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。     

用改进的DDA方法模拟公路隧道的稳定性

用改进的非连续变形分析(DDA)方法对某公路隧道进行了稳定性分析。采用有限元网格生成方法--行波法,在计算区域内自动生成三角形的DDA块体。块体的边界分为真实节理和虚拟节理,虚拟节理的强度取岩体的真实强度。另外,计算中还考虑了预应力锚杆对隧道围岩的加固作用。将计算得到的隧道拱顶、边墙的位移与现场监测结果进行了对比,两者基本吻合,说明改进的DDA方法在地下隧道的稳定性分析方面具有应有前景。     

水下盾构隧道运营期管片应变增量变化规律研究

掌握水下盾构隧道运营期结构正常响应规律是进行结构异常响应预警的前提。基于武汉长江隧道健康监测系统,首次获得了长期运营过程中（2013－2020年）管片应变监测数据,系统研究了应变增量分布规律、应变增量与温度增量和水位增量的关联关系、以及相邻管片应变增量空间的关联关系,提出了基于应变增量的结构异常响应预警方法并确定了相应的预警阈值。研究结果表明：（1）正常运营期应变增量分布尾部比正态分布更重,指数分布可以较好地描述应变增量绝对值的分布规律;（2）应变增量难以预测,但是其变化范围可以通过统计分析确定,据此可提出一种结构异常响应单测点预警方法并确定其预警阈值;（3）正常运营期间,相邻管片应变增量存在一种“你胀我缩”的变形模式,使得相邻管片平均应变增量能被约束在一个相对较小的变化范围,据此可提出一种结构异常响应多测点联合预警方法并确定其预警阈值。     

断裂损伤耦合模型在围岩稳定性分析中的应用

岩体的非线性变形是速率相关的时间过程。岩体开挖后，其内部应力场的调整与其内部的节理裂隙的扩展密不可分。基于损伤力学中等效应变和有效应力的概念，建立考虑节理裂隙断裂损伤耦合的力学模型，并将其应用于山西万家寨引黄中总干线一，二级泵站地下厂房围岩稳定性分析中，计算结果表明，应用所建模可以较好地反映工程岩体的特性。     

隧道结构在线监测数据分析方法研究

数据管理系统完成监测数据预处理,在健康监测系统中具有重要地位。通过比选利用罗曼诺夫斯基准则(t检验法)进行监测数据粗差检测。小波降噪方法可以有效去除监测数据中由于环境等因素引起的误差(噪声),获得更真实的监测数据,但目前如何选取阈值函数、阈值和分解层数等问题未形成统一认识。利用武汉长江隧道健康监测系统中39组监测数据,从统计学的角度对比分析了不同阈值和阈值函数组合下的小波降噪效果,结果表明,选择Rigrsure阈值和硬阈值函数进行4~5层分解降噪效果最好,将所得的研究结果应用于武汉长江隧道健康监测系统中其他同期监测数据的降噪中取得了满意的效果。在此基础上进一步研究表明,相比于原始监测数据,利用降噪后数据预警可以有效避免虚警的产生。最后提出利用小波降噪和最小二乘法结合进行监测数据预测的方法,实践表明,预测结果准确可靠。     

周期振荡法在低渗透测量中的应用研究

周期振荡法是一种新兴的多孔介质渗透率测量方法，具有测量周期短、稳定性好、精度高等优点。然而，由于缺乏对周期振荡法的系统研究，该方法未能在低渗透测量领域得到推广应用。采用数值模拟方法，分别研究了不同孔隙率、渗透率对周期振荡法气压测量结果的影响，以及不同形式周期波在周期振荡法渗透率测量中的适用性。结果表明：无论是孔隙率，还是渗透率都会影响气体压力传递过程；周期振荡法渗透率测量时可以不需要初始气压平衡过程，一定时间后测量结果几乎不受初始气压状态影响；与正弦波相比，方波对下游气体压力响应的影响更明显，而且方波、三角波和锯齿波具有容易加载的特点，建议采用方波取代正弦波进行周期振荡法试验。研究成果对指导周期振荡法试验和解决低渗透测量难题有一定帮助。     

浅埋破碎地层隧道施工方法研究

西藏扎墨公路嘎隆拉隧道所处地域地质条件复杂,受地质构造的影响,隧道口地层节理裂隙特别发育、岩石强度低,围岩自稳能力差,给隧道的施工安全带来很大影响。通过数值仿真研究破碎地层采用全断面、台阶法和CD法施工时围岩和支护结构稳定性,提出适合嘎隆拉隧道破碎围岩地层特点的三台阶开挖法。在此基础上,运用三维数值仿真计算嘎隆拉隧道三台阶法开挖过程中的围岩稳定性,研究隧道开挖时围岩和衬砌的受力变形情况。研究成果为该隧道施工和同类工程建设提供了理论依据和实践经验     

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。     

急倾斜软硬互层巷道变形破坏机制及支护技术研究

针对急倾斜软硬互层巷道围岩大变形控制难题,采用现场试验、理论分析和数值仿真等多种手段,研究急倾斜巷道围岩变形破坏机制,研究结果表明：急倾斜软硬互层巷道的变形与破坏具有非对称性,偏压作用明显,呈现顶板下滑,底板臌起的相互错动变形特征,底臌严重且易片帮冒顶。巷道断面与岩层倾斜方向的钝角部位受侧向约束小,因而剪切滑移变形较大,是产生非对称变形破坏的关键部位;下帮围岩变形破坏较上帮更为严重。基于急倾斜巷道的变形破坏特点,提出在锚- 网-索耦合支护的基础上利用锚索、底角锚杆等对产生差异变形破坏的关键部位进行加强支护的方法,巷道大变形得到了有效控制。     

热-应力-损伤耦合作用下深埋隧洞围岩稳定性分析

以热力学和弹塑性力学理论为基础,分析岩石热-力完全耦合作用及其对力学参数和热特性参数的影响,建立了岩石热-力-损伤耦合模型及其参数演化方程,以ABAQUS软件为平台对其进行二次开发,并通过典型算例验证了岩石热-力完全耦合的重要性。然后以某深埋软岩隧洞为例,研究温度和开挖卸载共同作用下的隧洞围岩力学行为和损伤过程。计算结果表明：温度对岩石的力学性质和损伤演化过程影响显著,开挖损伤和热应力诱发的损伤对围岩热力学参数的影响不可忽略;所提出的力学模型可以有效反映围岩损伤演化、调热圈演化以及热力学参数演化,具有一定的借鉴作用。