【摘要】：碳酸鹽巖在巖溶地下水作用下常形成溶洞、溶腔和地下暗河等,水化學作用使得巖體中部分活性礦物及礦物顆粒間膠結(jié)物發(fā)生溶解,溶質(zhì)隨著水分遷移擴散,改變了巖體的物理力學性質(zhì)。巖溶隧道及地下工程的施工擾動、運行期間的列車振動等,使得碳酸鹽巖的水巖作用程度及方向發(fā)生改變,水巖化學作用對動力擾動變形及損傷特性有著重要影響。巖溶區(qū)隧道突水災害在發(fā)生和發(fā)育初期階段,地下水化學溶蝕作用將巖體中的空隙擴大為溶隙和管道的過程中起主導作用,外界動力擾動作用將改變這種水化學溶蝕效應,加速溶隙及管道的發(fā)展,進而水流集中沖蝕、侵蝕等物理破壞作用導致突水的發(fā)生,這是導致隧道及地下工程修建過程中發(fā)生巖溶突水及坍塌等一系列地質(zhì)災害發(fā)生的整個過程和根源所在。因此,研究巖溶隧道動力擾動-水化學溶蝕損傷特性以及充填型溶洞突水機制問題,對科學評價巖體工程的長期穩(wěn)定性具有重要意義。本文以近海大連地鐵巖溶隧道為工程背景,以隧道開挖揭露的巖溶碳酸鹽巖為研究對象,采用室內(nèi)試驗,理論分析和數(shù)值模擬等研究手段,圍繞“巖溶隧道動力擾動-水化學溶蝕損傷特性及充填型溶洞突水機制問題”展開研究。首先,開展碳酸鹽巖在動力擾動與水化學溶蝕作用下的損傷及變形特性試驗,從巖溶形成與破壞機理角度進行研究,建立碳酸鹽巖的動力擾動損傷變量與地下水化學溶蝕損傷變量。其次,在上述試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上建立動力擾動-水化學溶蝕損傷模型,從數(shù)值計算的角度進一步研究隧道動力擾動與水化學溶蝕損傷及破壞特性。最后,在上述研究的基礎(chǔ)上,針對含充填型溶洞的隧道展開宏觀模型試驗研究,揭示突水災害現(xiàn)象和規(guī)律。從巖溶形成的細觀機理至宏觀巖溶突水災害模型試驗,基于層層遞進的思想展開關(guān)于巖溶隧道圍巖動力擾動-水化學溶蝕損傷特性及充填型溶洞突水災害問題的研究。主要進行以下具體研究工作:(1)開展不同水化學溶蝕時間作用下碳酸鹽巖的變形試驗研究,獲得浸泡過程中溶液pH值的變化以及試件的SEM顯微掃描電鏡圖像,得到不同溶蝕時間試件變形以及損傷特性。基于試驗數(shù)據(jù)擬合不同溶蝕時間下碳酸鹽巖疲勞壽命預測N-T曲線,可以用來進行在動力擾動與水化學溶蝕作用下碳酸鹽巖疲勞壽命的預測�；谏鲜鲈囼灲Y(jié)果建立動力擾動損傷變量,同時基于空隙度定義水化學溶蝕損傷變量,在水化學動力學理論基礎(chǔ)上建立巖石水化學溶蝕損傷模型,并進行水化學損傷計算。關(guān)于水化學溶蝕損傷變量、動力擾動損傷變量的定義以及水化學溶蝕損傷模型的建立為后續(xù)構(gòu)建巖石動力擾動-水化學溶蝕損傷模型奠定基礎(chǔ)。(2)考慮動力擾動與水化學溶蝕導致巖石塑性變形滑移和微裂紋增長引起的損傷機制,建立基于Mohr-Coulomb屈服準則的彈塑性損傷模型,采用等效塑性應變來表征巖石損傷變量的演化規(guī)律。在Mohr-Coulomb本構(gòu)積分算法的基礎(chǔ)上,推導彈性預測、塑性修正和損傷修正三個主要步驟的Mohr-Coulomb彈塑性損傷主應力空間隱式返回映射算法,從主應力空間的角度出發(fā)解決尖點“奇異性”問題。采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒?利用C++編制彈塑性損傷本構(gòu)求解程序RDM-C。在彈塑性損傷模型基礎(chǔ)上,采用Newmark-β法編制彈塑性動力求解程序。(3)基于室內(nèi)試驗結(jié)果建立的巖石動力擾動損傷變量及水化學溶蝕損傷變量,構(gòu)建巖石動力擾動-水化學溶蝕損傷模型�；跐B流理論編制各向異性滲流程序,結(jié)合上述彈塑性損傷動力求解程序、各向異性滲流程序以及水文地球化學計算程序PHREEQC,利用C++語言開發(fā)碳酸鹽巖動力擾動-水化學溶蝕損傷模型求解程序DPGC,揭示碳酸鹽巖動力擾動-水化學溶蝕損傷特性。(4)研制隧道流固耦合模型試驗加載系統(tǒng),對試驗系統(tǒng)的性能與施工過程的變形受力情況進行分析�；谙嗨撇牧侠碚摵湍Ｐ驮囼灱虞d系統(tǒng)對大連永安隧道圍巖漸進破壞進行模型試驗研究,對在相對堅硬地層的軟質(zhì)地層中開挖隧道裂紋擴展至破壞過程進行細致分析,揭示隧道開挖的圍巖裂紋擴展,也體現(xiàn)出模型試驗系統(tǒng)的可行性和實用性。(5)在上述(4)的研究基礎(chǔ)上,進一步研制以石膏和水泥為膠結(jié)劑,尾礦砂和橡膠粉為骨料,鐵粉和膨潤土為調(diào)節(jié)劑的非親水性流固耦合相似材料。針對大連地鐵一號線東緯路至春光街隧道含充填型溶洞進行突水模型試驗研究。
【學位授予單位】：大連海事大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：U457.2
【圖文】：

逑２．２．邋１動力擾動變形特性逡逑動力循環(huán)荷載作用下巖石的應力－應變曲線如圖２．１所示。疲勞循環(huán)試驗中應逡逑變發(fā)展經(jīng)歷初始變形階段、等速變形階段和加速變形階段疲勞變形是巖石逡逑破壞的本質(zhì)所在。第一階段軸向變形速率變化的非�？�，累積了較大的變形，經(jīng)逡逑過短期循環(huán)即進入等速發(fā)展的第二階段，應變發(fā)展速率穩(wěn)定，軸向應變變化較小，逡逑接著進入加速變形階段，臨近破壞時變形又開始快速發(fā)展。整個疲勞試驗過程中逡逑滯回環(huán)線族呈現(xiàn)兩端疏，中間密的變化規(guī)律，第二階段占了疲勞壽命周期的大部逡逑分時間，但累積的變形量卻只占變形量的１／３左右。逡逑￡邐——軸向應力－軸向應變逡逑＾邐邐軸向應力－徑向應變逡逑．．

本文編號：2796929