深埋隧洞力学响应监测与测试设计的思考

深埋隧洞工程越来越多,但相关工程经验积累不足,设计和计算方法远未成熟,深埋隧洞工程设计和施工安全控制需要大量现场监测和测试数据的支撑,而现有的监测和测试设计方法均针对浅埋工程的特点提出,在深埋隧洞施工过程中应用时遭遇到极大挑战。为此,首先依据现场揭露现象和多种先进观测技术获得的成果,分析了深埋硬岩隧洞施工期围岩的开挖力学响应特征和运行期衬砌的力学响应特征,剖析了现今主流观测方法存在的问题,提出了6条关于深埋隧洞典型断面监测和测试设计的建议,为促进此类工程相关设计方法的完善提供参考。     

层间错动带的强度参数取值探讨

为获得高应力下具有剪切错动历史、延展规模大、组合结构和矿物构成多元化等特点的白鹤滩层间错动带强度值（黏聚力和内摩擦角）,首先介绍了6种错动带试验研究,包括针对错动带泥化软层的环剪试验、高压直剪试验和三轴压缩试验,以及针对错动带复合体的直剪试验、三轴压缩试验和现场试验。综合分析不同试验对象和不同试验条件下获得的错动带强度值,归纳出了错动带黏聚力和内摩擦角与试验方式、加载的法向应力大小、试样特点及含水率之间的关系,并发现白鹤滩错动带强度特性具有典型的组合体结构效应、弱胶结效应、围压效应、水软化效应。在此基础上,提出“原状错动带强度”和“扰动错动带强度”两个概念,并进一步讨论了白鹤滩厂址区原状的和扰动的层间错动带强度参数取值问题。其研究结果可为白鹤滩地下洞室群的安全设计和深部地下工程中同类泥化夹层的力学参数取值提供参考     

应力作用下岩石的化学动力学溶解机制研究

通过结合化学热力学及动力学、过渡态理论和岩石力学等方面的知识,建立了应力作用下岩石的溶解动力学模型,分析了应力作用对岩石固相物质活度及矿物溶解动力学速率的影响,探讨了应力作用下水岩相互作用机制。研究结果表明：岩石所承受应力与周围流体压力之间存在的应力差所产生的化学势差是应力作用下溶解反应的驱动力;应力的施加显著提高了岩石中固相物质的活度,由此加快了矿物溶解反应的动力学速率;应力作用下的岩石细观溶解机制可根据固液界面应力分配及优先溶解部位上的差别分别用水膜扩散模型或岛渠模型进行描述;应力作用下水岩相互作用存在着应力、化学与渗流的3场耦合问题：应力推动化学反应的发生,化学作用使得岩石表面的细观形貌发生改变,局部的应力分布及大小也随着形貌的变化而改变,进而影响化学反应发生的位置及进程,同时也改变渗流通道的演化规律     

岩石抗剪强度参数的理论概率分布形态研究

岩石抗剪强度参数的概率分布形态是岩石工程可靠度分析和设计的基础。在考虑完整岩石压缩强度为服从正态分布随机变量的条件下,针对Mohr-Coulomb和Drucker-Prager屈服准则的线性系数形式,基于随机变量函数分布理论推导出岩石抗剪强度参数内摩擦角 和黏聚力 的概率密度函数。 和 概率密度函数显示：不仅岩石压缩强度和抗剪强度参数概率分布具有非一致性,而且根据不同屈服准则计算得出的岩石抗剪强度参数概率分布也具有非一致性。在进一步分析屈服准则系数具有不同变异系数和相关系数时的抗剪强度参数概率密度函数特征的基础上,提出根据概率分布的偏度和峰度确定一般情况下抗剪强度参数概率分布形态的方法,从理论上解决岩石压缩强度与抗剪强度参数分布的协调性问题。最后,对大理岩常规三轴压缩试验得出的抗剪强度参数进行大样本统计分析,验证了其概率密度函数理论推导的正确性以及概率分布形态确定方法的合理性。该研究为实际岩石强度概率分析时选择抗剪强度参数合理概率分布形式提供了理论指导。     

温度周期作用下大理岩三轴蠕变试验与理论模型研究

为了解温度周期作用对大理岩蠕变力学特性的影响,采用温度-应力-渗流耦合的岩石力学三轴流变试验系统对大理岩进行了不同温度及温度周期变化下三轴压缩蠕变试验。基于试验结果,研究了大理岩试样在不同温度及温度周期变化下轴向应变随时间的变化规律,分析了不同温度及温度周期变化下蠕变的变形机制,掌握了温度对大理岩三轴蠕变影响的基本规律,并且建立了考虑温度及温度周期变化影响的改进的Burgers模型。理论值与试验结果非常接近,表明考虑温度及温度周期变化的改进Burgers模型适合描述大理岩的黏弹性蠕变特征。为长期暴露于外部环境下的岩质边坡的长期稳定性分析提供了重要的参考依据。     

水压和应力耦合下脆性岩石蠕变与破坏时效机制研究

基于水压和应力耦合作用下锦屏深部大理岩的三轴蠕变试验,研究了大理岩的变形时效特性、等时曲线特征以及时效破坏机制。研究结果表明,(1) 孔隙水压可以增强大理岩的时效变形能力,有水压时的稳态蠕变率大于无水压状态时的稳态蠕变率。(2) 裂纹扩容失稳应力强度比可以作为硬脆性岩石是否发生失稳蠕变的门限值,且当应力强度比到达这一门限值时,岩石的失稳概率随着时间发展而陡增。(3) 体积蠕变量大于侧向和轴向的蠕变量值,显示脆性岩石扩容蠕变效应特征显著。(4) 不同时刻的等时曲线具有明显的相似性,在发生加速蠕变之前,等时曲线基本呈线性特征;而在发生加速蠕变时,等时曲线呈显著非线性特征。     

水化学溶液下灰岩力学特性及神经网络模拟研究

基于水化学溶液浸泡的饱和灰岩三轴压缩试验结果,分析了影响灰岩变形及强度等力学特性的主要因素,认为随溶液酸碱度增加,弹性模量及峰值强度均有降低的趋势;相同pH值,Na2SO4溶液、蒸馏水和CaCl2溶液对灰岩强度的弱化程度依次降低;随着围压的增加,岩石强度逐渐增大,岩石到达峰值强度时的轴向变形也越来越大,塑性变形明显增加。考虑应力路径和化学溶液的影响,利用遗传算法优化神经网络结构,建立了进化神经网络本构模型。通过样本学习模型能较好地描述化学环境下灰岩的力学性能,5种不同化学环境下的力学试验验证了进化神经网络模型模拟结果的可靠性,该方法可以推广到化学环境下其他岩石的力学试验模拟。     

地下多洞室结构的中隔墙安全度区间计算方法

针对地下工程中相邻洞室和隧道群的中隔墙稳定性问题,提出一种基于虚拟应力系数原理的多洞结构中隔墙安全度定量计算方法。该方法通过迭代搜索一个虚拟应力系数K,使得在K倍初始地应力下洞群中隔墙正好出现贯通性的等效塑性应变带,并由此确定中隔墙安全度的下限值。同时,分析不同虚拟应力作用下中隔墙等效塑性应变带两侧特征点的相对变形特征曲线,以相对变形曲线出现突变拐点时对应的虚拟应力系数作为中隔墙安全度的上限值,从而获得中隔墙的安全度区间。通过对一物理模型试验结果的验证分析和西南一大型水电地下洞群中隔墙安全度的计算表明,该方法可以合理地给出中隔墙的安全区间,可为地下多洞室或隧道群中隔墙的安全性定量评价和支护设计提供科学依据。     

岩土流变数值计算中一些问题的探讨

针对黏弹性组合模型中的两类参数,即拉压模量和拉压黏性系数以及剪切模量和剪切黏性系数在数值反分析和正分析应用中存在的概念模糊,以及转换不合理等一些问题,首先分析了这两类参数概念上的差异,接着从理论上建立了拉压模量和拉压黏性系数（常体积模量假设下广义Kelvin模型）到剪切模量和剪切黏性系数之间的转换关系,并通过一个算例,从正分析和参数反演两个角度,对这些问题进行了探讨,给出了产生这些问题的内在原因。最后,提出了解决这些问题的可行性措施,并指出这一解决措施也同样适用于其它假设情况。     

锦屏二级水电站厂址区域三维地应力场非线性反演

锦屏二级水电站是雅砻江干流上重要的梯级电站。电站厂址区域山体雄伟,地形陡倾,为一个典型“V”型河谷地貌。受印支、燕山和喜马拉雅等区域构造运动作用,该区域地层中赋存有较大的构造应力,而新生代以来的雅砻江侵蚀下切作用又使得地层中的构造应力得到一定程度的释放。为全面研究内外动力地质作用对厂址区域现今地应力场的影响并获得该区域地应力分布,提出结合地层剥蚀模拟、弹塑性计算和进化神经网络的地应力非线性反演方法。该方法一定程度上考虑了远古构造的先后顺序,并可模拟了河流侵蚀下切过程对现今应力场的影响。将地应力的实测值与反演值对比、现场洞室围岩破坏特征两方面分析都表明该方法具有较好的可靠性。