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岩溶隧道动力扰动—水化学溶蚀损伤特性及突水机制研究

刘扬  
【摘要】:碳酸盐岩在岩溶地下水作用下常形成溶洞、溶腔和地下暗河等,水化学作用使得岩体中部分活性矿物及矿物颗粒间胶结物发生溶解,溶质随着水分迁移扩散,改变了岩体的物理力学性质。岩溶隧道及地下工程的施工扰动、运行期间的列车振动等,使得碳酸盐岩的水岩作用程度及方向发生改变,水岩化学作用对动力扰动变形及损伤特性有着重要影响。岩溶区隧道突水灾害在发生和发育初期阶段,地下水化学溶蚀作用将岩体中的空隙扩大为溶隙和管道的过程中起主导作用,外界动力扰动作用将改变这种水化学溶蚀效应,加速溶隙及管道的发展,进而水流集中冲蚀、侵蚀等物理破坏作用导致突水的发生,这是导致隧道及地下工程修建过程中发生岩溶突水及坍塌等一系列地质灾害发生的整个过程和根源所在。因此,研究岩溶隧道动力扰动-水化学溶蚀损伤特性以及充填型溶洞突水机制问题,对科学评价岩体工程的长期稳定性具有重要意义。本文以近海大连地铁岩溶隧道为工程背景,以隧道开挖揭露的岩溶碳酸盐岩为研究对象,采用室内试验,理论分析和数值模拟等研究手段,围绕“岩溶隧道动力扰动-水化学溶蚀损伤特性及充填型溶洞突水机制问题”展开研究。首先,开展碳酸盐岩在动力扰动与水化学溶蚀作用下的损伤及变形特性试验,从岩溶形成与破坏机理角度进行研究,建立碳酸盐岩的动力扰动损伤变量与地下水化学溶蚀损伤变量。其次,在上述试验结果的基础上建立动力扰动-水化学溶蚀损伤模型,从数值计算的角度进一步研究隧道动力扰动与水化学溶蚀损伤及破坏特性。最后,在上述研究的基础上,针对含充填型溶洞的隧道展开宏观模型试验研究,揭示突水灾害现象和规律。从岩溶形成的细观机理至宏观岩溶突水灾害模型试验,基于层层递进的思想展开关于岩溶隧道围岩动力扰动-水化学溶蚀损伤特性及充填型溶洞突水灾害问题的研究。主要进行以下具体研究工作:(1)开展不同水化学溶蚀时间作用下碳酸盐岩的变形试验研究,获得浸泡过程中溶液pH值的变化以及试件的SEM显微扫描电镜图像,得到不同溶蚀时间试件变形以及损伤特性。基于试验数据拟合不同溶蚀时间下碳酸盐岩疲劳寿命预测N-T曲线,可以用来进行在动力扰动与水化学溶蚀作用下碳酸盐岩疲劳寿命的预测。基于上述试验结果建立动力扰动损伤变量,同时基于空隙度定义水化学溶蚀损伤变量,在水化学动力学理论基础上建立岩石水化学溶蚀损伤模型,并进行水化学损伤计算。关于水化学溶蚀损伤变量、动力扰动损伤变量的定义以及水化学溶蚀损伤模型的建立为后续构建岩石动力扰动-水化学溶蚀损伤模型奠定基础。(2)考虑动力扰动与水化学溶蚀导致岩石塑性变形滑移和微裂纹增长引起的损伤机制,建立基于Mohr-Coulomb屈服准则的弹塑性损伤模型,采用等效塑性应变来表征岩石损伤变量的演化规律。在Mohr-Coulomb本构积分算法的基础上,推导弹性预测、塑性修正和损伤修正三个主要步骤的Mohr-Coulomb弹塑性损伤主应力空间隐式返回映射算法,从主应力空间的角度出发解决尖点“奇异性”问题。采用面向对象的编程方法,利用C++编制弹塑性损伤本构求解程序RDM-C。在弹塑性损伤模型基础上,采用Newmark-β法编制弹塑性动力求解程序。(3)基于室内试验结果建立的岩石动力扰动损伤变量及水化学溶蚀损伤变量,构建岩石动力扰动-水化学溶蚀损伤模型。基于渗流理论编制各向异性渗流程序,结合上述弹塑性损伤动力求解程序、各向异性渗流程序以及水文地球化学计算程序PHREEQC,利用C++语言开发碳酸盐岩动力扰动-水化学溶蚀损伤模型求解程序DPGC,揭示碳酸盐岩动力扰动-水化学溶蚀损伤特性。(4)研制隧道流固耦合模型试验加载系统,对试验系统的性能与施工过程的变形受力情况进行分析。基于相似材料理论和模型试验加载系统对大连永安隧道围岩渐进破坏进行模型试验研究,对在相对坚硬地层的软质地层中开挖隧道裂纹扩展至破坏过程进行细致分析,揭示隧道开挖的围岩裂纹扩展,也体现出模型试验系统的可行性和实用性。(5)在上述(4)的研究基础上,进一步研制以石膏和水泥为胶结剂,尾矿砂和橡胶粉为骨料,铁粉和膨润土为调节剂的非亲水性流固耦合相似材料。针对大连地铁一号线东纬路至春光街隧道含充填型溶洞进行突水模型试验研究。


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