王建秀[1]2002年在《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》文中研究指明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—应变叁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。
汪亦显[2]2012年在《含水及初始损伤岩体损伤断裂机理与实验研究》文中认为岩体中含有大量的初始缺陷,包括空隙、孔隙、微裂纹、节理等,初始缺陷的存在增加了水与岩体接触的程度,改变了岩体的力学和变形特性。工程实践表明水—岩作用是影响岩体工程稳定性的重要因素之一,水与岩体的相互作用效应,不仅包含渗透压力的作用效应,而且还存在着复杂的水—岩化学腐蚀作用,研究表明大部分岩体工程的失稳破坏均与水—岩作用密切相关。目前,随着大规模的岩体工程的建设和营运,为了保证其长期稳定性,针对岩体工程在水环境影响作用下的研究工作具有重要的理论参考价值和良好的工程应用价值,可为边坡工程、水利坝基、公路涵洞、桥梁隧道、地下采矿、石油开采等工程稳定问题研究提供科学依据。本文研究内容依托国家自然科学基金资助项目(50774093：水岩作用下裂隙岩体流变—损伤—断裂耦合理论及应用；51174228：考虑动水压作用和裂隙表面形貌影响的岩体裂隙开裂扩展研究)、湖南省研究生创新基金项目(CX2009B046：裂隙岩体水腐蚀损伤流变效应的非线性研究)以及中南大学优秀博士研究生学位论文扶植基金(2009ybfz06：裂隙岩体损伤流变断裂效应的非线性研究)。采用损伤断裂力学理论,从实验研究、理论分析和数值模拟等多方面研究水岩共同作用下裂隙岩体的损伤变形和断裂破坏机理进行了深入系统的研究。主要开展了以下几个方面的研究工作：(1)为研究水化腐蚀对岩石损伤作用,进行了岩体化学损伤效应的动力反应过程分析,研究了水岩接触后矿物成分溶解速率的计算,从理论上探讨了化学腐蚀下等效裂纹扩展的定量化分析方法,通过质量守恒定律计算出裂纹在迹长及隙宽方向的变化,将水化腐蚀后等效成有效裂纹长度,建立了水-岩化学作用下等效裂纹扩展的计算公式。(2)为研究水作用下软岩损伤劣化效应的时间相依性,采用RYL-600岩石试验机和Instron1342电液材料伺服试验机对经过水浸泡不同时间后的软岩试验样品进行力学参数以及双扭试件的亚临界裂纹扩展试验,分别得到了软岩含水率、强度与变形参数、亚临界裂纹扩展速度矿与应力强度因子KI、断裂韧度KI等参数。试验结果分析表明：软岩含水率、力学参数等与水岩作用时间具有高度线性相关性,可以通过含水率和弹性模量建立软岩劣化损伤速率6的函数关系；通过采用双对数坐标空间对常位移松弛法所测试的不同浸泡时间的软岩亚临界裂纹扩展速度V与应力强度因子KI之间的关系研究,发现lgKI-lgV关系具有极好的线性相关性,而且水腐蚀损伤对软岩断裂力学性质有弱化作用,能加快膨胀性软岩亚临界裂纹的扩展,并且软岩水腐蚀作用对岩石裂纹的断裂指标影响显着并具有时间效应。(3)为研究含初始损伤岩体渐进损伤断裂机制,通过采用预埋抽条法利用水泥砂浆为类岩材料制作不同几何空间分布的多裂纹体进行断裂破坏实验,对单轴加载下含初始损伤裂纹试样的预制裂纹扩展、贯通方式及强度损伤随裂隙空间展布和裂隙数量变化规律进行了探讨。(4)为研究渗透压作用下含初始损伤岩体的断裂演化,进行了渗透水压力对岩石的损伤断裂研究。对有充填物的压剪裂纹,将损伤概念引入裂纹模型,定义了新的损伤变量,推导出水损伤作用下压剪裂纹的应力强度因子；对处于压剪和拉剪应力状态的含单裂纹岩体,在水作用下的损伤起裂进行了探讨,给出了考虑水损伤的单裂纹断裂准则。(5)为研究在动态载荷作用下脆性岩石损伤断裂的演化过程,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置中压缩气体发射球体子弹对脆性岩板进行变角度冲击损伤实验,岩板受到冲击后,边缘出现凹坑,表面裂纹从撞击凹坑扩展到岩板边缘,实验中样品的表面裂纹能有效表征其内部的开裂状况,能有效反映冲击能量的耗散。破裂区面积与裂纹表面积随入射能量呈非线性增长趋势,同时与入射角度相关,但当破裂区面积急剧下降时,裂纹表面积反而急剧上升,表明裂纹的发生发展有明显的孕育期,在入射能量达到临界值前,主要表现为裂纹孕育增长,在达到临界值后,发生宏观断裂破坏,裂纹面积呈负增长,破裂区面积增大。(6)为揭示岩体的爆破损伤及损伤累积效应,基于裂纹扩展和声速变化,探讨了岩体损伤及其累积情况的计算方法,针对含水裂隙岩体的爆破损伤问题,进行了水作为垫层和空气作为垫层时的损伤分析；对爆破损伤变量进行定义和推导推导。对数值损伤云图进行了分析,结果表明不同介质作为垫层时,在相同爆破能量下,其引起的损伤区不相同,含水岩体的损伤度要大于以空气作为垫层的岩体损伤。现场监测结果表明爆源距离决定了岩体损伤度,离爆源越近,损伤增量和累积损伤愈大,其变化情况呈非线性,随着爆源距离增加,累积损伤值的变化趋势趋缓,实际监测和计算模型的误差在工程容许的范围内,因而本文探讨的计算岩体爆破损伤方法可以为现场监测结果分析的提供比对依据。
郭佳奇[3]2011年在《岩溶隧道防突厚度及突水机制研究》文中研究指明摘要：随着我国西部大开发战略的快速推进,西部地区交通等基础建设迅猛发展,长大岩溶隧道建设越来越多。岩溶隧道修建过程中,经常遇到突水、涌泥等大型地质灾害,轻则冲毁器具,贻误工期,重则造成人员伤亡和重大经济损失。本文以岩溶区隧道施工中防突层突水灾变为研究对象,通过工程实例调查、室内试验、理论分析以及数值模拟等手段,分析山岭隧道—岩溶系统概化模型及岩溶隧道突水机理,建立隧道与周边隐伏溶腔间岩层最小防突厚度及掌子面前方岩墙安全厚度的计算方法,并总结和概括岩溶隧道突水防治对策,取得了一系列具有重要理论意义和工程应用价值的研究成果：(1)以最具代表性的宜万线岩溶隧道为例分析了山岭隧道岩溶发育特征、分布规律及形态,阐明了隧址区的地层岩性、岩层构造、地下水渗流途径等因素是深部大型岩溶形态及空间分布的主控因素,总结了不同岩溶形态的地质灾害及风险,并进一步分析了其与岩溶隧道的位置关系。基于此,将隧道—岩溶系统概化为弹性梁板模型、双孔洞模型、裂隙导通模型等四种力学模型,为采用定量手段研究岩溶隧道灾害机理提供基础；(2)通过室内单轴压缩试验、叁轴压缩试验以巴西劈裂试验对岩溶区灰岩的基本力学性质和强度特征进行了深入研究,发现自然状态和饱和状态的岩溶区灰岩力学性质差别显着。结合现场调查得出的岩体结构特征和主要结构面的表面状况,确定了地质强度指标GSI和岩体的霍克—布朗岩体强度参数及变形模量；(3)通过实际岩溶隧道突涌水实例的调查与分析,将岩溶突水划分为高压裂隙突水、富水溶腔突水、地下暗河或岩溶管道突水及断层突水,并从微、宏观层面分析了岩溶隧道突水机理,指出围岩二次应力重分布和高水头岩溶水压力共同作用下的综合破坏型突水是岩溶隧道突水的主要类型,并通过离散元数值模拟对隧道与水压充填溶腔间防突岩层破坏突水灾变过程进行了验证；(4)针对大尺度隐伏溶腔,将防突岩层简化为两端固定梁模型,采用弹性理论,基于岩体抗弯、抗剪强度准则建立岩层最小防突厚度计算方法；针对中小尺度隐伏溶腔,采用Schwarz交替法结合格里菲斯强度准则计算岩层最小防突厚度,并编制基于该方法的计算程序,同时讨论了埋深、侧压力系数、溶腔尺度等因素对防突厚度的影响,特别是岩溶水压力的影响；针对裂隙导通突水模式,采用最小拉应力理论研究了隐伏断层活化突水方向,根据裂纹扩展准则建立了该突水模式下的最小防突厚度计算公式；(5)从断裂力学角度分析了高压岩溶水作用下裂隙的扩展机理,发现自然营造力作用下的水压劈裂多属压剪破坏模式。运用断裂力学和水力学理论分析了隧道掌子面突水的滞后效应和扩径效应,指出裂纹扩展的跳跃性在宏观上表现为隧道掌子面突水的滞后性；掌子面突水通道的最终形成需经过多个阶段,其最终尺寸受岩溶水压力、掌子面岩体工程质量等因素的控制。在综合分析基础上,认为隧道掌子面突水是由于开挖扰动降低了水压劈裂的临界水压力导致的,基于此观点,建立了基于临界水压力的掌子面岩墙安全厚度计算公式；(6)根据防突厚度及突水机理的研究成果,结合岩溶隧道灾害治理的工程实践及前人在此方面的研究结论,总结、概括了岩溶隧道突水防治的基本原则、突水治理对策,重点讨论了防治高压富水充填溶腔突水突泥灾害的新技术—释能降压法。
崔京浩[4]2004年在《地下工程·燃气爆炸·生物力学》文中提出本文分叁部分,Ⅰ地下工程,指出开发地下空间的重要性,讨论了地下贮库,地下交通及地下工程的若干典型问题;Ⅱ燃气爆炸,讨论了灾害的严重性、燃爆的机理、燃爆对建筑结构的影响以及燃爆的安全性评估等问题;Ⅲ生物力学,讨论了骨骼与脊柱的力学性能及临床应用.
参考文献：
[1]. 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[D]. 王建秀. 西南交通大学. 2002
[2]. 含水及初始损伤岩体损伤断裂机理与实验研究[D]. 汪亦显. 中南大学. 2012
[3]. 岩溶隧道防突厚度及突水机制研究[D]. 郭佳奇. 北京交通大学. 2011
[4]. 地下工程·燃气爆炸·生物力学[C]. 崔京浩. 第十叁届全国结构工程学术会议论文集（第Ⅲ册）. 2004
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