渗流-应力耦合作用下泥岩流变特性研究

本项目以泥岩为主要研究对象，利用最新研制的双联动渗流-应力耦合三轴流变仪对泥岩试样进行渗流-应力耦合作用下的三轴试验及三轴蠕变试验，结合泥岩的X衍射试验和微观结构扫描电镜分析，研究泥岩的基本力学特性、多场耦合力学特性、长期强度特性及微观流变机制。同时，综合应用岩石力学、非连续介质力学、水力学及现代数学理论，建立泥岩非线性蠕变损伤本构模型、损伤演化方程及泥岩隧道长期稳定性判据。最后，在试验及理论研究的基础上，以大型数值分析软件ABAQUS为平台，开发泥岩非线性蠕变损伤本构模型的数值计算方法，并分别对典型工程-新疆伊犁河引水工程大阪泥岩隧洞和比利时泥岩高放废物处置库的长期变形、损伤演化和渐进破坏的过程进行计算分析，并将高放废物处置库数值计算结果与已有的20年的监测数据进行对比分析，预测地下洞室的长期稳定性。本项研究为软岩类地下工程的设计及施工提供理论指导。

在很多软岩土工程问题当中，尤其是对深埋于地下的洞室或巷道，渗流-应力耦合作用下的软岩力学性质及其长期流变力学特性是软岩工程的两个重要研究内容，与岩土工程建设及长期稳定性紧密相关。本项目以泥岩为研究对象，从泥岩渗流-应力耦合力学特性以及围岩流变性等方面完成如下工作：.（1）实验研究：首先，通过泥岩矿物分析试验、压汞实验及扫描电镜实验，得到了该泥岩的矿物组成及微观结构；其次，进行了渗流-应力耦合作用下的固结不排水三轴剪切试验，并在实验前后通过扫描电镜实验进一步结石泥岩渗流-应力耦合机理；最后，进行泥岩渗流-应力耦合长期三轴流变试验（1年以上），进一步研究该泥岩渗流-应力耦合作用下的流变变形机理。.（2）理论研究：首先；在考虑最大拉应力准则的修正Mohr-Coulomb模型基础上，建立了Boom Clay横观各向同性本构模型；在此基础上，引入损伤来描述泥岩的强化和软化行为，建立了Boom Clay横观各向同性弹塑性损伤本构模型，并导出了其损伤演化方程；其次，建立了泥岩非线性蠕变损伤本构模型，并建立了蠕变损伤演化方程。.（3）数值分析：首先，根据固结不排水三轴剪切试验结果并通过编制反分析程序，采用优化反分析法确定了泥岩本构模型中各项参数；其次，以ABAQUS软件为平台，编制了UMAT子程序，建立了高放废物处置库（HADES）三维有限元模型，研究了处置库围岩的蠕变损伤演化等规律，并对围岩稳定性进行评价；分析了衬砌的蠕变变形规律，并与现场监测的结果进行了对比，验证了模型的可靠性，研究结果可为处置库的长期稳定性预测提供参考。