粘土岩细-宏观水-力耦合机理及围岩稳定性分析项目摘要

本项目以我国粘土岩地下工程围岩稳定性为研究核心。采用一系列室内试验和测试，揭示粘土岩中主要矿物成份对宏观力学行为的影响机理、水相和主要矿物成份相互作用机理以及主要矿物成份含量变化对其水-力耦合行为的影响机理。以试验结果和分析为基础，采用非线性均匀化方法，建立描述天然粘土岩短长期力学行为的多尺度模型；借助渗透系数试验，建立粘土岩水-力耦合模型；基于不同湿度下的物性、三轴压缩和蠕变及渗透系数试验，考虑毛细压力和表面张力的作用，建立非饱和粘土岩短长期力学模型，进而建立非饱和粘土岩水-力耦合模型；提出粘土岩地下工程围岩损伤破坏与稳定性数值分析方法，依托我国核废料粘土岩处置库候选场址进行工程应用和验证。本项目的研究成果可为我国粘土岩地下工程的设计和围岩稳定性分析提供理论和技术。

本项目以我国粘土岩地下工程围岩稳定性问题为研究背景，开展了针对粘土岩的一系列室内试验和测试，揭示了粘土岩水-力耦合力学机理，建立了粘土岩短长期水-力耦合模型，提出了粘土岩地下工程围岩损伤破坏与稳定性数值分析方法。经过本项目4年持续不断的深入研究，取得了如下成果： （1）完成了粘土岩一系列室内宏细观和短长期力学试验，包括常规室内三轴试验，三轴蠕变试验，纳米压痕试验以及渗透试验，揭示了粘土岩中主要矿物成份对宏观力学行为的影响机理、水相和主要矿物成份相互作用机理以及主要矿物成份含量变化对其水-力耦合行为的影响机理。 （2）以试验结果和分析为基础，采用非线性均匀化方法，建立了描述天然粘土岩短长期力学行为的多尺度模型；借助渗透系数试验，建立粘土岩水-力耦合模型；基于不同湿度下的物性、三轴压缩和蠕变及渗透系数试验，考虑毛细压力和表面张力的作用，建立了非饱和粘土岩短长期力学模型，进而建立了非饱和粘土岩水-力耦合模型；提出了粘土岩地下工程围岩损伤破坏与稳定性数值分析方法。 （3）在国内外学术交流方面：在基金的资助下去法国里尔科技大学里尔力学国家实验室、美国普渡大学进行了交流访问；参加了国内外本领域重要学术会议20次，并举办了两次本专业领域的国际研讨会，如岩土材料时效力学特性研究国际研讨会和第一届岩土力学与地下工程国际研讨会，在这些会议上都作了关于本课题研究成果和进展的学术报告。 （4）本课题共发表见刊SCI论文共计19篇，已培养毕业博士研究生3名；授权发明专利1项，并获得江苏省科学技术二等奖1项，排名第1，水力发电科学技术奖一等奖1项，排名第6。 综上，本课题在国家自然科学基金项目的资助下，圆满完成了各项工作任务，取得了高质量的研究成果，达到了预期研究目标，完成的工作任务指标在各方面均超过了预期。 2100433B

高混凝土坝等水工混凝土结构在浇筑成形过程中普遍存在的微细裂纹和缺陷常可引起新裂纹甚至宏观裂缝。针对高混凝土坝的结构特点，利用地下水温度环境耦合模拟试验系统建立渗流-应力-温度等多场耦合的试验模型，进行多场耦合条件下水工混凝土结构裂缝萌生、发展的室内模拟试验，研究并揭示水力劈裂的机理。结合断裂力学、损伤力学理论和双K断裂模型，采用无单元法与有限元法耦合分析技术，分析研究水工混凝土结构在渗流和温度作用下裂缝从萌生、发展到失稳的过程，揭示裂缝扩展的变化规律以及水力劈裂的形成和扩展机理，建立温度-渗流-应力耦合条件下水工混凝土结构水力劈裂的数值分析模型，以预测裂纹的萌生位置和扩展长度，实现水工混凝土结构水力劈裂全过程的仿真模拟。高混凝土坝易出现裂缝并进一步扩展危及结构安全，尤其是坝踵等部位，故该成果可广泛应用于水工混凝土结构的计算分析和安全评价，不仅具有理论意义，而且具有重要的应用价值。

前面的研究成果为我们讨论粘土岩、泥岩等软弱岩层的泥化和崩解机理提供了启示。当原来处于力学平衡状态的软弱岩层由于地质构造运动或人类工程活动的作用，可能出现如下几种情况。

(1)软弱岩层沿层间界面破裂并发生层间大位移错动。

(2)软弱岩层闻界面局部破裂，但不发生层间大位移错动。

(3)岩层断面暴露在大气中。

前两种情况出现在深埋的地下，后一种情况常出现在人类的工程活动申，如洞室开挖。但不论哪一种情况，软弱岩层的泥化都有一个共同的经历，即失水-吸水-泥化或崩解。

本项目根据堆石混凝土工程的密实性与超大骨料等工程问题提炼出的科学问题开展研究，在Bingham两相流体在复杂空隙中流动、堆石体与自密实混凝土相互耦合作用、超大粒径混凝土细观力学模拟与综合性能等领域开展了深入研究，发展了二维、三维LBM-DEM耦合模拟模拟堆石混凝土浇筑过程，揭示了浇筑过程的流动规律和堵塞机理，提出了临界阻塞条件主要依赖于自密实混凝土最大骨料粒径与堆石孔隙尺寸之比以及自密实的流动性能，从科学角度解释了堆石混凝土实际工艺参数中：1）自密实混凝土最大粒径小于20mm、堆石粒径必须大于300mm的规定有一定富裕度，可以优化以进一步降低造价；2）自密实混凝土流动性能是保障堆石混凝土密实度的关键因素，除传统的V漏斗与塌落扩展度以外，还必须加入稳定性指标。本研究发展的稳定性试验方法和指标已经进入最新编制的行业标准，本项目的研究直接促进了技术进步。本项目还采用物理试验、细观力学模拟和有限元仿真分析等综合手段研究了堆石混凝土热物理及强度等力学性能与自密实混凝土性能的关系，建立了相关公式，进入了堆石混凝土技术标准体系，为堆石混凝土高重力坝和堆石混凝土拱坝建设提供了强有力的技术与理论支撑。本项目研究成果共发表SCI论文44篇，出版1部学术专著，参与主编了3个堆石混凝土相关技术标准，主持编写了2本国际技术文件，获得8项国家发明专利授权，另有8项发明专利正在实质审查，培养了10余名博士及一批硕士，项目组成员王进廷教授获得国家自然科学基金杰出青年基金资助。本研究成果获得了教育部技术发明一等奖和国家技术发明二等奖。 2100433B