水力耦合作用下巖石流變力學(xué)特性與滲透性試驗(yàn)研究項(xiàng)目摘要

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(xiàng)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(duì)壩基或洞室?guī)r體在水-力耦合作用下流變力學(xué)特性的試驗(yàn)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(yàn)以及滲透性試驗(yàn)，研究巖石的應(yīng)力-滲流-流變的耦合作用機(jī)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(jìn)一步借助微觀試驗(yàn)方法探討巖石在滲流作用下流變破壞的力學(xué)機(jī)理。在室內(nèi)試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上，運(yùn)用孔隙介質(zhì)力學(xué)和損傷力學(xué)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(xiàng)目的研究成果可進(jìn)一步深化巖石水-力耦合和流變力學(xué)的試驗(yàn)和理論研究，為大型巖石工程復(fù)雜條件下的長期穩(wěn)定性分析和評(píng)價(jià)提供理論基礎(chǔ)。

本項(xiàng)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(duì)壩基或洞室?guī)r體在水-力耦合作用下流變力學(xué)特性的試驗(yàn)研究。經(jīng)過本項(xiàng)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(xué)實(shí)驗(yàn)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(yàn)和三軸流變力學(xué)試驗(yàn)，研究了滲透壓力對(duì)巖石應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系及流變變形的影響規(guī)律，對(duì)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(jìn)行了探討，并通過電鏡掃描試驗(yàn)和其他物理實(shí)驗(yàn)分析了巖石流變變形破壞的微觀機(jī)理。 （2）基于唯象的損傷力學(xué)和孔隙介質(zhì)力學(xué)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(xué)框架下的離散粘彈塑性模型和基于細(xì)觀力學(xué)的巖石損傷流變模型對(duì)砂巖的時(shí)效變形進(jìn)行了較好的模擬，模型可進(jìn)一步推廣到考慮孔隙水壓力的作用。 （3）在國內(nèi)外學(xué)術(shù)交流方面：在基金的資助下去法國里爾科技大學(xué)里爾力學(xué)國家實(shí)驗(yàn)室、美國普渡大學(xué)進(jìn)行了交流訪問，在訪問期間，與法國里爾科技大學(xué)邵建富教授、里爾中央理工大學(xué)Skoczylas教授分別就巖石時(shí)效力學(xué)的宏細(xì)觀力學(xué)模型以及巖石滲透性測試方法方面進(jìn)行了合作研究和討論；參加了國內(nèi)外本領(lǐng)域重要學(xué)術(shù)會(huì)議7次，如12次全國巖石力學(xué)與工程學(xué)術(shù)大會(huì)，基金委主辦的巖土力學(xué)與巖土工程國際研究熱點(diǎn)前沿青年科學(xué)家論壇，第四屆巖土工程安全與風(fēng)險(xiǎn)國際研討會(huì)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(huì)，如巖土材料時(shí)效力學(xué)特性研究國際研討會(huì)和第一屆巖土力學(xué)與地下工程國際研討會(huì)，在這些會(huì)議上都作了關(guān)于本課題研究成果和進(jìn)展的學(xué)術(shù)報(bào)告。 （4）本課題共發(fā)表見刊或錄用的論文共計(jì)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(fù)責(zé)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(xiàng)，申請發(fā)明專利3項(xiàng)。并獲得江蘇省科學(xué)技術(shù)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，排名第4，水力發(fā)電科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，排名第6。 綜上，本課題在青年科學(xué)基金項(xiàng)目的資助下，圓滿完成了各項(xiàng)工作任務(wù)，取得了高質(zhì)量的研究成果，達(dá)到了預(yù)期研究目標(biāo)，完成的工作任務(wù)指標(biāo)在各方面均超過了預(yù)期。 2100433B

本項(xiàng)目通過三年的研究工作，已完成項(xiàng)目計(jì)劃內(nèi)容，并取得了一系列研究成果。 本項(xiàng)目從汶川地震收集的山嶺隧道震害資料出發(fā)，統(tǒng)計(jì)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(fēng)險(xiǎn)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(dòng)與地震耦合作用下隧道—斷層體系的災(zāi)變機(jī)理研究，提出了采用損傷指標(biāo)和能量指標(biāo)分析隧道—斷層體系的非線性反應(yīng)，建立起基于損傷指標(biāo)和能量指標(biāo)的隧道—斷層體系的安全性評(píng)價(jià)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(dòng)斷層隧道的地震動(dòng)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(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，提出了分級(jí)量化指標(biāo)。根據(jù)震害調(diào)查分析及模擬結(jié)果，對(duì)斷層區(qū)隧道的抗震設(shè)防進(jìn)行了分段，根據(jù)不同位置制定了不同的對(duì)策措施，并且通過現(xiàn)場測試驗(yàn)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(jì)參數(shù)。 發(fā)表學(xué)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(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）》(EI收錄)、計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)學(xué)報(bào)(EI收錄)、土木工程學(xué)報(bào)(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(xué)術(shù)專著一部，并獲得大連市人民政府資助出版。 2100433B

一般認(rèn)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(xiàng)目以西部高烈度地震區(qū)和活動(dòng)斷裂區(qū)若干隧道工程為研究對(duì)象，從隧道動(dòng)力學(xué)、地震工程學(xué)及地質(zhì)學(xué)等學(xué)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(dòng)臺(tái)試驗(yàn)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(dòng)斷層耦合作用下隧道-圍巖-斷層系統(tǒng)的災(zāi)變機(jī)理與控制對(duì)策。包括引入損傷理論和能量原理建立隧道抗震安全性評(píng)價(jià)方法；提出隧道采用柔性接頭形式穿越活動(dòng)斷層，綜合考慮柔性接頭的可蠕動(dòng)性與抗震性耦合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)隧道正常使用階段的安全性與地震發(fā)生時(shí)的大變形吸能能力的合理均衡。項(xiàng)目預(yù)期將建立隧道安全性評(píng)價(jià)理論、方法以及災(zāi)害控制對(duì)策。項(xiàng)目的研究對(duì)于深入揭示活動(dòng)斷層區(qū)隧道地震破壞機(jī)理具有重要意義，為隧道抗震設(shè)計(jì)提供科學(xué)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(zhǔn)確評(píng)價(jià)和預(yù)測其結(jié)構(gòu)性能是當(dāng)前亟需研究的基礎(chǔ)科學(xué)問題之一。本項(xiàng)目擬采用理論推導(dǎo)和模擬試驗(yàn)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(dòng)力荷載對(duì)氯離子遷移擴(kuò)散的影響規(guī)律和作用機(jī)理，建立動(dòng)載和氯鹽耦合作用下的離子遷移擴(kuò)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(jìn)而，提出動(dòng)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(píng)估和壽命預(yù)計(jì)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(duì)我國地鐵建設(shè)的長期健康發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。