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。     

大岗山水电站地下厂房区初始地应力场Nelder-Mead优化反演研究

初始地应力是大型地下洞室群设计与施工所要考虑的重要因素之一。结合大岗山水电站工程地质条件以及实测地应力资料,分析了地下厂房区初始地应力的影响因素,建立了基于侧压力系数的三维地应力反演模型,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,对建立的地质概化模型进行计算,以实测点地应力值与计算应力值建立精确罚函数误差模型,进行优化逼近分析。通过实测点的计算应力值与现场实测值的比较,从而获得地下厂房区初始地应力场较为合理的分布规律,为水电站开挖模拟及长期稳定性分析提供了合理的初始条件。     

某地下电站厂房围岩稳定性及锚固效应研究

某地下电站厂房围岩属于一种断续节理裂隙切割的节理岩体,其围岩采用了锚杆、锚索加固。作者采用三维断续节理岩体的弹性损伤本构模型、损伤演化方程及损伤岩锚柱单元支护模型分析围岩加固前后的稳定情况,结果表明,能较好地反应围岩的渐近破坏过程和锚杆（索）的加固效果。这些理论成果对设计有参考价值,并对工程实践有指导意义。     

软弱地层注浆的细观力学模拟研究

基于散体介质理论的颗粒流方法,运用PFC2D软件对软弱地层注浆过程进行了细观力学模拟,研究了注浆压力、注浆时间、渗透性质及颗粒黏结强度对浆液扩散半径和注浆类型的影响规律。采用PFC2D软件内嵌的FISH语言,定义了提取特定位置流体域内压力值的函数,研究了浆液扩散的分布特征,考虑浆液黏度的时变性对浆液扩散范围的影响,定义有效注浆半径对其进行修正,得到的浆液扩散规律与球形扩散理论较为一致。结合工程实例进行了注浆细观力学数值模拟,并提出了科学的注浆方案,在现场应用后取得了较好的堵水加固效果     

地下结构碎石排水层抗液化措施数值试验

过数值模拟验证液化的隔振作用。在浅埋地下结构周围设置碎石排水层,应用FLAC3D作碎石排水层法抗液化数值模拟试验,分析不同碎石排水层方案的抗液化效果和液化场施加碎石排水层后地下结构的动力特性变化。计算结果表明,典型液化场中砂土达到液化状态,其加速度、速度、位移振幅马上衰减;砂土在液化状态变为流体,液化过程是砂土体积压应变不断积累增大的过程,液化后体积压应变积累不再增加,液化土有效应力和抗剪强度均为0,不能传递剪力,起隔离外界力的作用,液化场中结构的加速度反应也比非液化场或弹性场小。液化场中结构的存在降低了其周围的动水压力,结构阻障了周围土液化的产生。液化场中地下结构周围设置碎石排水层,结构周围则不会液化,远处液化场超静水压力显著降低,结构不出现上浮,结构下沉,水平漂移减小,内力增大。研究成果为地下结构穿越液化土层设计提供理论及试验基础     

地下工程锚固界面力学模型及其时效性研究

地下工程锚固体接触界面的流变力学特性是锚固体产生时效性的重要因素。针对地下工程长期稳定性分析中常采用的锚固界面法向硬接触和切向黏结滑移突变常导致计算不收敛的困惑,建立了锚固界面法向刚度服从指数分布的软接触型式,并提出剪切面的非线性流变本构模型,解决了计算难以收敛的问题。该模型考虑了法向应力对剪切流变的影响,可以更真实地反映锚固界面流变的力学过程。将建立的锚固界面力学模型植入ABAQUS软件,并应用于地下工程的锚固时效性分析。研究成果表明：地下工程锚固界面产生的剪切流变导致锚杆应力增大,并使得预应力锚杆峰值的位置随着时间发生变化,且有向锚根转移的趋势。研究成果可为地下工程锚固的可靠性分析提供理论依据。     

应用数字图像分析法评价红砂岩渐进损伤破坏特性

为了分析含水状态下红砂岩渐进破坏行为,在已有的岩石细观加载仪上配置数字显微观测系统,对试件表面的裂纹扩展过程进行多角度的实时全场监测和局部显微放大监测,并将可监视到的图像进行录像和计算机自动采集处理。利用该系统进行了红山窑水利枢纽工程地基红砂岩在不同含水率条件下的单轴压缩破裂过程试验,应用数字图像相关技术处理试样表面细观裂纹萌生、扩展图像灰度分布图,去除伪裂纹,探讨了红砂岩动态损伤状态与其宏观力学响应之间的关联。为了获得试样表面裂纹萌生、扩展的定量描述,引入表观裂损度与损伤张量2个物理量,定量评价含水状态下红砂岩渐进损伤破坏特性,进一步分析单轴压缩状态下岩石裂纹损伤演化规律。     

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。     

三峡右岸地下电站厂房围岩稳定性断裂损伤分析

三峡右岸地下电站厂房围岩断续节理发育,为了限制岩体的变形破坏,需采用锚杆（索）进行加固。如何正确估价开挖后洞室围岩节理损伤演化扩展和判断其稳定性是十分重要的。采用损伤学方法得到的加锚节理裂隙岩体的本构关系及其损伤演化方程来评价此类岩体稳定性和变形行为。     

一种岩石统计损伤本构模型的研究

基于岩石的非均质性,假设岩石微元粘聚力服从Weibull分布,微元破坏后其粘聚力降为0,结合统计理论和岩石剪切面上剪力平衡方程,建立了岩石发生剪切破坏时的损伤演化方程。该损伤演化方程考虑了破坏微元的抗压和抗剪能力,能够反映岩石峰后强度逐步丧失过程和残余强度。将该模型编入有限元程序,数值计算了不同围压下岩石应力-应变全过程曲线,与试验曲线比较取得了很好的一致性。