水力耦合作用下巖石流變力學特性與滲透性試驗研究

本項目以高壩壩基和地下洞室在長期滲流作用下的穩(wěn)定性問題為工程背景，開展針對壩基或洞室?guī)r體在水-力耦合作用下流變力學特性的試驗研究。經(jīng)過本項目3年持續(xù)不斷的深入研究，取得了如下成果： （1）研制和改造了考慮滲流應(yīng)力耦合條件下的巖石三軸滲流流變力學實驗系統(tǒng)，完成了砂巖、花崗巖等脆性巖石水力耦合條件下的常規(guī)三軸試驗和三軸流變力學試驗，研究了滲透壓力對巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及流變變形的影響規(guī)律，對巖石在應(yīng)力應(yīng)變過程中的及流變變形過程中的滲透性演化規(guī)律進行了探討，并通過電鏡掃描試驗和其他物理實驗分析了巖石流變變形破壞的微觀機理。 （2）基于唯象的損傷力學和孔隙介質(zhì)力學理論，發(fā)展了可模擬巖石三階段流變特征的流變損傷模型，并考慮孔隙水壓力的作用；提出了基于熱力學框架下的離散粘彈塑性模型和基于細觀力學的巖石損傷流變模型對砂巖的時效變形進行了較好的模擬，模型可進一步推廣到考慮孔隙水壓力的作用。 （3）在國內(nèi)外學術(shù)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，在訪問期間，與法國里爾科技大學邵建富教授、里爾中央理工大學Skoczylas教授分別就巖石時效力學的宏細觀力學模型以及巖石滲透性測試方法方面進行了合作研究和討論；參加了國內(nèi)外本領(lǐng)域重要學術(shù)會議7次，如12次全國巖石力學與工程學術(shù)大會，基金委主辦的巖土力學與巖土工程國際研究熱點前沿青年科學家論壇，第四屆巖土工程安全與風險國際研討會等，并協(xié)辦和參加了兩次本專業(yè)領(lǐng)域的小型國際研討會，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(guān)于本課題研究成果和進展的學術(shù)報告。 （4）本課題共發(fā)表見刊或錄用的論文共計20篇，其中SCI論文8篇，EI源刊論文6篇，ISTP論文1篇，其他論文5篇；負責人為第一作者發(fā)表的論文11篇，其中SCI論文4篇，EI論文5篇。已培養(yǎng)畢業(yè)碩士研究生4名，協(xié)助培養(yǎng)博士生2名；授權(quán)發(fā)明專利2項，申請發(fā)明專利3項。并獲得江蘇省科學技術(shù)二等獎1項，排名第4，水力發(fā)電科學技術(shù)獎一等獎1項，排名第6。 綜上，本課題在青年科學基金項目的資助下，圓滿完成了各項工作任務(wù)，取得了高質(zhì)量的研究成果，達到了預(yù)期研究目標，完成的工作任務(wù)指標在各方面均超過了預(yù)期。 2100433B

巖體滲流和流變是水利水電巖石工程中經(jīng)常遇到的兩大問題，與工程的安全和長期穩(wěn)定性緊密相關(guān)。本項目以高壩壩基和地下洞室在長期滲流作用下的穩(wěn)定性問題為工程背景，開展針對壩基或洞室?guī)r體在水-力耦合作用下流變力學特性的試驗研究。通過一系列不同應(yīng)力水平（包括圍壓、偏壓和滲透壓等）和不同應(yīng)力路徑下的室內(nèi)常規(guī)和流變試驗以及滲透性試驗，研究巖石的應(yīng)力-滲流-流變的耦合作用機理和滲透性的變化規(guī)律，建立應(yīng)力、應(yīng)變和滲透系數(shù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，并進一步借助微觀試驗方法探討巖石在滲流作用下流變破壞的力學機理。在室內(nèi)試驗成果的基礎(chǔ)上，運用孔隙介質(zhì)力學和損傷力學理論，初步建立考慮流變損傷和滲透性演化的巖石水-力耦合流變模型。本項目的研究成果可進一步深化巖石水-力耦合和流變力學的試驗和理論研究，為大型巖石工程復雜條件下的長期穩(wěn)定性分析和評價提供理論基礎(chǔ)。

本項目通過三年的研究工作，已完成項目計劃內(nèi)容，并取得了一系列研究成果。 本項目從汶川地震收集的山嶺隧道震害資料出發(fā)，統(tǒng)計分析了汶川地震中山嶺隧道的震害資料，提出了山嶺隧道抗震風險層次分析模型，深入調(diào)查了受損隧道的地質(zhì)構(gòu)造情況，研究了跨斷層隧道的震害特征，并系統(tǒng)描述了跨斷層隧道的震害形態(tài)。 通過斷層活動與地震耦合作用下隧道—斷層體系的災(zāi)變機理研究，提出了采用損傷指標和能量指標分析隧道—斷層體系的非線性反應(yīng)，建立起基于損傷指標和能量指標的隧道—斷層體系的安全性評價體系。并提出了在隧道斷層處設(shè)置結(jié)構(gòu)構(gòu)造的措施。 根據(jù)穿越活動斷層隧道的地震動力響應(yīng)特性，分析了不同影響因素下隧道縱向抗震設(shè)防長度，數(shù)值模擬結(jié)合振動臺試驗，提出了分級量化指標。根據(jù)震害調(diào)查分析及模擬結(jié)果，對斷層區(qū)隧道的抗震設(shè)防進行了分段，根據(jù)不同位置制定了不同的對策措施，并且通過現(xiàn)場測試驗證，修改完善了設(shè)防體系，最終提出了跨斷層隧道抗震設(shè)防應(yīng)用性設(shè)計參數(shù)。 發(fā)表學術(shù)論文10篇，其中SCI收錄2篇，EI收錄7篇，部分研究成果發(fā)表在《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》（SCI收錄）、《Disaster Advances》（SCI收錄）、《中南大學學報（自然科學版）》(EI收錄)、計算力學學報學報(EI收錄)、土木工程學報(EI收錄)及《現(xiàn)代隧道技術(shù)》(EI收錄)等國內(nèi)外期刊上。另外，發(fā)表學術(shù)專著一部，并獲得大連市人民政府資助出版。 2100433B

一般認為洞口段是隧道抗震的薄弱部位，但是5.12汶川地震隧道震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)不少隧道洞身段也發(fā)生開裂破壞，甚至倒塌。究其原因，主要是這些隧道穿越地層條件多為斷層破碎帶。項目以西部高烈度地震區(qū)和活動斷裂區(qū)若干隧道工程為研究對象，從隧道動力學、地震工程學及地質(zhì)學等學科基礎(chǔ)理論出發(fā)，結(jié)合汶川地震跨斷層隧道震害調(diào)查資料，采用地震模擬振動臺試驗和三維數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法，系統(tǒng)研究地震與活動斷層耦合作用下隧道-圍巖-斷層系統(tǒng)的災(zāi)變機理與控制對策。包括引入損傷理論和能量原理建立隧道抗震安全性評價方法；提出隧道采用柔性接頭形式穿越活動斷層，綜合考慮柔性接頭的可蠕動性與抗震性耦合技術(shù)，實現(xiàn)隧道正常使用階段的安全性與地震發(fā)生時的大變形吸能能力的合理均衡。項目預(yù)期將建立隧道安全性評價理論、方法以及災(zāi)害控制對策。項目的研究對于深入揭示活動斷層區(qū)隧道地震破壞機理具有重要意義，為隧道抗震設(shè)計提供科學依據(jù)。

我國城市軌道交通盾構(gòu)隧道面臨的健康服役問題日益突出，如何準確評價和預(yù)測其結(jié)構(gòu)性能是當前亟需研究的基礎(chǔ)科學問題之一。本項目擬采用理論推導和模擬試驗等手段，綜合考慮氯鹽環(huán)境和列車荷載的耦合作用，研究動力荷載對氯離子遷移擴散的影響規(guī)律和作用機理，建立動載和氯鹽耦合作用下的離子遷移擴散模型、混凝土鋼筋蝕變累積模型以及能考慮盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)受力特征的混凝土銹脹開裂模型，進而，提出動載和氯鹽耦合作用下盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)性能演化分析模型和方法，為我國盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)性能評估和壽命預(yù)計提供理論支持。研究成果可廣泛應(yīng)用于我國城市地鐵盾構(gòu)區(qū)間隧道建設(shè)中，對我國地鐵建設(shè)的長期健康發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。