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泥岩渗流—应力—损伤耦合及渗透性自愈合研究

李金兰  
【摘要】:富含粘土矿物的泥岩是介于土和坚硬岩石之间的一种过渡性材料,由于其低渗透性、良好的蠕变性和遇水损伤自修复、高吸附性、较好的地球化学封闭性等特征,被认为是储存核废料的三种备选场地之一。在欧洲,法国、瑞士、比利时等国家都针对泥岩的力学特性和渗透特性开展了系统的研究,并相继建成地下试验平台,进行现场的多场耦合试验。本文将围绕泥岩的弹塑性损伤本构模型、渗流-应力-损伤耦合模型及渗透性自愈合模型等方面开展研究,通过系统的试验研究、理论分析和数值仿真,揭示围岩的损伤演化机理、围岩EDZ的渗透演化机理及渗透性自愈合机理,建立能够描述EDZ开挖扰动效应及自愈合效应的数学模型,为泥岩核废料处置库围岩稳定控制和安全评价提供依据。本论文的主要研究内容如下: (1)对典型泥岩处置库围岩的破坏特征、力学行为特征进行系统地分析,揭示泥岩开挖损伤机制,提出处置库泥岩的破坏准则;借助最小功耗原理,推导能够描述泥岩宏细观破坏特征及力学行为的损伤演化方程,建立弹塑性损伤本构模型。借助ABAQUS软件编写相应的数值仿真程序,验证程序的适用性和正确性,并分析泥岩处置库围岩EDZ受开挖影响的演化规律。 (2)对典型泥岩处置库围岩渗透特征及渗透演化规律进行系统地分析,揭示泥岩渗流动态演化机理;根据泥岩应力-应变过程中的渗透性演化曲线,将泥岩变形破坏过程中的演化曲线分为三个阶段:渗透性降低、渗透性增长及渗透性稳定三个阶段;针对扩容点附近渗透性的突变特征,引入逾渗理论,分析泥岩的渗透性逾渗特征,推导能够描述泥岩宏细观水力学行为的的渗透性演化方程,建立泥岩渗流-应力-损伤耦合模型,将渗流-应力-损伤耦合本构模型嵌入到ABAQUS计算软件中实现了数值仿真计算,利用该模型对某巷道的施工过程进行数值模拟,研究孔隙压力、损伤、渗透系数等的时空演化规律。 (3)系统分析典型处置库泥岩自愈合的室内及现场试验,分析影响自愈合过程的因素及各因素对渗透性的影响规律,得出本文研究所需考虑的泥岩自愈合影响因素,揭示泥岩的自愈合机理,建立渗透性自愈合模型;以ABAQUS为平台进行二次开发,编写相应的数值计算程序,对泥岩巷道的施工过程进行数值模拟,分析自愈合对孔隙压力、损伤、渗透系数等演化规律的影响。 (4)以比利时HADES地下实验室Connecting Gallery为例,结合泥岩力学特性、弹塑性本构模型及渗透性演化模型等研究成果,对Connecting Gallery围岩的应力、变形、孔隙水压力变化、损伤演化规律及渗透性演化规律等进行模拟分析,揭示泥岩核废料处置库的变形破坏机理以及地下水的运移规律,为围岩稳定控制和安全评价提供依据。


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1 李金兰;泥岩渗流—应力—损伤耦合及渗透性自愈合研究[D];武汉大学;2014年
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