廊柱计算结果分析

13.2.2　廊柱计算结果分析

1.冬季（2010年12月）

根据温度监测数据的基本变化规律，选择从12月7日至12月9日期间的温度监测数据（图13.1）作为边界条件进行模拟计算。

岩石一般是热的不良导体，其表层温度对环境变化的快速响应不能迅速传导到其内部，而力学响应是瞬间完成的，这就导致表层的热胀冷缩变形被内部岩层所限制，由此产生的温度应力对岩体表层的风化过程与稳定性有重要影响。本数值模拟结果对此效应给出了定量化的分析与解释。

温度场的演化发展将导致相应的应力场的产生与发展，下面对模拟结果进行详细分析。

附图99为计算时间终点的温度场云图。由图可知，该时刻为岩体表面即将开始降温的峰值点，立柱的温度场近似为同心圆，核心区温度最低，朝外温度增高，内外相差约5℃。

图13.2为温度监测值和表面竖向应力时程曲线。由于模型上下受边界条件限制，温度升高导致表层热膨胀变形从而形成挤压应力，竖向压应力略大于2.5MPa；温度降低将产生拉的温度应力，冬季低温时竖向拉应力接近于1MPa。由于岩石抗压能力远好于抗拉，进一步将单元的拉应力单独分析，得到图13.3立柱表面拉应力时程曲线，从中可以看出，低温时，拉应力与竖向应力演化基本吻合。

图13.1　岩体表面温度的监测时程（采样频率为15min每次）

图13.2　温度监测值和表面竖向应力的时程

廊柱的表层剥落与环形应力应该有一定关系，图13.4为立柱表面环向应力时程曲线。环向拉应力值较高，与竖向拉应力值幅度及演化规律基本一致。

附图100为主拉应力场极值分布云图。主拉应力最大值沿表层断续分布，最小值并非位于圆心，而是在立柱半径的中部略呈环状展布。主拉应力的非均值分布，导致立柱表层不断地张裂破坏，是廊柱表层物理风化的力学机制。

图13.3　立柱表面主拉应力时程

图13.4　立柱表面环向应力时程

总的说来，表层温度梯度产生了0.93MPa左右的拉应力增量，这相对于砂岩的抗拉强度来说已经相当可观，而且这种作用是长期反复进行的。表层受力最大，而由外往里，拉应力增量迅速减小。日温差变化约为16.3℃，导致的应力波动幅值约为3.3MPa左右。

2.春季（2011年3月）

根据春季温度场的变化规律，选择3月1日至3月4日期间的温度监测数据作为边界条件，进行模拟计算（图13.5）。

图13.5　岩体表面温度的监测时程（采样频率为15min每次）

首先分析岩体温度场演化的基本规律。附图101为模拟计算时间终点的温度场云图。该时刻处于岩体表面温度持续下降过程中。此时立柱表面的温度最低，朝内温度增高。但最高值并非位于圆心，而是呈断续环状分布于立柱内部。最大温差为1.7℃。

温度场的演化将导致相应的应力场的产生与发展。下面对模拟结果进行详细分析。

在温度波动过程中，廊柱在垂直方向上出现明显的温度应力，日温差变化约为22.1℃，导致的应力波动幅值为4.5MPa左右。廊柱出现上下挤压和张拉作用，特别是上下张拉应力约为2.4MPa（图13.6），对于砂岩抗拉强度而言，已经相当可观。在主应力分析中，表层单元的主张拉应力（大主应力）波动规律基本以垂直向应力变化一致（图13.7）。在廊柱垂向应力出现张拉应力同时，在环向产生比较明显的张拉力（图13.8），虽然数值明显低于垂直向（约为垂直向的1／2），但由于该方向没有任何限制，易导致岩石表面出现片状风化破坏。

附图102为主拉应力场极值分布云图。主拉应力最大值沿表层断续分布，最小值并非位于圆心，也位于表层。立柱表层主拉应力的非均值分布，导致立柱表层不断地张裂破坏，是廊柱表层物理风化的力学机制。

3.夏季（2011年08月）

根据夏季温度场的基本变化规律，选择8月8日至8月10日期间的温度监测数据作为边值条件（图13.9），进行三场耦合模拟计算。

首先分析岩体温度场演化的基本规律。附图103为模拟计算时间终点的温度场云图。该时刻处于岩体表面温度即将下降的峰值点。此时立柱表面的温度最高，朝内温度降低，略呈同心圆状。最大温差为6℃。

图13.6　温度监测值和表面竖向应力时程

图13.7　立柱表面主拉应力时程

图13.8　立柱表面环向应力时程

图13.9　岩体表面温度的监测时程（采样频率为15min每次）

温度场的演化将导致相应的应力场的产生与发展。下面对模拟结果进行详细分析。

模拟期间，日温差变化约为15.6℃，这导致的应力波动幅值为3.1MPa左右（图13.10）；表层温度梯度产生了2MPa左右的拉应力增量，表层受力最大，而由外往里，拉应力增量迅速减小；对主应力中的拉应力（大主应力）进行分析发现，其波动规律基本与竖向张拉应力同步（图13.11）；立柱表面环向应力变化略低于春季的计算结果（图13.12）。

图13.10　温度监测值时程与表面竖向应力时程

图13.11　立柱表面主拉应力时程

图13.12　立柱表面环向应力时程

附图104为主拉应力场时程极值分布云图。主拉应力最大值沿表层凹槽断续分布，最小值并非位于圆心，而是在立柱半径的中部略呈环状展布。主拉应力最大差值为0.9MPa。

附图105为主压应力场时程极值分布云图。主压应力最大值沿表层断续分布，朝内逐渐减小，最小值位于圆心，略呈同心圆状分布。主压应力最大差值为1.7MPa。

表层应力的非均值分布，导致立柱表层不断地张裂破坏，是廊柱表层物理风化的力学机制。