泥岩各向异性热-水-力耦合特性——基于ATLAS Ⅲ现场加热试验

比利时放射性核废料地质备选场址Boom clay是一种典型的横观各向同性材料,在Drucker-Prager帽盖模型的基础上,构建了适用于Boom clay的横观各向同性特点的热-水-力耦合弹塑性本构模型,该模型可反映温度对其强度、弹性模量、渗透性等的影响,并在ABAQUS中进行了二次开发。为验证所建立模型的合理性,结合比利时HADES地下实验室ATLAS Ⅲ现场加热试验结果,应用所提出的模型对加热过程中围岩的温度和孔隙水压力的变化规律进行了数值仿真分析。结果表明:所建立的模型能够正确地描述现场加热试验过程中围岩温度场和孔压场所呈现出的各向异性特征,主要表现为热源水平面内测点的孔压在加热功率升高时先略为下降后才升高,在加热功率下降时先略为升高后才下降,而竖直面内测点的孔压在加热功率升高时立即升高,在加热功率下降时立即下降。研究成果表明,考虑各向异性的THM耦合分析能更好地反映加热过程中泥岩温度场和孔压场的实际分布情况,研究结果对类似工程或现场试验的设计、安全运行提供重要的决策依据。     

黏土岩时效变形特性试验与理论研究

高放废物地质处置岩体材料选取中,黏土岩因具有低渗透性、损伤自修复特性、对放射性核素具有良好的吸附作用等优点,被认为是一种合理的高放废物地质处置屏障。以黏土岩为研究对象,从黏土岩短期、长期力学特性等方面开展研究工作,主要内容如下：（1）进行黏土岩短期自然固结试验,确定了黏土岩的基本物理力学参数,主要包括前期固结压力、压缩指数等;（2）进行流-固耦合固结试验,试验结果表明盐水作用对黏土岩力学特性具有重要影响,且流-固耦合过程中的膨胀现象与黏土岩的黏土矿物含量和类型密切相关;（3）通过对黏土岩进行固结流变试验,研究黏土岩渗流-应力耦合作用下的长期力学特性,试验表明黏土岩具有明显的流变特性,且流变现象与载荷密切相关;（4）根据固结流变试验建立黏土岩一维流变本构模型,同时将模型计算结果与试验结果进行对比,分析表明,该模型能够很好地反映黏土岩一维固结流变特性。该研究对我国未来黏土岩高放废物处置库的规划、设计、选址和运营等具有重要的参考意义。     

泥岩隧道施工过程中渗流场与应力场全耦合损伤模型研究

在连续损伤力学理论基础上,将塑性损伤演化及渗流相互耦合的概念引入Mohr-Coulomb 破坏准则,用于分析在孔隙压力和塑性损伤演化共同作用下岩石损伤演化机制,建立了相应的有限元损伤数值分析模型,并应用于比利时核废料库开挖过程中泥岩隧道附近围岩发生损伤演化、渗流场和应力场耦合过程分析中,得到了开挖引起的围岩损伤特性、孔隙压力以及渗透性的变化规律,为进一步研究隧道流变过程水力耦合特性合理的数值计算模型建立方法提供基础。     

热−水−力耦合条件下黏土岩蠕变特性研究

黏土岩作为放射性核废料处置的备选介质,长期处于热-水-力耦合的复杂条件下。为研究围岩的长期稳定性,开展了一系列不同围压和偏应力下的黏土岩加温-降温排水蠕变试验。得出以下结论：温度的升高会提升黏土岩的蠕变速率,延长衰减蠕变阶段的时间,但是降温过程中试样主要以冷缩变形为主,并未见明显的蠕变变形;围压的降低以及偏应力的增加会提高黏土岩的蠕变速率,并且这种影响会随温度的升高明显加剧。基于试验结果,在Perzyna过应力理论的基础上引入蠕变硬化、蠕变损伤以及热损伤,建立了黏土岩热-水-力耦合蠕变模型。通过ABAQUS软件及其子程序对该模型进行数值实现,模拟结果与试验结果的对比初步表明该模型可以很好地描述热-水-力耦合条件下黏土岩的蠕变特性。     

黏土岩饱和过程中水分运移规律试验研究

黏土岩作为高放废物地质处置库的备选介质,目前得到世界各国的高度重视。黏土岩地质处置库巷道施工过程中,一方面,围岩因开挖损伤生成裂隙使得渗透性增强,对核素的阻滞作用降低;另一方面,在应力和水的耦合作用下,黏土岩良好的裂隙渗透损伤自修复能力使得围岩的渗透性逐渐恢复接近于原始状态。基于电阻率测试,首先开展了黏土岩试样在不同条件下的饱和过程试验研究,得到了黏土岩试样饱和过程中等效电阻率的变化规律,分析了不同损伤程度试样、盐溶液对等效电阻率的影响,进而揭示黏土岩饱和过程中水分运移规律。试验结果表明：（1）等效电阻率随着含水率增加而逐渐减小,并逐渐趋于一个稳定值;（2）等效电阻率的大小不仅与含水率有关,试样内部裂隙的存在也会影响等效电阻率分布,这一发现为电阻率法可以探测试样中裂隙的存在提供了依据;（3）水流在黏土岩中扩散,内部裂隙成为优先通道,水流在裂隙中的快速扩散加快了黏土岩的饱和速度。同时,随着黏土岩中水分与黏土矿物的水化膨胀反应,内部裂隙有一定程度闭合,加深对裂隙闭合机制认识,通过电阻率测试可以有效地揭示这一过程。     

考虑自愈合效应的泥岩巷道开挖扰动区渗透性反演分析

泥岩自愈合特性是核废料库选址评价及储库安全稳定性分析的一项重要研究内容。以某泥岩高放废物处置库为研究背景,在室内和现场试验的基础上,采用指数模型建立了巷道围岩渗透性分布模型和裂隙渗透性自愈合模型;结合巷道围岩孔隙水压力的多年观测资料,通过建立能够反映实际施工过程的水-力耦合计算模型,采用精确罚函数法以及Nelder-Mead算法相结合的有限元优化反分析程序,对巷道围岩渗透性参数进行反演研究。结果表明：反演所得的围岩渗透系数量级与试验值量级均为10-12 m/s,反演孔隙水压力值与实测值比较接近;围岩垂向渗透系数的扰动程度和范围明显大于水平向渗透系数,垂向渗透系数提高了2个数量级,扰动范围约为25 m,渗透性恢复到初始水平时间约需5 a。     

跨海峡海底隧道风化槽围岩力学特性研究

厦门海底隧道工程是我国建设的第一条海底公路隧道。隧道在建设过程中穿越F1～F4 四条断层破碎带,破碎带处洞体围岩软弱、破碎,岩石主要为风化破碎类花岗岩,该类岩石尤其是强风化花岗岩强度低,压缩性高,自稳和自承能力差,给隧道衬砌结构的设计和施工工艺的选择带来一系列特殊的问题。通过对风化破碎类花岗岩（主要包括微风化花岗岩和强风化花岗岩）试样进行一系列的室内试验,重点研究风化槽花岗岩的力学行为。强风化花岗岩三轴压缩试验及流变试验表明：强风化花岗岩强度低、变形大、弹性模量低,在达到峰值后,有明显的塑性流动,通过Mohr-Coulomb准则得到强风化花岗岩的摩擦角 约为31°,黏聚力约为0.1 MPa,且该岩石具有明显的流变特征。在流变试验的基础上,建立适合风化槽围岩特点的流变力学模型。其研究成果为海底隧道风化槽隧道围岩注浆加固和衬砌设计提供可靠依据和技术支撑。     

黏土岩水力耦合特性试验研究

对于高放废物地质处置工程,地质屏障系统是放射性有害物质进入环境的最后一道屏障,也是一条重要防线。黏土岩由于其低渗透性、渗透损伤自修复以及较强的吸附能力等特性,被认为是一种合理的高放废物处置地质屏障。结合比利时正开展的黏土岩高放废物地质处置相关研究课题,通过一系列室内试验研究黏土岩的水力耦合机制及长期蠕变特性。三轴压缩试验表明,黏土岩压缩强度、超孔隙水压力与围压正相关。渗透试验表明,黏土岩渗透性呈现显著的各向异性特征,围压增大使黏土岩渗透性显著降低。蠕变试验表明,黏土岩蠕变变形、蠕变变形速率与载荷密切相关,即：载荷越大,黏土岩蠕变变形越显著,蠕变变形速率达到稳定所需的时间越长,且相应的稳态蠕变速率越大;根据应力阈值和等时曲线法初步确定该黏土岩长期强度在1.0～1.2 MPa。研究结果将为我国未来黏土岩高放废物处置库的选址和安全性评估提供重要科学依据。     

强风化花岗岩弹塑性本构模型研究(Ⅰ):理论模型及参数反演

厦门翔安隧道是国内修建的第一条海底隧道,其相关勘察、设计以及施工经验和工程总结材料将对国内其他海底隧道的建设具有十分重要的借鉴作用。与山岭隧道相比,需要解决的岩体力学与隧道工程结构设计等方面的问题不尽相同,存在不少现行规范未能涵盖而又亟待在设计中予以明确回答的问题。根据厦门翔安海底隧道风化槽强风化花岗岩的室内应力-渗流耦合试验成果,建立了强风化花岗岩的应变硬化的弹塑性模型和黏聚力演化方程,通过反演确定了模型的力学参数。研究表明,提出的应变硬化的弹塑性模型能合理地反映强风化花岗岩的力学特性,其成果具有很好的推广应用价值。     

应力-温度对低渗透介质渗透率影响研究

在石油/天然气地下储存、核废料地下处置等工程中,低渗透介质的渗透率测试及其随着应力、温度的变化是工程稳定性和环境评价的基础。通过研制的低渗透介质温度-渗流-应力耦合三轴仪（T-M-PTS）,对不同静水压力、不同温度条件下锦屏大理岩的渗透率进行了渗透特性测试,并通过微裂隙模型从理论方面对致密岩石渗透率演化进行了研究。研究结果表明：（1）致密岩石中气体渗透的Klinkenberg效应显著,不能忽略;（2）基于统计理论和逾渗理论的圆盘裂隙模型可以较好地模拟致密岩石扩容和压密过程中渗透率演化特征;（3）静水压力增大,渗透率降低,其降低趋势是开始压缩阶段降低速率较快,随后降低速率越来越小;（4）温度升高,岩石弹性模量降低,岩石被压缩得更加致密,渗透率降低较为明显,从15℃升高至40℃即会降低一个量级,低至3.9×10-21 m2。