【摘要】：隨著國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的蓬勃發(fā)展和“一帶一路”戰(zhàn)略的實施,我國的交通和水電建設(shè)正在邁向世界各地。大量深長隧道將建造在埋藏深度大、地應(yīng)力高、巖溶發(fā)育密集等復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境下。在隧道開挖過程中經(jīng)常會遭遇重大地質(zhì)災(zāi)害,如突水、涌泥、塌方、圍巖大變形和山體滑坡等。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計,在巖溶地區(qū)的隧道施工過程中,80%的重大事故是由突水突泥引起的,突水突泥重大災(zāi)害的發(fā)生對人員安全、國民經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境造成了嚴重損失。突水突泥災(zāi)害難以遏制的根本原因在于對突水突泥致災(zāi)機理認識不清。數(shù)值模擬對于研究突水突泥災(zāi)變演化機理和演化過程是必不可少的。實際上,突水突泥災(zāi)變演化過程實質(zhì)上就是一個應(yīng)力-滲流流固耦合問題�，F(xiàn)有的流固耦合模型不能恰當描述充填介質(zhì)顆粒流失和圍巖破裂失穩(wěn)誘發(fā)的隧道突水突泥漸進性過程,因此,隧道全開挖過程中的突水突泥數(shù)值模擬還不能有效地進行。因此,本論文目的是建立考慮顆粒流失與巖石破裂突水突泥流固耦合計算模型與分析方法。(1)首先研究了顆粒流失的漸進過程和機理�？偨Y(jié)了土體內(nèi)部侵蝕穩(wěn)定性評判的幾何準則,評價了所涉及試驗材料的內(nèi)部侵蝕穩(wěn)定性。研究了水力梯度、水力加載歷史和時間對土體顆粒流失的影響規(guī)律。提出了在任意水力加載歷史條件下描述顆粒流失量隨水力梯度和時間變化的函數(shù)表征關(guān)系,并通過與顆粒流失試驗結(jié)果對比驗證了函數(shù)關(guān)系的合理有效性,且進一步討論了水力加載歷史和流失速率系數(shù)對顆粒流失的影響。最后,基于Kozeny-Carman公式和前述顆粒流失量函數(shù)關(guān)系,建立了顆粒流失過程中的滲透率演化模型,同樣通過顆粒流失試驗進行了驗證。提出的顆粒流失量函數(shù)關(guān)系和滲透率演化模型可用于模擬堤壩、邊坡和隧道工程等領(lǐng)域的滲流或流固耦合問題。(2)發(fā)展了一種考慮顆粒流失的滲流模擬方法。將提出的顆粒流失率和滲透率演化模型在有限元程序PANDAS軟件平臺上進行了數(shù)值實現(xiàn),并進一步應(yīng)用于隧道開挖過程中遭遇斷層破碎帶時充填泥沙流失過程中滲透率、涌水量等變化規(guī)律分析。另外,提出了降雨條件下斷層破碎帶或巖溶裂隙帶中動態(tài)水頭的預(yù)測模型,并應(yīng)用到案例應(yīng)用當中,討論了降雨條件對顆粒流失的影響進而對隧道涌水量的影響。(3)基于假設(shè)“固體顆粒間界面接觸面積比的變化率與顆粒流失量體積比呈線性相關(guān)”,通過建立Biot固結(jié)系數(shù)與顆粒流失量體積比的關(guān)系,發(fā)展了可以描述顆粒流失過程的有效應(yīng)力原理。建立了有效應(yīng)力、固體應(yīng)力和應(yīng)變隨顆粒流失的關(guān)系式,可以描述隨著顆粒流失有效應(yīng)力降低、固體應(yīng)力升高以及應(yīng)變增加的現(xiàn)象。并基于有效應(yīng)力,進一步建立了顆粒流失過程中的平衡方程�？紤]顆粒流失對孔隙率增量的影響,建立了顆粒流失的滲流連續(xù)性方程�；谏鲜鲅芯�,建立考慮顆粒流失作用的流固耦合計算模型。此外,推導(dǎo)了描述顆粒流失過程的Mohr-Coulomb準則的表達式,公式表明隨著顆粒流失土體更容易發(fā)生壓剪破壞。最后,分別采用Biot固結(jié)理論和新提出的考慮顆粒流失的流固耦合模型進行案例分析,結(jié)果對比發(fā)現(xiàn),相對于Biot固結(jié)理論,考慮顆粒流失計算得到了一個額外固結(jié)沉降量,這與實際工程情況相符合,也驗證了模型的合理有效性。(4)發(fā)展了一個用于圍巖破裂失穩(wěn)誘發(fā)的隧道突水突泥的流固耦合計算模型。目前應(yīng)用于大多數(shù)仿真軟件的單一本構(gòu)模型無法描述任意圍壓條件下峰后的應(yīng)力-應(yīng)變特性。研究了不同圍壓條件下應(yīng)力峰值、峰后跌落強度和應(yīng)變軟化的變化規(guī)律,建立了不同圍壓條件下可描述巖石彈性-應(yīng)變軟化·殘余階段的彈塑性簡化模型;;提出跌落系數(shù)和軟化系數(shù)來分別描述單軸和三軸條件下峰后應(yīng)力跌落強度的關(guān)系以及應(yīng)變軟化參數(shù)的關(guān)系,并研究不同圍壓對跌落系數(shù)和軟化系數(shù)的影響規(guī)律,分別建立跌落系數(shù)和軟化系數(shù)隨圍壓變化的關(guān)系曲線;最終建立任意圍壓條件下應(yīng)變軟化預(yù)測模型(AESS模型)。其次,基于AESS模型建立了任意圍壓條件下三階段體積應(yīng)變模型(ATVD模型);模型分為彈性壓縮,軟化膨脹和體積不變階段,分別對應(yīng)于應(yīng)力-應(yīng)變曲線的線彈性、應(yīng)變軟化和殘余階段;同樣提出了膨脹系數(shù)來描述單軸和三軸條件下膨脹參數(shù)的關(guān)系,建立了膨脹系數(shù)隨圍壓變化的關(guān)系曲線。最后,體積應(yīng)變對滲透率有明顯的影響作用,基于ATVD模型提出了體積應(yīng)變敏感的滲透率演化模型。上述應(yīng)力-應(yīng)變、體積應(yīng)變和滲透率演化三個簡化模型是相互統(tǒng)一的,它們的三個階段是相互對應(yīng)的,因此可以統(tǒng)一為一個可以描述巖石力學(xué)-滲流耦合特性的計算模型。(5)采用PANDAS程序中的流固耦合模型模擬高壓充水溶洞誘發(fā)隧道突水突泥演化過程。以齊岳山隧道為例,研究了有高壓充水溶洞影響下隧道圍巖的主應(yīng)力、位移、水壓力和流體速度的變化規(guī)律。此外,還討論了溶洞位置、大小以及隧道與溶洞之間的距離對主應(yīng)力和位移的影響規(guī)律。
【圖文】：

圖１．１技術(shù)路線逡逑１．４主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點逡逑１．４．１主要研究內(nèi)容逡逑

可動細顆粒穿過粗顆粒骨架進行遷移流失。本章節(jié)重點對管涌流失展開研宄。逡逑管涌流失是一個漸進性的過程，容易誘發(fā)路基、大壩等潰決［３５—４（）］，在隧道逡逑工程中同樣會引發(fā)許多工程災(zāi)害（如圖２．１）。首先，隨著細顆粒流失，，孔隙水逡逑壓力逐漸升高，有效應(yīng)力的減小，隧道周圍土體的穩(wěn)定性將受到影響，發(fā)生土逡逑體破壞。其次，隧道上方土體的總體積減小，發(fā)生額外沉降。最后，細顆粒沿逡逑著優(yōu)勢滲透路徑流失，可能產(chǎn)生一個薄弱滑動面，造成滑移失穩(wěn)。逡逑管涌通常發(fā)生在間斷級配和不連續(xù)級配的土體中，受土體幾何條件和水力逡逑條件的影響。幾何條件反映了土體內(nèi)在特性并決定了發(fā)生管涌的可能性，而水逡逑力條件則是一種外部因素并控制著管涌的發(fā)生。同時，臨界水力梯度是水力條逡逑件最重要的因素之一。當水力梯度達到臨界值時，細顆�？赡軙魇�。由于細逡逑小顆粒的流失
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TU45


本文編號：2621564