粘土巖細-宏觀水-力耦合機理及圍巖穩(wěn)定性分析

本項目以我國粘土巖地下工程圍巖穩(wěn)定性問題為研究背景，開展了針對粘土巖的一系列室內(nèi)試驗和測試，揭示了粘土巖水-力耦合力學機理，建立了粘土巖短長期水-力耦合模型，提出了粘土巖地下工程圍巖損傷破壞與穩(wěn)定性數(shù)值分析方法。經(jīng)過本項目4年持續(xù)不斷的深入研究，取得了如下成果： （1）完成了粘土巖一系列室內(nèi)宏細觀和短長期力學試驗，包括常規(guī)室內(nèi)三軸試驗，三軸蠕變試驗，納米壓痕試驗以及滲透試驗，揭示了粘土巖中主要礦物成份對宏觀力學行為的影響機理、水相和主要礦物成份相互作用機理以及主要礦物成份含量變化對其水-力耦合行為的影響機理。 （2）以試驗結果和分析為基礎，采用非線性均勻化方法，建立了描述天然粘土巖短長期力學行為的多尺度模型；借助滲透系數(shù)試驗，建立粘土巖水-力耦合模型；基于不同濕度下的物性、三軸壓縮和蠕變及滲透系數(shù)試驗，考慮毛細壓力和表面張力的作用，建立了非飽和粘土巖短長期力學模型，進而建立了非飽和粘土巖水-力耦合模型；提出了粘土巖地下工程圍巖損傷破壞與穩(wěn)定性數(shù)值分析方法。 （3）在國內(nèi)外學術交流方面：在基金的資助下去法國里爾科技大學里爾力學國家實驗室、美國普渡大學進行了交流訪問；參加了國內(nèi)外本領域重要學術會議20次，并舉辦了兩次本專業(yè)領域的國際研討會，如巖土材料時效力學特性研究國際研討會和第一屆巖土力學與地下工程國際研討會，在這些會議上都作了關于本課題研究成果和進展的學術報告。 （4）本課題共發(fā)表見刊SCI論文共計19篇，已培養(yǎng)畢業(yè)博士研究生3名；授權發(fā)明專利1項，并獲得江蘇省科學技術二等獎1項，排名第1，水力發(fā)電科學技術獎一等獎1項，排名第6。 綜上，本課題在國家自然科學基金項目的資助下，圓滿完成了各項工作任務，取得了高質量的研究成果，達到了預期研究目標，完成的工作任務指標在各方面均超過了預期。 2100433B

本項目以我國粘土巖地下工程圍巖穩(wěn)定性為研究核心。采用一系列室內(nèi)試驗和測試，揭示粘土巖中主要礦物成份對宏觀力學行為的影響機理、水相和主要礦物成份相互作用機理以及主要礦物成份含量變化對其水-力耦合行為的影響機理。以試驗結果和分析為基礎，采用非線性均勻化方法，建立描述天然粘土巖短長期力學行為的多尺度模型；借助滲透系數(shù)試驗，建立粘土巖水-力耦合模型；基于不同濕度下的物性、三軸壓縮和蠕變及滲透系數(shù)試驗，考慮毛細壓力和表面張力的作用，建立非飽和粘土巖短長期力學模型，進而建立非飽和粘土巖水-力耦合模型；提出粘土巖地下工程圍巖損傷破壞與穩(wěn)定性數(shù)值分析方法，依托我國核廢料粘土巖處置庫候選場址進行工程應用和驗證。本項目的研究成果可為我國粘土巖地下工程的設計和圍巖穩(wěn)定性分析提供理論和技術。

高混凝土壩等水工混凝土結構在澆筑成形過程中普遍存在的微細裂紋和缺陷?？梢鹦铝鸭y甚至宏觀裂縫。針對高混凝土壩的結構特點，利用地下水溫度環(huán)境耦合模擬試驗系統(tǒng)建立滲流-應力-溫度等多場耦合的試驗模型，進行多場耦合條件下水工混凝土結構裂縫萌生、發(fā)展的室內(nèi)模擬試驗，研究并揭示水力劈裂的機理。結合斷裂力學、損傷力學理論和雙K斷裂模型，采用無單元法與有限元法耦合分析技術，分析研究水工混凝土結構在滲流和溫度作用下裂縫從萌生、發(fā)展到失穩(wěn)的過程，揭示裂縫擴展的變化規(guī)律以及水力劈裂的形成和擴展機理，建立溫度-滲流-應力耦合條件下水工混凝土結構水力劈裂的數(shù)值分析模型，以預測裂紋的萌生位置和擴展長度，實現(xiàn)水工混凝土結構水力劈裂全過程的仿真模擬。高混凝土壩易出現(xiàn)裂縫并進一步擴展危及結構安全，尤其是壩踵等部位，故該成果可廣泛應用于水工混凝土結構的計算分析和安全評價，不僅具有理論意義，而且具有重要的應用價值。

前面的研究成果為我們討論粘土巖、泥巖等軟弱巖層的泥化和崩解機理提供了啟示。當原來處于力學平衡狀態(tài)的軟弱巖層由于地質構造運動或人類工程活動的作用，可能出現(xiàn)如下幾種情況。

(1)軟弱巖層沿層間界面破裂并發(fā)生層間大位移錯動。

(2)軟弱巖層聞界面局部破裂，但不發(fā)生層間大位移錯動。

(3)巖層斷面暴露在大氣中。

前兩種情況出現(xiàn)在深埋的地下，后一種情況常出現(xiàn)在人類的工程活動申，如洞室開挖。但不論哪一種情況，軟弱巖層的泥化都有一個共同的經(jīng)歷，即失水-吸水-泥化或崩解。

本項目根據(jù)堆石混凝土工程的密實性與超大骨料等工程問題提煉出的科學問題開展研究，在Bingham兩相流體在復雜空隙中流動、堆石體與自密實混凝土相互耦合作用、超大粒徑混凝土細觀力學模擬與綜合性能等領域開展了深入研究，發(fā)展了二維、三維LBM-DEM耦合模擬模擬堆石混凝土澆筑過程，揭示了澆筑過程的流動規(guī)律和堵塞機理，提出了臨界阻塞條件主要依賴于自密實混凝土最大骨料粒徑與堆石孔隙尺寸之比以及自密實的流動性能，從科學角度解釋了堆石混凝土實際工藝參數(shù)中：1）自密實混凝土最大粒徑小于20mm、堆石粒徑必須大于300mm的規(guī)定有一定富裕度，可以優(yōu)化以進一步降低造價；2）自密實混凝土流動性能是保障堆石混凝土密實度的關鍵因素，除傳統(tǒng)的V漏斗與塌落擴展度以外，還必須加入穩(wěn)定性指標。本研究發(fā)展的穩(wěn)定性試驗方法和指標已經(jīng)進入最新編制的行業(yè)標準，本項目的研究直接促進了技術進步。本項目還采用物理試驗、細觀力學模擬和有限元仿真分析等綜合手段研究了堆石混凝土熱物理及強度等力學性能與自密實混凝土性能的關系，建立了相關公式，進入了堆石混凝土技術標準體系，為堆石混凝土高重力壩和堆石混凝土拱壩建設提供了強有力的技術與理論支撐。本項目研究成果共發(fā)表SCI論文44篇，出版1部學術專著，參與主編了3個堆石混凝土相關技術標準，主持編寫了2本國際技術文件，獲得8項國家發(fā)明專利授權，另有8項發(fā)明專利正在實質審查，培養(yǎng)了10余名博士及一批碩士，項目組成員王進廷教授獲得國家自然科學基金杰出青年基金資助。本研究成果獲得了教育部技術發(fā)明一等獎和國家技術發(fā)明二等獎。 2100433B