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腐蚀损伤岩体中的水化—水力损伤及其在隧道工程中的应用研究

王建秀  
【摘要】: 我国境内碳酸岩层分布纵深横广,大量的隧道及地下工程修建于可溶岩中,而可溶岩和一般岩体的本质区别在于其受过地下水物理、化学环境的改造。研究地下水环境对岩体化学、力学的改造机理、过程和演化,研究水化-水力损伤工程岩体中的渗流、应力及其耦合作用具有重要的理论意义和实用价值。 本文定义赋存于地下水环境中的碳酸岩或其它易腐蚀岩体,在地下水化学腐蚀与水力(劈裂)作用下内部出现更多缺陷,从而使其力学和水力学性能发生劣化或改变的作用为腐蚀损伤作用。岩体中水化损伤主要是由水-岩相互作用中的溶解-沉淀以及其它相关的化学作用产生的;在高水位富水区隧道开挖后形成的水力(劈裂)环境中,在开挖后形成的复杂应力状态和高水头压力的共同作用下,地下水可能劈裂或切穿弱透水岩层。水化-水力损伤岩体中损伤变量可以采用多种方法定义,在分析隧道岩体内部结构时,弹性波速是比较容易量测的岩体物理量,可用其来定义岩体中的腐蚀损伤变量。对于水力损伤而言,分支裂纹的起裂意味着开挖诱发的力学-水力损伤演化的开始,而在复杂应力状态下地下水压力的存在以及水-岩物理化学作用导致应力强度因子增加;同时由于受到地下水物理化学作用的劣化,从理论上分析其裂纹尖端的抗裂韧度相对也降低了,这意味着裂纹起裂扩展的阈值比无内水压力和腐蚀损伤时相对降低了,可采用断裂力学方法建立腐蚀损伤岩体水力(劈裂)损伤的演化方程。水化损伤的演化可用交叉板模型:裂纹面用矩(碟)形板模型表示,裂纹交汇线用溶管线模型表示,可用化学动力学的方法(PWP方程)推导出腐蚀损伤岩体中水化损伤的演化方程。在此基础上,本文首次建立了腐蚀损伤岩体中水化-水力损伤的演化方程,并指出水化损伤重点在于增加岩体的渗透性,而水力损伤则增加裂隙网络的连通性。针对具有多重空隙的腐蚀损伤岩体可采用多重介质数学模型来分析其水动力场的分布;水化损伤劣化了岩体的力学性能和承载能力,直接减小了岩体的有效承载面积,定义了损伤变量后,损伤应力可采用应变等效的方法进行计算。对于高水位富水区的深埋隧道而言,在排水的条件下,岩体渗透性不仅受初始裂隙网络及高应力的控制,同时还要受隧道开挖后水化-水力损伤发展的控制。岩样中全应力—应变三轴渗透试验过程中的典型表现为随着应力的增加,岩体内的空隙和裂纹受载闭合,渗透性降低,应力达到一定阈 西南交通大学鹰士研究生学位论文 第11页 值后,岩体内部裂纹发生扩展和归并,渗透性增强;同样,地下水的动、静 压力作用对裂纹的扩展和归并也起着促进作用。高应力使裂隙闭合,一般是 降低岩体的渗透性,而水化-水力损伤则增加岩体渗透性,在腐蚀损伤发育 到一定阶段,应力对渗透性的这种影响则可能会被屏蔽。 外水压力是和有压隧洞中内水压力相对而言的,作用对象为衬砌。当衬 砌材料(如混凝土衬砌)具有一定的渗透性,衬砌和围岩结合紧密时,可以 采用水-力合算的方法(类似于共同作用设计方法中的数值法)计算外水压 力:当衬砌不透水或渗透性极小,和围岩结合不紧密时,地下水从围岩中渗 出,而以全部接触面积作用于衬砌-围岩脱离外表面时,可以采用水-力分 算的方法(作用系数法和弹性力学法等)进行计算。一般铁路隧道通过高水 位富水区时,不用衬砌直接承受较高的外水压力,要实现这个设计目标必须 做好衬背的排水工作,使通过加固圈渗透过来的水量及时排走,及时削减累 积的水量。


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