渗流-应力耦合作用下深埋黏土岩隧道盾构施工特性及其动态行为研究

基于连续介质大变形理论和损伤力学理论,将塑性损伤演化与渗流相互耦合的方法引入到Mohr-Coulomb准则,建立黏土岩弹塑性大变形渗流–应力耦合模型,以ABAQUS软件为平台对其进行二次开发。以比利时黏土岩核废料库工程为背景,在全面分析盾构施工影响围岩稳定性因素的基础上,建立反映施工质量的等代层模型,对不同施工质量时盾构掘进过程中围岩及开挖面的变形、孔隙压力及塑性区的演化规律进行数值模拟。计算结果表明,围岩变形在开挖面附近达到最大值,施工质量对围岩稳定性有明显的影响,施工质量越差,开挖扰动区的范围就越大,并且孔隙压力降低的幅度就越大。研究结果可为软岩隧道设计及施工提供参考。     

Mont Terri试验场Mine-by巷道开挖近场响应模拟分析

 瑞士Mont Terri地下实验室于2008年构建Mine-by(MB) Niche巷道,并围绕其中的MB Niche 2进行开挖诱发Opalinus Clay黏土岩围岩变形及流固耦合特征的现场实测分析。以MB Niche 2巷道为背景工程,利用基于双应变胡克模型(TPHM)的数值模拟方法,对MB Niche 2巷道的开挖过程进行模拟分析,计算结果较为准确地反映开挖卸载诱发的近场围岩变形行为、损伤区及孔隙水压力演化特征。模拟结果显示,巷道拱顶径向位移可达甚至超过10 mm,两帮破坏深度可达1.4 m,孔隙压力的扰动区最远可出现在掌子面前方11 m左右,最大孔隙压力可抬升至3.3 MPa,模拟结果与现场实测值表现出较好的一致性。基于双应变胡克模型TPHM的计算结果较基于传统胡克模型SPHM的计算结果更趋于符合实际,这在一定程度上反映出TPHM较好地捕捉到岩石中孔隙、裂隙等的自然应变(真应变)的物理本质,强调合适的本构模型在卸荷开挖工程问题模拟分析中的重要性。     

基于损伤预测的粘土围岩深地质处置库硐距分析

粘土岩作为我国高放废物深地质处置库建设的预选围岩类型之一,其地下处置库硐距的优化对处置库的设计施工及核素迁移安全具有重大意义。本文基于塔木素粘土岩高放废物深地质处置预选地区天然地应力现场测量及室内岩石力学试验结果,采用弹性力学柯西问题理论分析与有限差分数值模拟相结合的方法,对处置库硐室开挖过程形成的损伤区范围进行预测。通过对比单硐与双硐开挖时不同硐室间距下开挖所形成的损伤区影响范围,来进行处置库硐距的优化,通过对比不同硐距下开挖损伤区的变化,分析当前应力水平下,硐室开挖后重分布应力随与中间岩柱中心点距离的变化趋势。结果表明,d=8~10 m是粘土围岩高放废物处置库的合理的硐距,此时开挖后的相邻硐室间损伤区没有产生明显交圈效应,当硐距大于10 m后,相邻硐室间的影响将逐渐减小,接近单硐开挖情况。该方案可为粘土岩预选区建造高放废物处置库提供参考依据。     

COx黏土岩三轴压缩蠕变特性及速率阈值试验研究

 黏土岩具有低渗性和自我裂缝修复能力等优点,被用于高放废物地质处置的候选基岩。出于高放废物处置库的长期性及高安全性要求,研究黏土岩的蠕变破坏特征显得极其重要。通过一系列黏土岩的单级三轴压缩蠕变试验,获得Callovo-Oxfordian(COx)黏土岩较为精确的蠕变速率阈值范围。试验结果表明,发生蠕变破坏的蠕变速率阈值与黏土岩的湿度及所处围压等因素有关。总体上,当轴向蠕变速率低于2.5 µε/h,该类黏土岩很难发生蠕变破坏;但若高于58 µε/h,则黏土岩极易发生加速蠕变破坏;而处于两者之间的速率值,目前试验尚无明确结论。该阈值可用于在稳定蠕变阶段判断黏土岩是否会出现加速蠕变破坏。     

高放废物处置库黏土围岩温度-应力耦合测试方法展望

高放废物深地质处置库围岩在温度及应力耦合作用下的工程稳定性是关系环境安全的关键问题.本文对黏土围岩高放废物处置库在放射性物质放热温度及深部地应力环境应力耦合研究工作中采用的测试方法进行了系统的回顾和总结.从黏土岩热学性能测试方法以及温度对黏土岩力学性质影响研究方法两个方面,对目前高放废物温度-应力耦合特性测试的试验方法...     

软岩隧洞围岩长期稳定性研究

以某洞线穿越典型软岩砂质泥岩地层的水电站引水隧洞为例,基于卸荷岩体力学理论,采用FLAC3D有限差分程序对其施工、运行及流变过程中围岩的受力和变形情况进行模拟,结果表明:(1)分部开挖并及时支护的施工方式能够较好地控制围岩的变形;(2)隧洞开挖后,洞周围岩产生较大的指向洞中的变形,开挖面附近围岩所受压应力大大减小,但总体仍为受压;(3)后期正常运行过程中,洞周围岩的变形逐渐趋于稳定,应力也逐渐向着有利于隧洞整体稳定的方向发展,表明隧洞的长期稳定性良好。研究成果可为软岩地层中隧洞的施工安全及长期稳定性研究提供一定的参考价值。     

基于Lade-Duncan理论的成都黏土统计损伤蠕变模型

为了研究成都黏土的力学特性,基于Lade-Duncan强度理论,建立成都黏土微元体的破坏判据;假设成都黏土微元体损伤服从对数正态分布,建立黏土的损伤变量关系式;通过蠕变试验和分数阶导数理论,分别构建应力条件下的瞬时弹性变形模型和分数阶蠕变模型,并根据黏土应变统一,构建基于Lade-Duncan强度理论的成都黏土统计损伤蠕变本构模型;利用构建的模型进行拟合验证分析发现,瞬时变形的弹性模量由于考虑损伤变量而保持在初始值附近,分数阶蠕变变形的弹性模量和粘滞系数随着应力的增大而减小,表明在黏土模型中考虑统计损伤是科学合理的;分数阶阶数n不仅可以提高对黏土变形特性的描述程度,还可以直观地反映黏土变形的非线性变化过程。     

北山坑探设施开挖全过程围岩内部位移现场量测试验研究

为研究硬岩条件下巷道开挖围岩内部位移变化特征,以高放废物地质处置地下实验室北山坑探设施为试验平台,设计原位试验方案,开展围岩内部位移现场量测试验,分析巷道开挖全过程围岩内部位移的演化特征,采用Lee方程、Hoek方程、V-D方程3个典型LDP曲线方程进行掌子面空间效应分析和损失位移求取。研究结果表明:北山花岗岩地质条件下,巷道爆破开挖全过程中,围岩内部位移变化随掌子面的推进呈现初始增长、快速增长和稳定收敛3个阶段;量测断面附近的围岩内部位移时态曲线呈现出阶跃特征,与分级加载下岩石蠕变试验曲线的形态特征相类似;距离巷道侧壁较远的测点受掌子面空间效应的影响范围较小,且在掌子面前方产生的位移释放量所占比重较大;采用Hoek方程求解的损失位移与实测值更为接近,为最优求解方程;在距掌子面2 m远设置量测断面,其损失位移已占总位移的50%以上。研究结果可为后续地下实验室开挖过程中的围岩内部位移量测和分析提供借鉴与参考。     

Boom Clay泥岩渗流–应力–损伤耦合流变模型、参数反演与工程应用

泥岩由于其低渗透性、良好的蠕变性和遇水损伤自修复特征被认为是一种良好的核废料储存介质,法国、比利时、瑞士等国相继建成地下试验平台,开展泥岩现场多场耦合试验研究.结合比利时地下大型试验室正开展的泥岩研究课题,从泥岩的力学特性、渗透性、开挖扰动区、地下水–围岩相互作用机制以及围岩流变性等方面开展研究,主要研究成果如下:博士学位论文(1) 建立了考虑最大拉应力准则的修正Mohr-Coulomb模型,采用向后欧拉隐式应力积分算法编制了UMAT本构程序;为描述泥岩的硬化和软化行为,将损伤引入到修正的Mohr-Coulomb准则中,基于损伤势函数的概念建立了泥岩弹塑性损伤本构模型,导出了泥岩的损伤演化方程,编制了泥岩弹塑性损伤本构程序.(2) 基于拉丁超立方抽样,提出了采用非参数统计方法中的秩相关系数来评价多因素敏感性的方法;分别建立了基于侧压力系数的三维地应场反演模型、位移量测反演模型和渗流场反演模型,提出Nelder-Mead法与有限元联合反演法,将有限元程序作为一个单独模块嵌入到Nelder-Mead算法程序中,以测点的实测值与计算值建立目标函数,采用精确罚函数法实现有约束的反演问题转化成无约束的反演问题,编制了优化反演分析程序.(3) 针对本构模型的参数辨识问题,编制了本构模型参数反演程序,并根据非排水条件下泥岩三轴试验结果,采用多目标函数优化反分析法获得了泥岩本构模型参数.(4) 在分析软岩与水相互作用机制、不同应力–应变阶段渗透性演化规律以及隧洞围岩渗透性分区的基础上,建立了渗透系数、孔隙度等参数的动态演化方程,导出了岩土介质的渗流–应力动态全耦合模型;基于应力–应变–渗透率全过程试验和渗透性工程试验,通过引入损伤的概念,建立了描述岩体破坏过程的渗流–应力–损伤耦合模型;对隧洞围岩裂隙自愈合机制进行了分析,通过引入愈合应力和水化学愈合因子的概念,建立了描述泥岩裂隙自愈合特性的渗透性自愈合模型;基于现场监测的孔隙压力资料,采用有限元优化法反演了泥岩的渗透系数和渗透性演化方程中的待定参数.(5) 根据泥岩的非线性蠕变变形特点,建立了蠕变损伤与蠕应变的关系式,构造了基于Mohr-Coulomb准则的蠕变势,导出了考虑渗流–应力–损伤耦合的非线性蠕变损伤本构模型,采用了显式积分算法编制了UMAT蠕变本构程序;基于近20 a的现场监测成果,采用位移反分析法获得了本构模型中的待定参数.(6) 在泥岩力学特性、渗透性、本构模型及长期强度准则等研究成果的基础上,采用数值模拟方法,研究储库围岩孔隙压力分布规律、开挖扰动区的损伤演化过程及渗透性演化规律,对围岩稳定性进行评价,预测试验巷道长期稳定性.     

干湿循环对硬黏土的土水特性影响规律研究

 为了客观评估高放核废物地质处置库开挖建设和封存初期围岩面临的非饱和岩土力学问题,针对一种高放核废料储存介质(硬黏土)开展不同干湿循环试验,研究该材料的土水特性变化规律。基于湿度控制吸力方法,研制黏土非饱和测量系统,利用该系统对硬黏土进行不同干湿循环试验,对比分析干湿循环次数和基质吸力变化梯度对硬黏土的土水特征曲线的影响。研究结果发现：干湿循环次数对这种硬黏土的土水特征曲线影响较大,基质吸力变化梯度影响则很小。同时,结合不同干湿循环条件下硬黏土核磁共振细观测试结果,分析出干湿循环和基质吸力对硬黏土的土水特性影响机制。通过分析不同干湿条件下硬黏土的含水分布特征,定量出该硬黏土干湿过程不同孔径内含水变化,揭示其不同孔径含水量等比例变化与水的吸附状态密切相关,为深入理解硬黏土干湿循环过程土水特征曲线变化规律提供试验依据,为高放核废物地质处置围岩水力特性评估奠定试验基础。     

巷道开挖面抗剪承载结构形成和蠕变规律研究

为掌握深部软岩巷道应力承载结构的形成机理和发生剪切蠕变失效规律,通过研究巷道抗剪力学承载结构划分方法和形成特征,掌握该承载结构的空间效应和蠕变效应。以开挖面附近围岩为研究对象,利用工程实测开挖面附近不同区段围岩应力场和裂隙场分布规律,探讨空间效应影响下围岩抗剪承载结构形成机制;通过理论分析方法,基于统一强度准则和岩石三线段力学模型,获得开挖后软岩巷道次生应力场、位移场的定量解析式,推导“弹塑性”位移释放后围岩蠕变定量解析解。由算例结果可知,不同区段围岩承载结构演化规律受空间效应影响较大。最后,根据围岩抗剪承载结构蠕变失效特征,提出动态补强支护方案。     

黄土隧道地层蠕变效应对围岩压力的影响

以某黄土地区公路隧道为研究对象,通过室内单轴蠕变试验来探索不同含水率下原状Q_2黄土的蠕变规律及参数,并基于数值方法分析隧道地层在长期变形效应下的围岩压力及收敛变形演化规律,最后提出考虑长期变形效应的围岩压力分布模式及计算方法,得出:1)黄土地层发生长期变形期间,围岩压力及竖向收敛变形均呈增大趋势,蠕变10 a后,围岩压力基本趋于稳定,围岩压力呈"猫耳朵"形分布。竖向和水平围岩压力平均放大1.61倍和1.33倍,拱顶沉降平均放大1.22倍,水平收敛位移平均减小0.97倍;2)随着隧道埋深的增加,因土体蠕变引起的洞周围岩压力比和收敛变形比总体呈增大趋势,埋深增大会导致围岩应力及变形放大效应更明显;3)地层初始含水率越大,洞周围岩压力及收敛变形量越大,但围岩压力比和收敛变形比反而呈减小趋势;4)将围岩压力比参数引入到Terzaghi理论和谢家烋算式中,提出了修正的围岩压力计算式,可考虑黄土地层长期变形引起的围岩压力放大效应。     

土体固结蠕变模型的有限元分析及工程应用

根据土体的Biot固结有限元方程和修正的Burgers蠕变方程,推导土体非线性弹性黏性固结蠕变有限元方程。利用有限元方程对某软黏土地基固结和蠕变耦合问题进行了分析。该软黏土地基竖向和水平向位移随时间的变化规律是:软黏土地基竖向和水平向位移在加载阶段增加较多,在加载结束后很长一段时间内,还有一定的发展,但增加比较平缓,至后期基本上趋于稳定。反映软黏土蠕变作用的影响较明显。随着深度的增加,软黏土地基超静孔隙水压力消散得越来越慢;随着时间的增加,超静孔隙水压力呈下降的趋势,等加载完毕后,超静孔隙水压力慢慢消散,最后基本消散为零。但加载期间超静孔隙水压力消散得慢,加载间歇时间段内超静孔隙水压力消散得快。工程例子表明,土体固结蠕变有限元方程可以用于软黏土地基变形分析,其变形计算结果符合实测情况。     

盐岩三轴蠕变与损伤恢复变形特征研究

地下盐岩储气库建设在我国能源储备战略中具有重要的地位,盐岩蠕变特性对地下盐岩储气库长期安全运行具有重要意义。为研究长期荷载作用下盐岩蠕变变形与损伤恢复特征,进行了不同围压、定偏应力的三轴蠕变及损伤恢复试验,损伤恢复时长超过150 d。研究结果表明:(1)高偏应力作用下,盐岩试样出现了明显的蠕变变形,轴向变形在30~40 d达到7%,体积变形先压缩后发生扩容;(2)低偏应力作用下,盐岩轴向蠕变变形量较小,体积变形持续压缩并趋于稳定;盐岩体积应变增幅随围压增大而逐渐增大,损伤恢复阶段试验达到150 d时,围压10、15、20、25 MPa对应体积应变分别相对增大1.06%、1.31%、1.30%及1.42%,盐岩体积应变增幅与围压之间呈正线性相关;(3)根据盐岩损伤恢复过程中体积变化特征及盐岩体积变形速率曲线,将盐岩损伤恢复划分为损伤快速恢复与损伤缓慢恢复两个阶段;盐岩损伤恢复主要发生在损伤快速恢复阶段,该阶段的体积增幅均达到全恢复过程的80%以上。     

动态

下期内容预告下期《岩石力学与工程学报》主要发表下列内容的文章:(1)20世纪以来中国的大型滑坡及其发生机制;(2)简化Bishop法严格性的论证;(3)隔河岩水电站厂房后边坡与拱坝的相互作用研究;(4)盐岩非线性蠕变损伤模型及其工程应用;(5)软岩渗透性与应变及层理关系的试验研究;(6)重大水利工程下矿产开采对其安全影响评价及加固措施研究;(7)核废料地质贮存介质--黏土岩三维各向异性热-水-力耦合数值研究;(8)风化花岗岩地层旋转钻进中的能量分析;(9)短文(研究进展与工程实录)。     

高放废物处置库花岗岩热-力耦合模拟研究

根据典型高放废物处置库概念模型,应用FLAC3D有限差分程序模拟计算了数百年内热-力耦合(TM)条件下高放废物地质处置库围岩的温度场、应力场和变形场的变化特征,初步得到在一定废物罐热源强度及衰变函数条件下花岗岩体的热力学特征及处置巷道工程设计的合理间距.模拟结果表明:在-500 m水平建造处置库,按设定的释热强度,处置坑合理间距为8～12 m,废物罐表面温度为130 ℃,处置坑中线岩体最高温度为40 ℃,并保持数百年左右.     

工程岩体非线性蠕变损伤力学模型及其应用

 针对元件组合流变模型多半反映的是蠕变线性关系或发生加速蠕变时间过快的不足,根据工程现场压缩蠕变试验成果,提出工程岩体流变效应的损伤因子,建立非线性损伤黏弹塑性本构模型,通过ABAQUS编制程序并采用压缩蠕变试验的数值模拟,验证蠕变模型和编制程序的正确性。最后,将此非线性蠕变损伤模型应用于大岗山水电站地下厂房的施工开挖全过程的数值仿真,并对考虑损伤和未考虑损伤2种工况的计算结果进行对比分析,结果表明,考虑岩体损伤工况下的围岩体塑性屈服范围和程度、洞壁位移值趋势能更客观地反映工程岩体的变形和破坏特征。     

高放废物处置库花岗岩热–力耦合模拟研究

 根据典型高放废物处置库概念模型,应用FLAC3D有限差分程序模拟计算了数百年内热–力耦合(TM)条件下高放废物地质处置库围岩的温度场、应力场和变形场的变化特征,初步得到在一定废物罐热源强度及衰变函数条件下花岗岩体的热力学特征及处置巷道工程设计的合理间距。模拟结果表明：在－500 m水平建造处置库,按设定的释热强度,处置坑合理间距为8～12 m,废物罐表面温度为130 ℃,处置坑中线岩体最高温度为40 ℃,并保持数百年左右。     

隧道各向异性软岩力学参数反演及蠕变研究

在高地应力条件下具有层理构造的横观各向同性软岩中开挖隧道后,软弱围岩会发生显著的流变变形,直接影响隧道围岩的稳定性及支护结构的长期服役性能。采用数值模型模拟木寨岭隧道大战沟斜井试验洞的开挖蠕变过程,建立并验证了隧道宏观变形特征值与围岩力学计算参数之间的BP神经网络。在此基础上根据6+90试验洞现场变形监测数据,反演得到了该处炭质板岩的塑性及蠕变力学参数。应用另两处监测断面的现场监测曲线验证了基于BP神经网络的反演方法及所得炭质板岩力学参数的可靠性。另外分析了横观各向同性炭质板岩的开挖蠕变力学变形性质,对高地应力条件下横观各向同性软弱围岩中隧洞开挖及支护结构的设计、施工具有重要的指导意义。     

软岩巷道开挖支护数值分析

软岩强度低,且具有明显的蠕变特性,常给地下巷道的开挖和支护带来很大的困难.依据蠕变理论,运用有限元程序ANSYS对某软岩巷道开挖无支护以及开挖以后两种支护方案的巷周位移、应力分布、蠕应变区等结果进行了分析,结果表明软岩巷道开挖以后变形很大以及采用短细密锚杆支护方案较普通长锚杆支护更为合理.