壓縮條件下不同形狀玄武巖柱破裂機(jī)理數(shù)值模擬研究1)

王永藝 龔 斌 唐春安

(大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116024)

柱狀節(jié)理是玄武巖噴發(fā)溢流過程中冷卻收縮形成的一種張性破裂構(gòu)造，屬于原生節(jié)理，它往往將巖體切割成規(guī)則或者不規(guī)則棱柱體。柱狀節(jié)理構(gòu)造分布廣泛，在中國、澳大利亞、巴西、印度、蘇格蘭、西伯利亞、美國等地均有分布[1]。在我國，隨著西南地區(qū)交通設(shè)施及水電基地建設(shè)的推進(jìn)，越來越多的特大型巖體工程建設(shè)都與柱狀節(jié)理巖體有關(guān)，如金沙江下游的溪洛渡水電站和白鶴灘水電站，中游的龍開口水電站和相關(guān)的特長交通隧道等[2]。對(duì)于柱狀節(jié)理巖體，國內(nèi)學(xué)者采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)物理試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法開展其力學(xué)特性研究。其中，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)物理試驗(yàn)和數(shù)值模擬方面，對(duì)不同形狀的柱狀節(jié)理玄武巖力學(xué)性質(zhì)的研究較少，進(jìn)一步地，對(duì)于不同側(cè)壓以及試件形狀的柱狀節(jié)理玄武巖破裂機(jī)理的研究更少。

在柱狀節(jié)理巖體的力學(xué)特性方面，已有學(xué)者開展相關(guān)研究。在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方面，江權(quán)等[3]開展柱狀節(jié)理玄武巖各向異性特性的調(diào)查與試驗(yàn)研究。Xiao等[4]對(duì)地下水電站柱狀節(jié)理玄武巖開挖誘發(fā)的微震進(jìn)行監(jiān)測(cè)。Xia 等[5]對(duì)白鶴灘水電站排水隧洞柱狀節(jié)理玄武巖結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)縱波各向異性的影響開展研究。以上的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，獲得了寶貴的實(shí)際工程柱狀節(jié)理體的力學(xué)特性研究資料及研究成果；但現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的工程巖體賦存環(huán)境復(fù)雜，且在取樣環(huán)節(jié)有可能受到擾動(dòng)的影響。在室內(nèi)物理試驗(yàn)方面，Ji 等[6]采用水泥、細(xì)砂、水、減水劑，制作柱狀節(jié)理巖體試件，對(duì)其開展單軸壓縮試驗(yàn)研究，分析不同柱體傾角情況的試件強(qiáng)度變化及破壞特征?？轮緩?qiáng)等[7]通過單軸壓縮試驗(yàn)，研究柱體傾角和橫向節(jié)理對(duì)巖體各向異性力學(xué)特性及破壞機(jī)制的影響。肖維民等[2,8]通過單軸壓縮試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)得到柱狀節(jié)理巖體在不同柱體傾角下的變形模量和單軸抗壓強(qiáng)度，分析柱狀節(jié)理巖體變形和強(qiáng)度的各向異性特性。Xia 等[9]提出了一種利用3DP 和相似常數(shù)精確重建不規(guī)則柱狀節(jié)理巖體結(jié)構(gòu)的合適方法，對(duì)重建后的試件開展單軸壓縮試驗(yàn)，將其試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。以上的室內(nèi)物理試驗(yàn)，在柱狀節(jié)理巖體力學(xué)特性的認(rèn)識(shí)上，取得了有益的研究成果；但當(dāng)工況及試件較多時(shí)，室內(nèi)物理試驗(yàn)將面臨耗時(shí)、不經(jīng)濟(jì)等問題。在數(shù)值模擬方面，閆東旭等[10]建立了柱狀節(jié)理巖體三維離散元模型，對(duì)柱狀節(jié)理巖體進(jìn)行了三軸壓縮試驗(yàn)數(shù)值模擬，研究柱狀節(jié)理巖體宏觀等效彈性模量尺寸效應(yīng)。鄭文棠等[11]采用可變形離散元法建立了柱狀節(jié)理玄武巖體的三維離散元數(shù)值模型，通過數(shù)值模擬不同尺寸的承壓板試驗(yàn)，探討了尺寸效應(yīng)和各向異性對(duì)試驗(yàn)成果的影響。崔臻等[12]利用節(jié)理網(wǎng)絡(luò)有限元為工具，研究各結(jié)構(gòu)效應(yīng)表征參數(shù)對(duì)柱狀節(jié)理巖體等效變形模量的影響。以上的數(shù)值模擬，對(duì)柱狀節(jié)理巖體的尺寸效應(yīng)及各向異性取得了有益的進(jìn)展；但尚未考慮側(cè)壓對(duì)不同形狀的柱狀節(jié)理巖體破裂機(jī)理的影響。

本文構(gòu)建不同形狀的玄武巖柱圖像，從細(xì)觀損傷力學(xué)、統(tǒng)計(jì)強(qiáng)度理論、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的角度，基于RFPA3D-CT 軟件的數(shù)字圖像處理，將玄武巖柱圖像轉(zhuǎn)化為非均質(zhì)有限元網(wǎng)格模型，進(jìn)一步開展不同側(cè)壓條件下的玄武巖柱數(shù)值試驗(yàn)，揭示其強(qiáng)度和變形特性，及其破裂機(jī)理與破壞模式、失穩(wěn)前兆特征。

1 數(shù)值模型

1.1 RFPA3D-CT 原理簡(jiǎn)介

RFPA3D-CT 是一個(gè)三維巖石破裂過程分析程序，可以將數(shù)字圖像轉(zhuǎn)化為有限元網(wǎng)格模型，其原理如下。為構(gòu)建數(shù)值模型，需要將圖片中的信息轉(zhuǎn)換為建模所需的矢量化數(shù)據(jù)。數(shù)字圖像由正方形像素點(diǎn)組成，如圖1(a) 所示，在三維空間中，若認(rèn)為圖像具有一定的厚度，則可將每一個(gè)像素點(diǎn)看作一個(gè)有限元網(wǎng)格。將各個(gè)像素點(diǎn)的角點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的矢量空間物理位置(其中每個(gè)像素點(diǎn)具有相應(yīng)的厚度和邊長)，并根據(jù)像素點(diǎn)灰度值不同，將其歸類為節(jié)理或巖石材料，賦予相應(yīng)的材料參數(shù)。根據(jù)上述原理，轉(zhuǎn)化后的有限元網(wǎng)格模型如圖1(b)所示，其中，相鄰網(wǎng)格之間彈性模量(或強(qiáng)度) 不相等(如服從Weibull 分布)，以此來考慮節(jié)理和巖石的非均質(zhì)性。RFPA3D-CT 基于細(xì)觀損傷力學(xué)和統(tǒng)計(jì)強(qiáng)度理論。細(xì)觀單元采用最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則和Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則。當(dāng)細(xì)觀單元的最小主應(yīng)力超過其單軸抗拉強(qiáng)度時(shí)單元產(chǎn)生拉伸損傷，如圖2(a) 所示，其中，σ為應(yīng)力，ft0為單軸拉伸強(qiáng)度，ftr為殘余拉伸強(qiáng)度，ε為應(yīng)變，εt0為對(duì)應(yīng)ft0的應(yīng)變，εtu為極限拉伸應(yīng)變；如果細(xì)觀單元應(yīng)力狀態(tài)滿足Mohr-Coulomb 破壞準(zhǔn)則，細(xì)觀單元產(chǎn)生剪切損傷，如圖2(b)所示，其中，fc0為單軸壓縮強(qiáng)度，fcr為殘余壓縮強(qiáng)度，εc0為對(duì)應(yīng)fc0的應(yīng)變。細(xì)觀單元承載能力隨損傷演化過程而降低，在達(dá)到破壞準(zhǔn)則之后仍保持一定的殘余強(qiáng)度。有關(guān)RFPA3D-CT 詳細(xì)的原理可參見文獻(xiàn)[13-17]。

圖1 數(shù)字圖像轉(zhuǎn)化為非均質(zhì)有限元網(wǎng)格模型示意圖Fig.1 The schematic diagram of transforming the digital image into the inhomogeneous finite element mesh model

圖2 單軸應(yīng)力下單元的彈脆性損傷本構(gòu)關(guān)系Fig.2 The elastic-brittle damage constitutive relation of element under uniaxial stress

1.2 數(shù)值模擬驗(yàn)證

數(shù)值模擬驗(yàn)證環(huán)節(jié)，采用Ji 等[6]和肖維民等[8]的室內(nèi)物理試驗(yàn)對(duì)數(shù)值試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。用于數(shù)值驗(yàn)證的試件，采用的是寬度為50 mm，高度為100 mm的矩形試件，平面應(yīng)變情況；試件內(nèi)部的正六棱柱體的外接圓直徑是10 mm；考慮了平行柱軸方向的情況；基于RFPA3D-CT，將數(shù)字圖像轉(zhuǎn)化為有限元計(jì)算模型；有限元模型的力學(xué)參數(shù)取值見表1，其取值參考了玄武巖柱的相關(guān)文獻(xiàn)資料[2-12]。數(shù)值試驗(yàn)采用位移控制加載，加載量為每步5 μm，直到試件破壞。數(shù)值試驗(yàn)與室內(nèi)物理試驗(yàn)的試件破壞模式對(duì)比，如圖3。

圖3 單軸壓縮條件下室內(nèi)物理試驗(yàn)與數(shù)值試驗(yàn)的試件破壞模式對(duì)比Fig.3 Comparison of specimen failure patterns between laboratory physical test and numerical test under uniaxial compression

1.3 數(shù)值模型設(shè)置

數(shù)值試驗(yàn)中，模型的形狀方面，考慮1.5 m×3 m，3 m×3 m，6 m×3 m 的情況，柱體直徑20 cm。各個(gè)模型的單元尺寸是相同的，其中以6 m×3 m 試件為例，該試件的單元數(shù)為1 216 800。圖4 展示了側(cè)壓條件下1.5 m×3 m 玄武巖柱試件數(shù)值試驗(yàn)的典型設(shè)置和邊界條件。玄武巖柱的巖石及節(jié)理的力學(xué)參數(shù)取值，同表1。在每一個(gè)模型的頂部施加豎向位移載荷；每一步施加的位移量，與模型初始側(cè)向邊長的比值，為1.7×10?5；逐步施加位移載荷，直至試件破壞。

圖4 側(cè)壓條件下玄武巖柱試件的典型設(shè)置和邊界條件(以1.5 m×3 m 試件為例)Fig.4 The typical setting and boundary condition of CJBs specimen under confining pressure(taking 1.5 m×3 m specimen as an example)

表1 數(shù)值模擬驗(yàn)證環(huán)節(jié)，玄武巖柱的巖石及節(jié)理的力學(xué)參數(shù)取值Table 1 Values of mechanical parameters of rock and joint for columnar jointed basalts (CJBs)in validation of numerical simulation

2 結(jié)果和分析

2.1 不同側(cè)壓及試件形狀的玄武巖柱強(qiáng)度及變形特性

不同側(cè)壓及試件形狀的玄武巖柱抗壓強(qiáng)度和等效變形模量如圖5 所示。由圖5(a) 可知，在抗壓強(qiáng)度方面，對(duì)于側(cè)壓0 MPa 的情況，尺寸1.5 m×3 m，3 m× 3 m，6 m× 3 m 的玄武巖柱的抗壓強(qiáng)度隨柱體傾角的增加大致呈U 型分布，其中，在β= 0°和β= 75°～90°，隨著試件高寬比的增加，試件的抗壓強(qiáng)度降低較為明顯。對(duì)于側(cè)壓6 MPa 的情況，尺寸1.5 m× 3 m，3 m× 3 m，6 m× 3 m的玄武巖柱的抗壓強(qiáng)度隨柱體傾角的增加大致呈V型分布，但隨著試件高寬比的增加，在β= 0°和β=75°～90°，隨著試件高寬比的增加，試件的抗壓強(qiáng)度降低亦較為明顯。整體來看，玄武巖柱抗壓強(qiáng)度的最小值，基本出現(xiàn)在β= 30°的情況。由圖5(b)可知，在等效變形模量方面，對(duì)于側(cè)壓0 MPa 的情況，尺寸1.5 m× 3 m，3 m× 3 m，6 m× 3 m的玄武巖柱的等效變形模量隨柱體傾角的增加大致呈波動(dòng)下降的趨勢(shì)。對(duì)于側(cè)壓6 MPa 的情況，尺寸1.5 m× 3 m，3m× 3m，6 m× 3 m 的玄武巖柱的等效變形模量大致呈減小、增加再減小的趨勢(shì)。玄武巖柱等效變形模量的最小值，出現(xiàn)在β= 60°的情況。

圖5 不同側(cè)壓及試件形狀的玄武巖柱抗壓強(qiáng)度和等效變形模量Fig.5 The compressive strength and equivalent deformation modulus of the CJBs with different lateral pressures and specimen shapes

不同側(cè)壓條件下，1.5 m×3 m，6 m×3 m 玄武巖柱的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖6 所示。由圖6(a)(c)(e)可知，在尺寸1.5 m×3 m 的玄武巖柱的應(yīng)力-應(yīng)變曲線方面，對(duì)于側(cè)壓0 MPa 的情況，不同柱體傾角的玄武巖柱均呈現(xiàn)明顯的脆性跌落特征。對(duì)于側(cè)壓2 MPa的情況，β= 15°，30°的玄武巖柱的殘余階段消失，此外，β= 30°，45°的玄武巖柱表現(xiàn)出一定的峰后延性特征。對(duì)于側(cè)壓6 MPa 的情況，β= 30°，45°的玄武巖柱仍表現(xiàn)出一定的峰后延性特征，此外，僅β=45°的玄武巖柱具有殘余階段，而其余的玄武巖柱的殘余階段消失，出現(xiàn)試件整體劇烈失穩(wěn)破壞。

由圖6(b)(d)(f)可知，在尺寸6 m×3 m 的玄武巖柱的應(yīng)力-應(yīng)變曲線方面，對(duì)于側(cè)壓0 MPa 的情況，不同柱體傾角的玄武巖柱均呈現(xiàn)明顯的脆性跌落特征。對(duì)于側(cè)壓2 MPa，6 MPa 的情況，不同柱體傾角的玄武巖柱的殘余階段，均消失，即出現(xiàn)試件整體劇烈失穩(wěn)破壞。

圖6 不同側(cè)壓條件下1.5 m×3 m，6 m×3 m 玄武巖柱的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 The stress-strain curves of the 1.5 m×3 m, 6 m×3 m CJBs under different lateral pressure

綜上對(duì)比，側(cè)壓2 MPa，6 MPa 的情況下，1.5 m×3 m 的部分試件，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線，仍存在殘余強(qiáng)度階段；而6 m×3 m 的試件，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線，不存在殘余強(qiáng)度階段，即發(fā)生劇烈的失穩(wěn)破壞。對(duì)于這種現(xiàn)象的原因，可從兩方面分析，一方面是尺寸因素，6 m×3 m 試件的尺寸較大，由于尺寸效應(yīng)，其強(qiáng)度及穩(wěn)定性較低；另一方面是結(jié)構(gòu)因素，由于6 m×3 m 試件偏高，加載過程中能量積聚及釋放更容易在薄弱的部位發(fā)生。此外，可推知，在實(shí)際工程中，地下洞室的墻壁高度不宜過大，如果墻壁高度較大，則應(yīng)注意采取監(jiān)測(cè)或加固等措施。

2.2 不同側(cè)壓及試件形狀的玄武巖柱應(yīng)力場(chǎng)演化及聲發(fā)射特征

2.2.1 側(cè)壓0 MPa 條件下尺寸1.5 m×3 m 的玄武巖柱的應(yīng)力場(chǎng)演化及聲發(fā)射特征

結(jié)合圖7 和圖8 可知，側(cè)壓0 MPa，β= 15°，1.5 m×3 m 試件，隨著加載的進(jìn)行，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到應(yīng)力-應(yīng)變曲線的A點(diǎn)時(shí)，玄武巖柱試件內(nèi)的柱狀節(jié)理，以及試件左右兩側(cè)，出現(xiàn)較明顯的應(yīng)力集中。當(dāng)應(yīng)力加載至B點(diǎn)，試件左右兩側(cè)的柱狀節(jié)理出現(xiàn)微弱的開裂。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值點(diǎn)C點(diǎn)時(shí)，試件左右兩側(cè)的柱狀節(jié)理進(jìn)一步開裂，同時(shí)試件底部左側(cè)的應(yīng)力集中較明顯。當(dāng)應(yīng)力降至D點(diǎn)，試件內(nèi)的柱狀節(jié)理開裂較明顯，試件下部左側(cè)，若干柱體邊緣，出現(xiàn)應(yīng)力集中，試件上部右側(cè)，存在應(yīng)力集中。當(dāng)應(yīng)力繼續(xù)降至E點(diǎn)，試件上部、中部、下部，若干柱體邊緣，應(yīng)力集中，裂紋萌生發(fā)育。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到F點(diǎn)，若干柱體邊緣，裂紋擴(kuò)展，裂紋尖端處，應(yīng)力集中。在聲發(fā)射方面，其聲發(fā)射呈單峰型分布。

圖7 側(cè)壓0 MPa 條件下，β =15°，1.5 m×3 m 試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和聲發(fā)射特征Fig.7 The stress-strain curve and AE characteristic for the 1.5 m×3 m specimen with β =15° under the lateral pressure of 0 MPa

圖8 側(cè)壓0 MPa 條件下，β =15°，1.5 m×3 m 試件的應(yīng)力場(chǎng)演化Fig.8 The stress field evolution for the 1.5 m×3 m specimen with β =15° under the lateral pressure of 0 MPa

結(jié)合圖9 和圖10 可知，側(cè)壓0 MPa，β=45°，1.5 m×3 m 試件，隨著加載的進(jìn)行，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到應(yīng)力-應(yīng)變曲線的A點(diǎn)時(shí)，玄武巖柱試件內(nèi)的柱狀節(jié)理，以及試件的左右兩側(cè)，應(yīng)力集中較明顯。當(dāng)應(yīng)力加載至B點(diǎn)，試件的左右兩側(cè)的柱狀節(jié)理出現(xiàn)一定程度的壓剪滑移、開裂。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值點(diǎn)附近的C點(diǎn)時(shí)，試件的左右兩側(cè)的柱狀節(jié)理的壓剪滑移、開裂進(jìn)一步發(fā)展。當(dāng)應(yīng)力降至D點(diǎn)，在試件的中部，出現(xiàn)較明顯的應(yīng)力集中。當(dāng)應(yīng)力繼續(xù)降至E點(diǎn)，在試件的中部，存在一個(gè)明顯的應(yīng)力集中帶，其區(qū)域內(nèi)，若干柱體邊緣，裂紋萌生。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到F點(diǎn)，在試件的中部，由一個(gè)應(yīng)力集中帶發(fā)展為兩個(gè)應(yīng)力集中帶，其帶狀區(qū)域內(nèi)，若干柱體邊緣，裂紋擴(kuò)展，裂紋尖端處，應(yīng)力集中明顯。在聲發(fā)射方面，其聲發(fā)射呈單峰型分布。此外，與側(cè)壓0 MPa，β=15°，1.5 m×3 m試件的情況相比，β=45°的情況下，受柱體偏轉(zhuǎn)的影響，試件中部的應(yīng)力集中、裂紋萌生更明顯。

圖9 側(cè)壓0 MPa 條件下，β =45°，1.5 m×3 m 試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線和聲發(fā)射特征Fig.9 The stress-strain curve and AE characteristic for the 1.5 m×3 m specimen with β =45° under the lateral pressure of 0 MPa

圖10 側(cè)壓0 MPa 條件下，β =45°，1.5 m×3 m 試件的應(yīng)力場(chǎng)演化Fig.10 The stress field evolution for the 1.5 m×3 m specimen with β =45° under the lateral pressure of 0 MPa

2.2.2 不同側(cè)壓條件下尺寸6 m×3 m 的玄武巖柱的應(yīng)力場(chǎng)演化及聲發(fā)射特征

結(jié)合圖11 和圖12 可知，側(cè)壓0 MPa，β=45°，6 m×3 m 試件，隨著加載的進(jìn)行，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到應(yīng)力-應(yīng)變曲線的A點(diǎn)時(shí)，在玄武巖柱試件的中部，有明顯的應(yīng)力集中情況。當(dāng)應(yīng)力加載至B點(diǎn)，在玄武巖柱試件中部的柱狀節(jié)理，有微弱的壓剪滑移趨勢(shì)。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值點(diǎn)C點(diǎn)時(shí)，在玄武巖柱試件中部的柱狀節(jié)理，壓剪滑移，開裂，同時(shí)，試件中部的應(yīng)力集中，其分區(qū)特征明顯。當(dāng)應(yīng)力降至D點(diǎn)，試件內(nèi)更多的柱狀節(jié)理，發(fā)生壓剪滑移、開裂，在試件中部，有柱體裂紋萌生，同時(shí)，試件的應(yīng)力集中區(qū)域，分別向試件上方和試件下方擴(kuò)展。當(dāng)應(yīng)力繼續(xù)降至E點(diǎn)，在試件中部及附近，若干柱體邊緣，裂紋萌生擴(kuò)展，裂紋尖端處，應(yīng)力集中，此外，在試件底部附近，亦存在一定程度的應(yīng)力集中。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到F點(diǎn)，在試件中部及附近，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，柱體破碎加劇。在聲發(fā)射方面，其聲發(fā)射大致呈多峰型分布。此外，與側(cè)壓0 MPa，β=15°，6 m×3 m 試件的情況相比，β= 45°的情況下，受柱體偏轉(zhuǎn)的影響，試件中部的柱狀節(jié)理的壓剪滑移趨勢(shì)、以及柱體破裂，較明顯。

圖11 側(cè)壓0 MPa 條件下，β =45°，6 m×3 m 試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、聲發(fā)射特征Fig.11 The stress-strain curve and AE characteristic for the 6 m×3 m specimen with β =45° under the lateral pressure of 0 MPa

圖12 側(cè)壓0 MPa 條件下，β =45°，6 m×3 m 試件的應(yīng)力場(chǎng)演化Fig.12 The stress field evolution for the 6 m×3 m specimen with β =45° under the lateral pressure of 0 MPa

結(jié)合圖13 和圖14 可知，側(cè)壓6 MPa，β=45°，6 m×3 m 試件，隨著加載的進(jìn)行，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到應(yīng)力-應(yīng)變曲線的A點(diǎn)時(shí)，在玄武巖柱試件的中部，若干條柱狀節(jié)理，有微弱的應(yīng)力集中。當(dāng)應(yīng)力加載至B點(diǎn)，在試件中部及附近，柱狀節(jié)理的應(yīng)力集中，逐漸明顯。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值點(diǎn)附近的C點(diǎn)時(shí)，在試件中部及附近，柱狀節(jié)理的應(yīng)力集中，進(jìn)一步明顯，同時(shí)，在試件中部，有柱體出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中。當(dāng)應(yīng)力降至D點(diǎn)，在試件中部及附近，形成一條明顯的應(yīng)力集中帶，同時(shí)，有柱體出現(xiàn)裂紋萌生。當(dāng)應(yīng)力繼續(xù)降至E點(diǎn)，應(yīng)力集中帶，逐漸明顯，在其帶狀區(qū)域內(nèi)，若干柱體邊緣，裂紋萌生、擴(kuò)展。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到F點(diǎn)，在試件內(nèi)，大致形成一條明顯的破碎帶，破碎加劇。在聲發(fā)射方面，其聲發(fā)射呈雙峰型分布。此外，與側(cè)壓0 MPa，β=45°，6 m×3 m 試件的情況相比，側(cè)壓6 MPa 能夠有效抑制柱狀節(jié)理的壓剪滑移趨勢(shì)，柱體破碎主要發(fā)在試件的中上部。

圖13 側(cè)壓6 MPa 條件下，β =45°，6 m×3 m 試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、聲發(fā)射特征Fig.13 The stress-strain curve and AE characteristic for the 6 m×3 m specimen with β =45° under the lateral pressure of 6 MPa

圖14 側(cè)壓6 MPa 條件下，β =45°，6 m×3 m 試件的應(yīng)力場(chǎng)演化Fig.14 The stress field evolution for the 6 m×3 m specimen with β =45° under the lateral pressure of 6 MPa

3 結(jié)論

(1) 不同側(cè)壓及試件形狀的玄武巖柱強(qiáng)度特性。對(duì)于側(cè)壓0 MPa 的情況，尺寸1.5 m× 3 m，3 m× 3 m，6 m× 3 m 的玄武巖柱的抗壓強(qiáng)度隨柱體傾角的增加大致呈U 型分布，其中，在β= 0°和β=75°～90°，隨著試件高寬比的增加，試件的抗壓強(qiáng)度降低較為明顯。對(duì)于側(cè)壓6 MPa 的情況，尺寸1.5 m× 3 m，3 m× 3 m，6 m× 3 m 的玄武巖柱的抗壓強(qiáng)度隨柱體傾角的增加大致呈V 型分布，但隨著試件高寬比的增加，在β= 0°和β= 75°～90°，隨著試件高寬比的增加，試件的抗壓強(qiáng)度降低亦較為明顯。整體來看，玄武巖柱抗壓強(qiáng)度的最小值，基本出現(xiàn)在β=30°的情況。

(2) 不同側(cè)壓及試件形狀的玄武巖柱變形特性。對(duì)于側(cè)壓0 MPa 的情況，尺寸1.5 m× 3 m，3 m× 3 m，6 m× 3 m 的玄武巖柱的等效變形模量隨柱體傾角的增加大致呈波動(dòng)下降的趨勢(shì)。對(duì)于側(cè)壓6 MPa 的情況，尺寸1.5 m× 3 m，3 m× 3 m，6 m× 3 m 的玄武巖柱的等效變形模量大致呈減小、增加再減小的趨勢(shì)。玄武巖柱等效變形模量的最小值，出現(xiàn)在β=60°的情況。

(3) 以尺寸1.5 m×3 m，柱體傾角β=15°、45°的玄武巖柱為例，研究其在側(cè)壓0 MPa 條件下的破裂機(jī)理及破壞模式。①對(duì)于β=15°的情況，隨著加載的進(jìn)行，柱狀節(jié)理開裂，然后，若干柱體邊緣，應(yīng)力集中，裂紋萌生擴(kuò)展。②對(duì)于β=45°的情況，隨著加載的進(jìn)行，柱狀節(jié)理應(yīng)力集中，然后，試件內(nèi)形成兩個(gè)應(yīng)力集中帶，其帶狀區(qū)域內(nèi)，若干柱體邊緣，裂紋擴(kuò)展。與側(cè)壓0 MPa，β= 15°，1.5 m×3 m 試件的情況相比，β=45°的情況下，受柱體偏轉(zhuǎn)的影響，試件中部的應(yīng)力集中、裂紋萌生更明顯。

(4) 以尺寸6 m×3 m，柱體傾角β= 45°的玄武巖柱為例，研究其在側(cè)壓0 MPa 和6 MPa 條件下的破裂機(jī)理及破壞模式。①對(duì)于側(cè)壓0 MPa 的情況，隨著加載的進(jìn)行，玄武巖柱試件中部的柱狀節(jié)理，壓剪滑移、開裂，然后，在試件中部及附近，裂紋擴(kuò)展，柱體破碎加劇。②對(duì)于側(cè)壓6 MPa 的情況，隨著加載的進(jìn)行，在試件中部及附近，柱狀節(jié)理的應(yīng)力集中逐漸明顯，然后，在試件內(nèi)，大致形成一條明顯的破碎帶，破碎加劇。與側(cè)壓0 MPa，β=45°，6 m×3 m試件的情況相比，側(cè)壓6 MPa 能夠有效抑制柱狀節(jié)理的壓剪滑移趨勢(shì)，柱體破碎主要發(fā)在試件的中上部。