熊子正 孟庆祥 冯 欣 滕志强

(1. 河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室， 南京 210098； 2. 河海大学 江苏省岩土工程技术工程研究中心， 南京 210098)

柱状节理岩体是玄武岩的一种原生构造．它通常将玄武岩切割成六棱柱状或其他不规则的棱柱状．R.Mallet[1]在1875年开始对玄武岩柱状节理特征和形成机制进行研究．近年来，国内外学者就玄武岩柱状节理开展了专题研究．V.Moon和J.Jayawardane[2]对玄武岩风化特性展开了研究，国内黄国明等学者[3-4]对一般玄武岩的力学与变形特性进行了研究．根据岩体的空隙结构，变形机理和渗流特性，裂隙岩体渗流应力耦合模型分为连续介质模型、离散裂隙模型，双重介质模型和多重裂隙模型．

连续介质模型耦合分析将裂隙岩体看作等效的多孔介质，基于比奥固结原理建立渗流应力的耦合关系[5]，该方法适用于裂隙较密集的岩体．对于裂隙比较稀疏而岩块透水性较大的岩体，可以用双重介质模型或多重裂隙网络模型进行耦合分析，根据岩体裂隙结构变化建立耦合关系.对于裂隙比较稀疏、岩块渗透性很低，渗流主要沿裂隙网络做定向移动的岩体，只能用离散裂隙网络模型进行分析．目前，连续介质渗流应力耦合分析已相对比较成熟，而非连续介质方面的研究正处于发展阶段.实际工程岩体中的相当部分应看作离散裂隙网络岩体，利用非连续介质裂隙网络模型解决工程实际问题是岩体水力学发展的重要方向[6-10]．本文以模拟的节理岩体裂隙网络为研究对象，基于离散单元法，分析柱状节理岩体渗流应力耦合特性．

1 柱状节理岩体的工程特性与力学特性

关于玄武岩柱状节理形成机制有多种假说，目前为国内外学者所认可是“冷却收缩说”．该学说认为，在岩流冷却的过程中，熔岩冷凝面形成了规则且间隔排列的均匀收缩中心，产生了与收缩方向垂直的张力裂隙，体积收缩导致岩石向收缩中心聚集，岩石裂开，形成了多面柱状节理．由于其地质成因特殊，所以地质特点与常见的岩体也有较大的差异，其变形和强度均具有较为显著的各向异性．

根据柱状节理的发育情况，可以将柱状节理玄武岩分为三类．一类柱状节理发育较好，柱体细长．二类柱状节理发育不完全，尚未切割成完整的柱体．三类柱状节理发育程度最差，对岩体工程特性影响较小．在实际工程中，主要研究一类柱状节理的特性，三类柱状节理可按普通玄武岩对待．岩石的条件、岩体结构面条件、岩体的应力环境是影响岩体特性的三个主要因素．

室内试验测得，玄武岩柱状节理岩石块体密度为2.90 g/cm3，颗粒密度为2.93 g/cm3，岩块自然状态下变形模量平均值为65.1 GPa，饱和条件下变形模量平均值为51.6 GPa[7]．

柱状节理玄武岩属于坚硬岩，具有较高的强度与刚度．柱状节理岩体结构面发育特征和岩体受力条件密切相关，同时二者也是柱状节理玄武岩基本力学特征的重要影响要素．柱状节理主要为不规则的多边形(以四、五、六边形为主)细长柱体．竖直向柱状节理密集发育，与水平向节理相互切割，并常常存在交错隐节理．因此柱状节理岩体表现出比较规律的各向异性特征，且岩体完整性不好，是一种工程和力学特性较差的特殊节理岩体．

2 基于3DEC的离散元数值模型

2.1 3DEC介绍及耦合机理

3DEC是ITASCA公司开发的基于离散单元法描述离散介质力学行为的三维计算分析程序．3DEC可以分析离散元介质在荷载，流体，温度等作用下的静态与动态响应问题，适合研究大型高边坡稳定变形机理，地下深埋工程围岩破坏，岩体结构裂隙渗流特性，还能解决多场耦合的问题．3DEC中渗流应力耦合的机理是：裂隙渗流产生的渗流力导致应力场重新分布，而应力场的变化又引起了裂隙隙宽的变化，使得裂隙岩体的渗透系数发生变化，从而导致岩体渗流场的重新分布．

2.2 柱状节理数值模型及参数

本模型为随机产生裂隙网络的柱状节理模型，模型长250 m，宽250 m，高100 m．岩体模型及裂隙网络如图1，图2所示．根据地质资料及相关文献，岩体及结构面采用的模型材料参数见表1，表2．

图1 岩体模型 图2 岩体初始裂隙网络图

表1 岩体模型的材料参数

表2 裂隙网络的材料参数

1)初始条件：在岩体裂隙网络上，从上边界施加孔应力5×106MPa，均匀递减至下边界为0 MPa，以此来模拟水力梯度．

2)边界条件：对模型外边界采用位移约束条件．

3 离散元应力渗流耦合特性研究

3.1 耦合与非耦合分析

对柱状节理岩体离散元模型，分别采用耦合与非耦合算法，对比分析模型的主应力与位移分布．耦合算法与非耦合算法所得最大主应力分布图如图3～4所示；耦合与非耦合算法所得的位移云图如图5～6所示．

1)应力计算结果分析

耦合算法所得的最大主应力为 4.17 MPa，非耦合算法所得的最大主应力为 -2.01×105Pa．耦合算法所得最大主应力的绝对值要大于非耦合算法的．

图3 耦合算法下的最大 图4 非耦合算法下最大主应力分布 主应力分布

2)位移计算结果分析

耦合算法所得的最大位移为4.49×10-5m，非耦合算法所得的最大位移为4.43×10-5m．耦合算法所得的最大位移绝对值要大于非耦合算法的．

图5 耦合算法下位移梯度分布 图6 非耦合算法下位移梯度分布

综上可知，耦合算法所得的最大应力与位移绝对值都要大于非耦合算法的，因此采用应力耦合算法是偏于安全且更符合工程实际的．

3.2 耦合特性研究

对已有的柱状节理离散元模型，分别进行1 000时步，9 000时步，13 000时步17 000时步的耦合计算，对比分析所得孔应力及流量的变化．计算结果如图7～14所示．

1)1 000时步计算结果分析

由图7～8可知，1 000时步下孔应力与流速基本按照渗流方向梯度减小，渗流与应力耦合不明显．

图7 1 000时步下的孔应力分布 图8 1 000时步下的流速分布

2)9 000时步计算结果分析

由图9～10可知，9 000时步计算下，部分裂隙孔应力增大，部分孔应力减小，甚至为0．这说明渗流场与应力场已经产生耦合作用，部分裂隙已经闭合，此时裂隙中没有水，因此孔应力与流速均为0；而部分裂隙的孔应力已经超过了初始孔应力，说明渗流场作用于应力场，使得空隙张开，孔应力增大，流量也增大，应力场又作用于渗流场，如此循环，动态地变化．

图9 9 000时步下的孔应力分布 图10 9 000时步下的流速分布

3)13 000时步计算结果分析

由图11～12可知，相比于9 000时步的计算结果，孔应力与流速有明显的减小，孔应力分布又呈现梯度递减的趋势，说明渗流应力耦合开始趋于稳定．

图11 13 000时步下的孔应力分布 图12 13 000时步下的流速分布

4)17 000时步计算结果

由图13～14可知，与13 000时步计算结果相比，孔应力与流速的大小与分布均变化不大，最大孔应力等于初始孔应力5×106MPa，说明耦合已经基本稳定．

图13 17 000时步下的孔应力分布 图14 17 000时步下的流速分布

4 结 论

本文以柱状节理岩体的三维裂隙网络为研究对象，基于离散单元法以及裂隙网络渗流原理，分析柱状节理岩体在应力渗流耦合的作用下的变化特性．

通过对比耦合算法与非耦合算法的计算结果，发现耦合算法下的最大主应力与位移梯度均大于非耦合算法的计算结果．这说明考虑应力渗流耦合是偏于安全的，这也证明采用耦合算法分析柱状节理岩体的渗透性的正确性与必要性．通过分析不同时步的孔应力与流速云图，可分析应力渗流的耦合特性，柱状节理中裂隙的渗流力，改变了应力场的分布，应力场的变化使得裂隙的隙宽发生变化，隙宽的变化又引起了渗透系数的变化，从而渗流场重新分布．裂隙隙宽，孔应力与渗流量相互影响，相互依赖，它们的变化是一个动态的过程．

本文基于离散单元法，构建三维离散元数值模型，使用3DEC的渗流模块，研究了柱状节理岩体渗流应力耦合作用特性．算例计算结果说明所用方法的正确性，同时也证明使用3DEC等软件建立三维离散元模型来分析柱状节理岩体渗流问题的可行性．

[1] Mallet R. On the Origin and Mechanism of Production of the Prismatic(or Columnar) Stmcture of Basalt[J]． Philosophical Magazine，1875, 4(50)： 122-135, 201-226．

[2] Moon V, Jayawardane J. Geomechanical and Geochemical Changes During Early Stages of Weathering of Karamu Basalt, New Zealand[J]． Engineering Geology, 2004, 74(1/2)： 57-72．

[3] 黄国明，黄润秋．某坝址玄武岩岩体强度和变形特性[J]．长江科学院院报，1998,15(6)：19-22．

[4] 王 毅，杨建宏．玄武岩的岩体结构与力学性状研究[J]．岩石力学与工程学报，2002,21(9)：1307-1310．

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