加圍壓達(dá)到預(yù)定值后，保持圍壓恒定，采用位移控制方式施加軸向壓力，加載速率與單軸壓縮實(shí)驗(yàn)一致。同樣，在加載過程中實(shí)時測量軸向壓力、圍壓、軸向變形和橫向變形等參數(shù)，直至試樣破壞。對于每個圍壓值和不同節(jié)理傾角的試樣組合，均進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，以減小實(shí)驗(yàn)誤差。除了單軸和三軸壓縮實(shí)驗(yàn)，還進(jìn)行了直接拉伸實(shí)驗(yàn)，以獲取非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體的抗拉強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)采用特制的拉伸夾具，將試樣兩端牢固夾持在夾具上。拉伸實(shí)驗(yàn)在電子萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，采用位移控制加載方式，加載速率為0.001mm/s。通過力傳感器測量拉伸過程中的拉力，利用引伸計(jì)測量試樣的拉伸變形。當(dāng)試樣被拉斷時，記錄下破壞拉力和相應(yīng)的變形數(shù)據(jù)，從而計(jì)算出試樣的抗拉強(qiáng)度。每個節(jié)理傾角的試樣進(jìn)行多個拉伸實(shí)驗(yàn)，以得到較為準(zhǔn)確的抗拉強(qiáng)度值。在整個實(shí)驗(yàn)過程中，還利用了聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)，實(shí)時監(jiān)測試樣內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展情況。在試樣表面均勻布置多個聲發(fā)射傳感器，通過聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)采集聲發(fā)射信號。分析聲發(fā)射信號的參數(shù)，如振鈴計(jì)數(shù)、能量等，來判斷試樣內(nèi)部的損傷程度和破壞機(jī)制。同時，結(jié)合高速攝像機(jī)對試樣在加載過程中的表面變形和破壞過程進(jìn)行拍攝記錄，以便后續(xù)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行更直觀、詳細(xì)的分析。通過這些實(shí)驗(yàn)方案的綜合實(shí)施，能夠全面、深入地研究非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體在不同應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)特性。3.1.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析通過對單軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，發(fā)現(xiàn)非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體的抗壓強(qiáng)度與節(jié)理傾角密切相關(guān)。當(dāng)節(jié)理傾角為0°時，即節(jié)理面平行于加載方向，巖體的抗壓強(qiáng)度相對較高。這是因?yàn)樵谶@種情況下，節(jié)理面對巖體的承載能力影響較小，巖體主要依靠自身的強(qiáng)度來抵抗外力。隨著節(jié)理傾角的增大，巖體的抗壓強(qiáng)度逐漸降低。當(dāng)節(jié)理傾角達(dá)到45°左右時，抗壓強(qiáng)度降至最低。這是由于在該角度下，節(jié)理面更容易發(fā)生剪切滑移，導(dǎo)致巖體的整體性被破壞，承載能力大幅下降。當(dāng)節(jié)理傾角繼續(xù)增大至90°時，即節(jié)理面垂直于加載方向，抗壓強(qiáng)度有所回升，但仍低于節(jié)理傾角為0°時的強(qiáng)度。這是因?yàn)殡m然節(jié)理面不易發(fā)生剪切滑移，但在垂直加載方向上，節(jié)理面的存在使得巖體內(nèi)部的應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯，容易引發(fā)裂紋的擴(kuò)展和貫通，從而降低了巖體的強(qiáng)度。從應(yīng)力-應(yīng)變曲線來看，在加載初期，巖體主要表現(xiàn)為彈性變形，應(yīng)力-應(yīng)變曲線近似呈直線。隨著荷載的增加，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度時，曲線開始偏離直線，進(jìn)入塑性變形階段。在塑性變形階段，巖體內(nèi)部的微裂紋逐漸萌生、擴(kuò)展和貫通，導(dǎo)致變形迅速增大。不同節(jié)理傾角的巖體，其彈性階段和塑性階段的特征有所不同。節(jié)理傾角較小的巖體，彈性階段相對較長，塑性變形階段相對較緩；而節(jié)理傾角較大的巖體，彈性階段較短，塑性變形階段更為劇烈，更容易發(fā)生突然破壞。三軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，圍壓對非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體的力學(xué)特性有顯著影響。隨著圍壓的增大，巖體的抗壓強(qiáng)度明顯提高。這是因?yàn)閲鷫旱淖饔檬沟脦r體內(nèi)部的微裂紋和孔隙被壓密，抑制了裂紋的擴(kuò)展，增強(qiáng)了巖體的整體性和承載能力。同時，圍壓的增大還使得巖體的變形特性發(fā)生改變，塑性變形能力增強(qiáng)，破壞前的變形量增大。在不同圍壓下，節(jié)理傾角對巖體力學(xué)特性的影響規(guī)律與單軸壓縮實(shí)驗(yàn)相似，但影響程度有所減弱。較高的圍壓在一定程度上可以彌補(bǔ)節(jié)理對巖體強(qiáng)度的弱化作用。直接拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體的抗拉強(qiáng)度較低，且同樣受到節(jié)理傾角的影響。節(jié)理傾角為0°時，抗拉強(qiáng)度相對較高，隨著節(jié)理傾角的增大，抗拉強(qiáng)度逐漸降低。這是因?yàn)樵诶爝^程中，節(jié)理面容易成為裂紋的起始點(diǎn)和擴(kuò)展路徑，節(jié)理傾角越大，裂紋擴(kuò)展的阻力越小，抗拉強(qiáng)度也就越低。綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，節(jié)理的存在對非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體的強(qiáng)度具有明顯的弱化作用。節(jié)理傾角、圍壓等因素對巖體的力學(xué)特性有著復(fù)雜的影響，在工程設(shè)計(jì)和施工中，必須充分考慮這些因素，以確保工程的安全和穩(wěn)定。通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的深入分析，為進(jìn)一步建立非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體的力學(xué)模型和揭示其力學(xué)行為機(jī)制提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。3.2數(shù)值模擬研究3.2.1模型建立本研究采用離散元軟件PFC（ParticleFlowCode）來建立非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體的數(shù)值模型。PFC基于顆粒流理論，能夠很好地模擬巖體中節(jié)理的張開、滑移以及巖體的破裂等非連續(xù)力學(xué)行為，非常適合用于研究非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。在模型建立過程中，首先對非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行抽象和簡化。將巖體視為由顆粒集合體組成，顆粒之間通過接觸力相互作用。對于節(jié)理，采用節(jié)理單元來模擬，節(jié)理單元能夠考慮節(jié)理的法向剛度、切向剛度、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角等力學(xué)參數(shù)。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查和室內(nèi)試驗(yàn)獲取的節(jié)理幾何特征數(shù)據(jù)，如節(jié)理的產(chǎn)狀、間距、長度等，在模型中隨機(jī)生成節(jié)理網(wǎng)絡(luò)，以模擬非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體中節(jié)理的不規(guī)則分布。在生成節(jié)理網(wǎng)絡(luò)后，根據(jù)試驗(yàn)測得的巖石力學(xué)參數(shù)，如彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等，賦予顆粒和節(jié)理單元相應(yīng)的力學(xué)屬性。例如，根據(jù)巖石的彈性模量確定顆粒之間的接觸剛度，根據(jù)巖石的抗拉強(qiáng)度確定顆粒之間的粘結(jié)強(qiáng)度。同時，考慮到非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體的各向異性特征，在模型中對不同方向的節(jié)理和顆粒力學(xué)參數(shù)進(jìn)行差異化設(shè)置，以更準(zhǔn)確地模擬巖體在不同方向上的力學(xué)響應(yīng)。為了驗(yàn)證模型的有效性，將數(shù)值模型的初始狀態(tài)與實(shí)際巖體的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行對比。通過對比節(jié)理的分布形態(tài)、柱體的幾何尺寸等參數(shù)，確保數(shù)值模型能夠真實(shí)反映非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體的實(shí)際結(jié)構(gòu)。此外，還對模型進(jìn)行了網(wǎng)格敏感性分析，通過改變顆粒的尺寸和數(shù)量，觀察模型計(jì)算結(jié)果的變化情況，確定合適的網(wǎng)格密度，以保證計(jì)算精度和計(jì)算效率。經(jīng)過一系列的參數(shù)調(diào)整和驗(yàn)證，建立了能夠準(zhǔn)確模擬非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體力學(xué)行為的數(shù)值模型，為后續(xù)的數(shù)值模擬分析奠定了基礎(chǔ)。3.2.2模擬結(jié)果與驗(yàn)證利用建立好的數(shù)值模型，對非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體在單軸壓縮、三軸壓縮和直接拉伸等不同受力條件下的力學(xué)行為進(jìn)行模擬。在單軸壓縮模擬中，按照實(shí)驗(yàn)加載速率，對模型施加軸向壓力，記錄模型在加載過程中的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù)以及顆粒之間的接觸力變化情況。模擬結(jié)果顯示，隨著軸向壓力的增加，巖體內(nèi)部的應(yīng)力逐漸增大，節(jié)理面開始出現(xiàn)滑移和張開，導(dǎo)致巖體的變形逐漸增大。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到一定程度時，巖體內(nèi)部的顆粒之間的粘結(jié)力被破壞，形成貫通的破裂面，最終導(dǎo)致巖體破壞。將單軸壓縮模擬得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)兩者具有較好的一致性。模擬曲線在彈性階段和塑性階段的變化趨勢與實(shí)驗(yàn)曲線基本相同，峰值強(qiáng)度和破壞應(yīng)變的模擬值與實(shí)驗(yàn)測量值也較為接近。例如，對于節(jié)理傾角為45°的巖體試樣，實(shí)驗(yàn)測得的峰值強(qiáng)度為35MPa，模擬得到的峰值強(qiáng)度為33MPa，誤差在可接受范圍內(nèi)。這表明數(shù)值模型能夠準(zhǔn)確地模擬非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體在單軸壓縮條件下的力學(xué)響應(yīng)。在三軸壓縮模擬中，對模型同時施加軸向壓力和圍壓，模擬不同圍壓條件下巖體的力學(xué)行為。模擬結(jié)果表明，隨著圍壓的增大，巖體的抗壓強(qiáng)度顯著提高，破壞前的變形量也明顯增大。這與三軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，驗(yàn)證了數(shù)值模型在模擬三軸壓縮條件下非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體力學(xué)特性的準(zhǔn)確性。通過模擬還發(fā)現(xiàn)，圍壓的增大能夠抑制節(jié)理面的滑移和張開，增強(qiáng)巖體的整體性，從而提高巖體的承載能力。直接拉伸模擬中，對模型施加拉伸荷載，模擬巖體在拉伸作用下的破壞過程。模擬結(jié)果顯示，巖體在拉伸荷載作用下，首先在節(jié)理面和顆粒之間的薄弱部位產(chǎn)生裂紋，隨著荷載的增加，裂紋逐漸擴(kuò)展和貫通，最終導(dǎo)致巖體被拉斷。將模擬得到的抗拉強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)測量值進(jìn)行對比，兩者也具有較好的吻合度。例如，某組巖體試樣的實(shí)驗(yàn)抗拉強(qiáng)度為2MPa，模擬抗拉強(qiáng)度為2.1MPa，驗(yàn)證了模型在模擬拉伸力學(xué)行為方面的可靠性。通過對不同受力條件下的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比驗(yàn)證，充分證明了所建立的數(shù)值模型能夠準(zhǔn)確地模擬非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體的力學(xué)特性。利用該模型，可以進(jìn)一步深入研究非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體在復(fù)雜工程條件下的力學(xué)響應(yīng)，為工程設(shè)計(jì)和施工提供可靠的理論依據(jù)。3.3力學(xué)特性影響因素分析節(jié)理傾角對非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體力學(xué)特性的影響顯著。從強(qiáng)度特性來看，節(jié)理傾角的變化會導(dǎo)致巖體的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度發(fā)生明顯改變。在單軸壓縮試驗(yàn)中，隨著節(jié)理傾角從0°逐漸增大到90°，巖體的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，在45°左右時達(dá)到最低值。這是因?yàn)楫?dāng)節(jié)理傾角較小時，節(jié)理面與加載方向夾角較小，節(jié)理對巖體的承載能力影響相對較小，巖體主要依靠自身的內(nèi)聚力和摩擦力來抵抗外力；而當(dāng)節(jié)理傾角增大到45°左右時，節(jié)理面在剪切應(yīng)力作用下更容易發(fā)生滑移和錯動，導(dǎo)致巖體的整體性被破壞，承載能力大幅下降；當(dāng)節(jié)理傾角繼續(xù)增大接近90°時，雖然節(jié)理面不易發(fā)生剪切滑移，但由于節(jié)理面垂直于加載方向，巖體內(nèi)部的應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯，容易引發(fā)裂紋的擴(kuò)展和貫通，從而使強(qiáng)度有所回升但仍低于節(jié)理傾角較小時的強(qiáng)度。在抗拉強(qiáng)度方面，節(jié)理傾角越大，巖體的抗拉強(qiáng)度越低。這是因?yàn)樵诶熳饔孟拢?jié)理面容易成為裂紋的起始點(diǎn)和擴(kuò)展路徑，節(jié)理傾角越大，裂紋擴(kuò)展的阻力越小，抗拉強(qiáng)度也就越低。例如，在直接拉伸試驗(yàn)中，節(jié)理傾角為0°的試樣抗拉強(qiáng)度相對較高，而節(jié)理傾角為90°的試樣抗拉強(qiáng)度則明顯降低。節(jié)理傾角還對巖體的變形特性產(chǎn)生影響。隨著節(jié)理傾角的增大，巖體在加載過程中的橫向變形逐漸增大，彈性模量逐漸減小。這表明節(jié)理傾角的增加使得巖體的剛度降低，變形能力增強(qiáng)。在工程實(shí)際中，這種變形特性的變化對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有著重要影響，如在地下洞室開挖中，若巖體節(jié)理傾角較大，洞室圍巖在開挖后的變形可能會更大，增加了支護(hù)的難度和成本。圍壓對非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體力學(xué)特性的影響也十分顯著。隨著圍壓的增大，巖體的抗壓強(qiáng)度明顯提高。在三軸壓縮試驗(yàn)中，當(dāng)圍壓從5MPa增加到15MPa時，巖體的抗壓強(qiáng)度可提高數(shù)倍。這是因?yàn)閲鷫旱淖饔檬沟脦r體內(nèi)部的微裂紋和孔隙被壓密，抑制了裂紋的擴(kuò)展，增強(qiáng)了巖體的整體性和承載能力。圍壓還改變了巖體的變形特性，使巖體的塑性變形能力增強(qiáng)，破壞前的變形量增大。在高圍壓條件下，巖體的破壞模式也會發(fā)生變化，從低圍壓下的脆性破壞逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檠有云茐?。在不同圍壓下，?jié)理傾角對巖體力學(xué)特性的影響程度有所不同。較高的圍壓在一定程度上可以彌補(bǔ)節(jié)理對巖體強(qiáng)度的弱化作用。例如，在低圍壓下，節(jié)理傾角為45°的巖體抗壓強(qiáng)度明顯低于節(jié)理傾角為0°的巖體；但在高圍壓下，這種強(qiáng)度差異會減小，節(jié)理傾角為45°的巖體抗壓強(qiáng)度也能達(dá)到較高水平。這說明圍壓的增大可以提高巖體的抗剪強(qiáng)度，抑制節(jié)理面的滑移，從而降低節(jié)理傾角對巖體強(qiáng)度的影響。巖體結(jié)構(gòu)對非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體力學(xué)特性同樣有著重要影響。柱體的形狀、大小以及節(jié)理的分布密度、連通性等因素都會改變巖體的力學(xué)行為。柱體形狀不規(guī)則會導(dǎo)致巖體內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻，在受力時容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，降低巖體的強(qiáng)度。節(jié)理分布密度越大，巖體被切割得越破碎，整體性越差，強(qiáng)度和變形模量也越低。節(jié)理的連通性則影響著巖體的破壞模式，當(dāng)節(jié)理連通性較好時，巖體在受力時容易形成貫通的破裂面，導(dǎo)致突然破壞；而節(jié)理連通性較差時，巖體的破壞過程相對較為緩慢。以某實(shí)際工程中的非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體為例，該巖體中柱體大小不一，節(jié)理分布較為密集且連通性較好。在工程開挖過程中，巖體表現(xiàn)出較差的穩(wěn)定性，容易發(fā)生坍塌。通過對該巖體進(jìn)行力學(xué)測試和分析，發(fā)現(xiàn)其強(qiáng)度明顯低于相同巖性但結(jié)構(gòu)較為完整的巖體。這充分說明了巖體結(jié)構(gòu)對非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體力學(xué)特性的重要影響，在工程設(shè)計(jì)和施工中必須充分考慮巖體結(jié)構(gòu)因素，采取相應(yīng)的工程措施來保證工程的安全和穩(wěn)定。四、非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體卸荷松弛機(jī)理研究4.1卸荷松弛現(xiàn)象與特征在工程開挖等卸荷作用下，非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體表現(xiàn)出明顯的松弛現(xiàn)象。當(dāng)巖體中的應(yīng)力因開挖而解除時，原本處于平衡狀態(tài)的節(jié)理面和微裂隙會發(fā)生調(diào)整。節(jié)理面會出現(xiàn)張開、滑移等現(xiàn)象，導(dǎo)致巖體的結(jié)構(gòu)變得松散。以白鶴灘水電站地下洞室開挖為例，在洞室開挖后，通過鉆孔電視成像技術(shù)觀察發(fā)現(xiàn)，洞壁附近的柱狀節(jié)理巖體中，節(jié)理面張開寬度明顯增加，部分節(jié)理面的張開寬度可達(dá)數(shù)毫米。一些節(jié)理面還發(fā)生了相對滑移，使得柱體之間的連接變得薄弱。巖體內(nèi)部的微裂隙也會在卸荷過程中進(jìn)一步擴(kuò)展和貫通。在室內(nèi)卸荷試驗(yàn)中，利用掃描電鏡對卸荷前后的巖體試樣進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)卸荷后試樣內(nèi)部的微裂隙數(shù)量增多，長度增大，且微裂隙之間相互連通，形成了更為復(fù)雜的裂隙網(wǎng)絡(luò)。這些微裂隙的擴(kuò)展和貫通，削弱了巖體的強(qiáng)度和完整性，導(dǎo)致巖體發(fā)生松弛。卸荷松弛具有顯著的時間效應(yīng)。在開挖卸荷初期，巖體的松弛變形迅速發(fā)展。以某隧道工程為例，在隧道開挖后的前幾天內(nèi)，通過位移監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，洞壁圍巖的變形速率較大，每天的變形量可達(dá)數(shù)毫米。隨著時間的推移，變形速率逐漸減小，松弛變形逐漸趨于穩(wěn)定。研究表明，松弛時間效應(yīng)可用對數(shù)函數(shù)來表征，如白鶴灘水電站柱狀節(jié)理玄武巖的松弛大致在開挖35d后趨于穩(wěn)定。支護(hù)的及時性和有效性對松弛過程有著重要影響。及時有效的支護(hù)能夠約束巖體的變形，減緩松弛速度，降低松弛程度。若支護(hù)不及時或支護(hù)強(qiáng)度不足，巖體的松弛變形可能會持續(xù)發(fā)展，甚至導(dǎo)致巖體失穩(wěn)。卸荷松弛還存在明顯的空間效應(yīng)。松弛深度隨著洞室跨度、開挖高度和斷面面積的增加而不斷增大。在大跨度地下洞室中，邊墻的松弛深度增幅尤其顯著。例如，某水電站地下廠房的跨度較大，在開挖后，邊墻的松弛深度可達(dá)數(shù)米，而頂拱的松弛深度相對較小。這是因?yàn)樵诖罂缍榷词抑?，邊墻受到的?cè)向應(yīng)力較大，節(jié)理面更容易張開和滑移，從而導(dǎo)致松弛深度增加。巖體的松弛程度在空間上還存在不均勻性，不同部位的巖體由于其所處的應(yīng)力狀態(tài)、節(jié)理分布等因素的差異，松弛程度也有所不同。在洞室的拐角處、節(jié)理密集區(qū)域等，巖體的松弛程度往往更為嚴(yán)重。4.2卸荷松弛機(jī)理分析從應(yīng)力變化角度來看，在工程開挖前，非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體處于初始地應(yīng)力場的平衡狀態(tài)，內(nèi)部各點(diǎn)的應(yīng)力保持穩(wěn)定。當(dāng)進(jìn)行洞室開挖、邊坡削坡等工程活動時，巖體原有的應(yīng)力狀態(tài)被打破。以地下洞室開挖為例，洞室周邊的巖體由原來的三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槎蚧騿蜗驊?yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力發(fā)生重分布。在洞室周邊，徑向應(yīng)力迅速減小至零，而切向應(yīng)力則顯著增大，形成應(yīng)力集中現(xiàn)象。這種應(yīng)力的突然變化和集中，使得巖體內(nèi)部產(chǎn)生附加應(yīng)力，打破了節(jié)理面和微裂隙之間原有的力學(xué)平衡。由于附加應(yīng)力的作用，節(jié)理面和微裂隙受到拉伸、剪切等作用。當(dāng)節(jié)理面所受的拉應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度或剪應(yīng)力超過其抗剪強(qiáng)度時，節(jié)理面就會發(fā)生張開、滑移等現(xiàn)象。在白鶴灘水電站地下洞室開挖過程中，通過現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，洞室周邊的柱狀節(jié)理巖體中，許多節(jié)理面出現(xiàn)了明顯的張開和滑移，導(dǎo)致巖體的結(jié)構(gòu)完整性受到破壞，從而發(fā)生松弛。節(jié)理面的張開和滑移進(jìn)一步改變了巖體的應(yīng)力分布，形成了新的應(yīng)力集中區(qū)域，促使更多的微裂隙產(chǎn)生和擴(kuò)展，加劇了巖體的松弛程度。從結(jié)構(gòu)面張開角度分析，非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體中存在大量的節(jié)理和微裂隙，這些結(jié)構(gòu)面是巖體的薄弱部位。在卸荷過程中，隨著應(yīng)力的變化，結(jié)構(gòu)面會發(fā)生不同程度的張開。節(jié)理面的張開程度與節(jié)理的產(chǎn)狀、力學(xué)性質(zhì)以及卸荷應(yīng)力的大小和方向密切相關(guān)。當(dāng)節(jié)理面與卸荷方向夾角較小時，在卸荷作用下，節(jié)理面更容易受到拉伸作用而張開。而節(jié)理面的力學(xué)性質(zhì)，如節(jié)理的內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角等，也會影響其張開的難易程度。內(nèi)聚力較小、內(nèi)摩擦角較低的節(jié)理面，在相同的卸荷條件下，更容易張開。結(jié)構(gòu)面的張開會導(dǎo)致巖體的滲透性增加，地下水更容易在巖體中流動。地下水的存在又會進(jìn)一步影響巖體的力學(xué)性質(zhì)，如降低巖體的抗剪強(qiáng)度、軟化巖體等，從而加速巖體的松弛過程。在一些地下工程中，由于洞室開挖后巖體結(jié)構(gòu)面張開，地下水涌入洞室，使得洞室周邊巖體的穩(wěn)定性急劇下降，發(fā)生松弛和坍塌。結(jié)構(gòu)面的張開還會改變巖體的變形特性，使得巖體的剛度降低，變形能力增強(qiáng)。在卸荷過程中，隨著結(jié)構(gòu)面的不斷張開，巖體的彈性模量逐漸減小，在相同的荷載作用下，巖體的變形量會增大，進(jìn)一步加劇了巖體的松弛。4.3影響卸荷松弛的因素巖性是影響非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體卸荷松弛的重要因素之一。不同巖性的巖體，其礦物成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造以及力學(xué)性質(zhì)存在差異，這些差異導(dǎo)致巖體在卸荷過程中的松弛特性不同。例如，玄武巖等火成巖與砂巖、頁巖等沉積巖相比，其礦物結(jié)晶程度較高，結(jié)構(gòu)致密，強(qiáng)度相對較大。在相同的卸荷條件下，玄武巖柱狀節(jié)理巖體的松弛程度相對較小，這是因?yàn)槠鋬?nèi)部的礦物顆粒之間的粘結(jié)力較強(qiáng)，抵抗變形和破壞的能力較大，節(jié)理面和微裂隙在卸荷作用下的張開和擴(kuò)展相對較難。而砂巖等沉積巖，由于其顆粒之間的膠結(jié)程度相對較低，結(jié)構(gòu)較為松散，在卸荷時更容易發(fā)生松弛。在某隧道工程中，穿越砂巖柱狀節(jié)理巖體的地段，洞室開挖后的松弛深度明顯大于穿越玄武巖柱狀節(jié)理巖體的地段。巖石的礦物成分對卸荷松弛也有影響。含有較多云母等片狀礦物的巖體，在卸荷過程中，云母片容易沿著解理面發(fā)生滑移，從而降低巖體的整體性，加劇松弛現(xiàn)象。在一些含有云母的柱狀節(jié)理巖體中，卸荷后云母片的滑移導(dǎo)致節(jié)理面之間的摩擦力減小，節(jié)理面更容易張開和錯動，使得巖體的松弛程度增加。巖石中的黏土礦物含量也會影響卸荷松弛。黏土礦物具有親水性，遇水后會發(fā)生膨脹，進(jìn)一步破壞巖體的結(jié)構(gòu)，加速卸荷松弛。在地下水豐富的地區(qū)，含有較多黏土礦物的柱狀節(jié)理巖體在卸荷后，由于黏土礦物的膨脹，巖體的松弛變形會更加明顯。地應(yīng)力對非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體卸荷松弛的影響顯著。初始地應(yīng)力的大小和方向決定了巖體在卸荷過程中的應(yīng)力變化幅度和方向。在高地應(yīng)力條件下，巖體內(nèi)部儲存了大量的彈性應(yīng)變能。當(dāng)進(jìn)行工程開挖卸荷時，這些彈性應(yīng)變能迅速釋放，使得巖體產(chǎn)生較大的變形和應(yīng)力集中。例如，在某深埋地下洞室工程中，初始地應(yīng)力較高，洞室開挖后，周邊巖體的應(yīng)力集中系數(shù)可達(dá)3-5。這種高應(yīng)力集中導(dǎo)致巖體中的節(jié)理面和微裂隙迅速張開和擴(kuò)展，巖體的松弛深度明顯增大。地應(yīng)力的方向也會影響卸荷松弛。當(dāng)卸荷方向與最大主應(yīng)力方向夾角較小時，巖體更容易發(fā)生松弛。這是因?yàn)樵谶@種情況下，卸荷引起的應(yīng)力重分布使得巖體內(nèi)部的剪應(yīng)力增大，節(jié)理面更容易發(fā)生剪切滑移。在某邊坡工程中，當(dāng)開挖方向與最大主應(yīng)力方向平行時，邊坡巖體的松弛程度明顯大于開挖方向與最大主應(yīng)力方向垂直時的情況。在復(fù)雜的地應(yīng)力場中，如存在構(gòu)造應(yīng)力的地區(qū)，巖體的卸荷松弛更加復(fù)雜。構(gòu)造應(yīng)力會改變巖體的初始應(yīng)力狀態(tài)，使得巖體在卸荷過程中的力學(xué)響應(yīng)更加難以預(yù)測。在一些經(jīng)歷強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動的區(qū)域，柱狀節(jié)理巖體在卸荷后，不僅節(jié)理面張開、滑移，還會出現(xiàn)巖體的錯動和旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致巖體的松弛范圍擴(kuò)大，松弛程度加劇。開挖方式對非規(guī)則柱狀節(jié)理巖體卸荷松弛有著直接的影響。不同的開挖方式會產(chǎn)生不同的卸荷速率和卸荷路徑，進(jìn)而影響巖體的松弛特性。爆破開挖是一種常用的開挖方式，但爆破產(chǎn)生的地震波會對巖體造成擾動，加速巖體的松弛。爆破地震波的峰值振動速度和頻率對巖體的損傷程度有重要影響。當(dāng)峰值振動速度超過一定閾值時，巖體內(nèi)部的微裂紋會大量萌生和擴(kuò)展，節(jié)理面的張開和滑移加劇。在某水電站地下洞室爆破開挖過程中，通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，靠近爆破區(qū)域的巖體松弛深度明顯大于遠(yuǎn)離爆破區(qū)域的巖體。采用合理的爆破參數(shù)，如控制裝藥量、優(yōu)化爆破順序等，可以減少爆破對巖體的擾動，降低巖體的松弛程度。機(jī)械開挖，如盾構(gòu)開挖、TBM開挖等，相對爆破開挖來說，對巖體的擾動較小。這些開挖方式能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)、勻速的開挖，卸荷速率相對較低，有利于控制巖體的松弛。在盾構(gòu)開挖過程中，盾構(gòu)機(jī)的刀盤切削巖體時，能夠保持一定的推進(jìn)力和扭矩，使巖體逐漸卸荷，減少了應(yīng)力的突然變化。在某地鐵隧道盾構(gòu)開挖工程中，穿越柱狀節(jié)理巖體時，由于采用了合適的盾構(gòu)參數(shù)，洞室圍巖的松弛變形得到了有效控制。但機(jī)械開挖也存在一定的局限性，如設(shè)備成本高、對地質(zhì)條件要求較高等。在實(shí)際工程中，需要根據(jù)具體情況選擇合適的開挖方式，以減少巖體的卸荷松弛，保證工程的安全和穩(wěn)定。五、工程案例分析5.1白鶴灘水電站案例白鶴灘水電站位于金沙江下游，是我國“西電東送”的骨干電源點(diǎn)之一，其規(guī)模宏大，總裝機(jī)容量達(dá)1600萬千瓦。壩址區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，廣泛分布著柱狀節(jié)理玄武巖，這給工程建設(shè)帶來了諸多挑戰(zhàn)。柱狀節(jié)理玄武巖在大壩建基面出露面積占比達(dá)39.9%，在左岸泄洪洞、左右岸導(dǎo)流洞、右岸尾水隧洞、右岸尾水調(diào)壓室等大型洞室內(nèi)均有出露。該區(qū)域的柱狀節(jié)理玄武巖具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征。從產(chǎn)狀上看，柱體存在多種空間姿態(tài)，部分柱體近乎垂直于地面，而有些則呈現(xiàn)傾斜狀態(tài)。其斷面形態(tài)主要以四邊形和五邊形為主，屬于非規(guī)則型。節(jié)理發(fā)育程度較高，節(jié)理將巖體切割成不規(guī)則的柱體，柱體之間的連接相對薄弱。在地下廠房開挖過程中，通過現(xiàn)場地質(zhì)測繪發(fā)現(xiàn)，部分區(qū)域的節(jié)理間距較小，每米范圍內(nèi)可達(dá)5-8條，導(dǎo)致巖體的完整性較差。這種復(fù)雜的巖體結(jié)構(gòu)使得白鶴灘水電站的工程建設(shè)面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。在洞室開挖過程中，柱狀節(jié)理巖體的卸荷松弛現(xiàn)象十分顯著。以4#導(dǎo)流洞為例，在開挖后，通過鉆孔聲波測試和鉆孔電視成像監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，洞壁周邊巖體的松弛深度可達(dá)3-5米。松弛后的巖體波速降低明顯，從開挖前的4000-5000m/s降低至2000-3000m/s。這是因?yàn)殚_挖卸荷導(dǎo)致巖體內(nèi)部應(yīng)力重分布，節(jié)理面張開、滑移，微裂隙擴(kuò)展貫通，從而使巖體的結(jié)構(gòu)完整性受到破壞，力學(xué)性能降低。由于卸荷松弛，洞室圍巖的穩(wěn)定性變差，容易發(fā)生坍塌等事故。在施工過程中，曾出現(xiàn)過洞室邊墻局部坍塌的情況，不僅影響了施工進(jìn)度，還對施工人員的安全構(gòu)成威脅。為了保證工程的安全和順利進(jìn)行，工程人員采取了一系列措施。在支護(hù)方面，采用了預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索與噴射混凝土相結(jié)合的支護(hù)方式。預(yù)應(yīng)力錨桿和錨索能夠提供主動支護(hù)力，約束巖體的變形，防止節(jié)理面的進(jìn)一步張開和滑移。噴射混凝土則可以及時封閉洞壁，防止巖體風(fēng)化和進(jìn)一步松弛。在開挖方式上，采用了控制爆破技術(shù)，嚴(yán)格控制爆破參數(shù)，減少爆破對巖體的擾動。通過這些措施，有效地控制了巖體的卸荷松弛，保障了洞室的穩(wěn)定性。5.2其他相關(guān)工程案例對比錦屏水電站同樣面臨著柱狀節(jié)理巖體帶來的挑戰(zhàn)。該水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣和鹽源縣交界處的雅礱江干流上，裝機(jī)容量達(dá)840萬千瓦。壩址區(qū)巖體中柱狀節(jié)理發(fā)育，這些柱狀節(jié)理將巖體切割成不規(guī)則的柱體，柱體之間的連接相對較弱。在引水隧洞開挖過程中，柱狀節(jié)理巖體的卸荷松弛現(xiàn)象導(dǎo)致洞室圍巖變形較大。通過現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，部分洞段的圍巖收斂變形量可達(dá)數(shù)十厘米，洞壁出現(xiàn)明顯的裂縫。與白鶴灘水電站類似，錦屏水電站的柱狀節(jié)理巖體在卸荷過程中，節(jié)理面張開、滑移，巖體內(nèi)部的微裂隙擴(kuò)展，從而降低了巖體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。在處理措施方面，錦屏水電站采用了錨噴支護(hù)與鋼支撐相結(jié)合的方式。通過在洞壁上打入錨桿，增加巖體的錨固力，抑制節(jié)理面的滑移；噴射混凝土則及時封閉洞壁，防止巖體進(jìn)一步風(fēng)化和松弛。鋼支撐的設(shè)置則增強(qiáng)了洞室的承載能力，有效控制了圍巖的變形。與白鶴灘水電站相比，錦屏水電站在支護(hù)方式上更加注重多種支護(hù)手段的協(xié)同作用，以應(yīng)對柱狀節(jié)理巖體復(fù)雜的力學(xué)特性和卸荷松弛問題。大崗山水電站在建設(shè)中也遇到了柱狀節(jié)理巖體問題。該電站位于大渡河中游，裝機(jī)容量為260萬千瓦。其壩址區(qū)的柱狀節(jié)理巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，節(jié)理密度較大，導(dǎo)致巖體的完整性較差。在地下廠房開挖時，柱狀節(jié)理巖體的卸荷松弛使得廠房邊墻和頂拱出現(xiàn)了不同程度的坍塌。通過現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查和監(jiān)測分析，發(fā)現(xiàn)廠房邊墻的松弛深度可達(dá)數(shù)米，頂拱也存在一定范圍的松弛區(qū)域。為解決這些問題，大崗山水電站采取了超