垃圾填埋场灾变过程的温度–渗流–应力–化学耦合效应研究

 针对当前垃圾填埋场灾变过程预测与控制的迫切需求,结合垃圾填埋场及其周围复杂而特殊的环境地质条件,从温度–渗流–应力–化学(T-H-M-C)多场耦合角度深入分析垃圾填埋场灾变过程的演化机制与开展多场耦合研究的必要性。提出填埋气体运移的微生物降解–温度–渗流(B-T-H)耦合模型、考虑好氧和厌氧微生物降解作用的垃圾渗沥液污染物迁移转化渗流–微生物降解–化学(H-B-C)耦合模型、复合衬垫系统污染物运移渗流–化学(H-C)耦合模型以及考虑热量变化和水蒸气迁移过程对开裂过程影响的填埋场封场覆盖系统干燥开裂温度–渗流–应力(T-H-M)耦合模型,为垃圾填埋场灾变过程的预测和安全性评价提供有效的分析手段。提出一套多场耦合测试分析方法与试验技术,开发集监测、控制与数据采集于一体的填埋场中污染物传输的多场耦合测试分析系统。形成一套填埋场污染物多参数远程同步监测方法与技术,研制集实时监测与视频监督于一体的垃圾填埋场污染物远程在线监督系统。针对多场耦合作用下封场覆盖系统开裂问题,提出新型环保的垃圾填埋场封场覆盖生态污泥腾发覆盖技术(EST)。上述研究成果可为垃圾填埋场灾变过程的预防与控制提供科学手段和技术支持,同时对于丰富和拓宽多场多相耦合理论的发展具有重要的理论意义和应用价值。     

渗流–应力–化学耦合作用下岩石裂隙渗透特性试验研究

 为研究渗流–应力–化学耦合作用下岩石裂隙渗透特性变化规律,设计3组试验工况,在改变渗透压以及化学溶液的条件下,分别测定每种工况下的渗出水流量、渗出水离子浓度值以及渗出水pH值变化情况,进而得出裂隙渗透特性变化情况。通过处理试验数据,总结分析各因素对裂隙渗透特性的影响,并建立裂隙开度变化率与渗出水中钙离子浓度值之间的关系式。试验结果表明,渗出水流量、裂隙开度总体趋势是随着时间逐渐减小的,最终趋于稳定状态;增大渗透压,稳定状态会被打破,裂隙的流量和开度都会增大,但最终趋于另一个稳定状态;化学溶液对岩体裂隙的侵蚀性大,对岩体渗透性的影响更明显。通过分析和提炼渗出水流量、裂隙开度、渗出水的离子浓度值以及渗出水的pH值等随时间变化的数据,及它们之间的内部关系,在理论上描述岩体裂隙在渗流–应力–化学耦合作用下的渗透特性,进一步揭示渗流–应力–化学耦合作用机制。     

低温冻融条件下岩体温度–渗流–应力–损伤(THMD)耦合模型研究及其在寒区隧道中的应用

 寒区隧道的围岩冻胀问题涉及到岩体温度场、渗流场、应力场以及冻融损伤相互作用的多场耦合问题。在THDM耦合机制分析基础上,基于连续介质力学、热力学、渗流力学、损伤力学以及分凝势理论,建立低温冻融条件下岩体THMD耦合模型。该模型不仅考虑体积应变对岩体温度场和渗流场的影响,温度梯度和渗透压力对岩体应力场的影响,还根据寒区工程实际,考虑冻胀压力和冻融循环对岩体劣化损伤的影响。数值仿真某寒区管道工程的冻胀过程,与现场的实测结果对比表明：该模型能很好地反映岩土体由于负温所产生的冻胀现象。在此基础上,分析极端气候条件下嘎隆拉隧道围岩冻胀力的变化规律,并对隧道在经历不同冻融循环次数后的变形和受力特征进行探讨。研究结果表明：极端气候条件下嘎隆拉隧道围岩的最大冻胀力达到1.6 MPa,冻融循环对隧道衬砌受力影响较大。     

裂隙岩体水–冰相变及低温温度场–渗流场–应力场耦合研究

 岩体冻融损伤涉及低温环境下温度场、渗流场和应力场的耦合问题。基于水–冰相变理论和能量守恒原理,得出冻结率表达式。运用双重孔隙介质模型理论,根据质量守恒定律、能量守恒定律及静力平衡原理,得出冻结条件下裂隙岩体的温度场–渗流场–应力场(THM)耦合控制方程。最后,通过1个含裂隙隧道低温THM耦合算例,将围岩当作岩块与裂隙介质组成的系统,采用等效热膨胀系数法对夹冰(含水)裂隙的冻胀效应进行模拟,并考虑冻结过程对岩体渗透系数的影响,研究低温THM耦合条件下的温度场、应力场及孔隙压力等的分布规律。     

变形多孔介质温度–渗流–应力完全耦合模型及有限元分析

根据多孔介质中温度、渗流及应力之间复杂的耦合关系,基于连续介质力学和混合物理论,导出变形多孔介质热–流–固三场耦合模型及其控制方程,探讨有限元法的求解过程,以ABAQUS软件为求解器,在MATLAB语言环境下编制相应的计算程序,并通过典型算例考证程序的正确性。然后研究石油钻井过程中的热–流–固耦合作用过程,详细分析场耦合作用对井壁孔隙压力、温度和应力的影响,计算结果表明,热–流–固耦合作用对井壁稳定有重要的影响,应全面考虑各物理场之间的耦合作用。研究成果为分析岩土介质多场耦合过程提供一条有效的途径,从而为进一步研究温度–渗流–应力–化学(THMC)耦合问题奠定基础。     

考虑渗流–应力耦合作用的裂缝扩展追踪分析模型

应用无单元法,考虑渗流场与应力场的耦合作用,对岩体内初始裂缝的扩展进行追踪。应力场和渗流场的耦合作用通过以渗透压力和渗透系数为交互因子的迭代计算考虑,其中裂缝区还考虑了裂缝中水对缝壁的拖曳力。首先采用断裂力学最大周向正应力理论,对裂缝的继续开裂扩展做出判断,并确定开裂角,然后对新的结构再进行渗流-应力耦合分析,直至裂缝稳定为止。算例分析表明,所建数值模型能较真实地反映水流对裂缝扩展的影响,并能较好地模拟渗流-应力耦合作用下的裂缝扩展过程。     

模拟热–水–应力耦合作用的三维节理单元及其数值分析

对于具有相同厚度的空间8节点等参数节理单元,考虑温度和孔隙水压力的影响,将其的应力–位移关系加以拓展,建立了相应的应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程,使之可用于分析饱和–非饱和岩体中存在不连续面时的热–水–应力耦合问题,并结合实体单元,研制出相应的三维有限元程序。针对一个假定的核废物地质处置模型,通过有、无节理的热–水–应力耦合过程数值分析,显示与无节理的情况相比,由于节理的存在使得近场岩体中的温度、应力及水流速度的分布与数值都发生了明显的变化,特别是节理附近的岩体中有某种水流"冷却"作用和一定程度的应力集中现象,其它部位岩体的应力也有所增加。     

管涌破坏的计算模型及工程抢护措施

叙述了管涌的定义及产生原因,给出了管涌的计算模型并作了简要分析,最后从四方面入手提出了工程上对管涌现象的防治措施,以确保水利工程安全运行。     

热–水–应力耦合模型及FEBEX原位试验二维有限元分析

从建立应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程和弹塑性矩阵入手,提出了一个饱和–非饱和孔隙介质中且可考虑膨胀应力的热–水–应力耦合模型,并编制了相应的二维有限元程序。以高放射性核废料地质处置的FEBEX原位试验为模拟对象进行了数值分析,比较了实测值和计算值,从而验证了程序的正确性并从分析结果中得到了一些有益的认识。     

气液二相非饱和岩体热–水–应力耦合模型及二维有限元分析

针对高放射性核废料地质处置中水及水蒸汽二相共存的非饱和孔隙岩体,根据相关的理论,推导了应力平衡方程、流体连续性方程及能量守恒方程,使用Galerkin方法将各控制方程分别在空间域和时间域进行离散,初步开发出了相应的分析热–水–应力耦合弹塑性问题的二维有限元程序。通过一个核废料处置概念库的计算认识到:高放废物地质处置后的几十年内,缓冲层中的温度及液相饱和度均上升,同时该区域内要出现明显的应力、孔隙水压力、温度、液相饱和度和气相饱和度的集中现象。     

无粘性土中管涌的毛管模型及其应用

通过对骨架孔隙中细颗粒的受力分析。建立了描述无粘性土中管涌发生、发展的毛管模型。利用该模型。将细颗粒的流失量、土体渗透性和颗粒起动的水力条件三者联系起来。得到了可动颗粒起动的临界水头梯度公式和考虑细颗粒流失的渗透系数公式。通过管涌试验校验证实了有关公式的有效性。计算结果表明，管涌过程中的渗透性显著地受细颗粒流失的影响。而且当有细颗粒流失后。级配不连续的管涌型土比级配连续的管涌型土更易发展成管涌破坏。     

新型固流耦合相似材料的研制及其应用

 在固体模型材料研究的基础上,应用固流耦合相似理论,通过大量的配比试验,研制出一种新型的固流耦合相似材料(PSTO),这种材料用砂和滑石粉作为骨料,石蜡作为胶结剂,并配以适量调节剂混合而成。通过大量的室内试验,系统研究不同相似材料配比和装模温度对试件性能的影响规律,得到影响相似材料性质的若干因素。该材料的力学特性与岩石性质相似,且在水的作用下不发生软化,非亲水性良好,可模拟不同渗透性的低强度和中等强度的岩体材料,是一种非常理想的固流耦合相似模拟材料。将该材料应用于隧道涌水模型试验,可有效地揭示了位移、应力、渗压等多场信息的变化规律。     

低渗透介质温度–应力–渗流耦合三轴仪研制及其应用

 详细介绍研制的低渗透介质温度–应力–渗流耦合三轴仪,该试验系统可以在常温～90 ℃范围、三轴室活塞最大轴向力1 000 kN、围压40 MPa内对直径50和100 mm的标准试样进行轴向和径向渗透试验。解决长时间、高温(＜90 ℃)条件下试样气体渗透密封性、微流量气体体积量测以及长时间试验温度保持均匀、恒定等技术问题,确保复杂条件下低渗透介质渗透性测试。应用研制的三轴仪,对雅砻江锦屏II级电站辅助洞白山组大理岩进行渗透性测试。试验结果表明：研制的三轴仪可以满足温度–应力–渗流耦合试验的要求,试验过程稳定、试验数据精度较高,可用于石油/天然气地下能源储存、低渗透油气田开发、高瓦斯矿井瓦斯抽放、放射性废料地质深埋处置等工程中围岩介质渗透特性研究,可为工程安全和环境评估提供基本参数。     

测定各向异性砂土抗剪强度特性的新型直剪装置及初步应用

各向异性颗粒材料的变形和强度与相对于沉积方向的剪切方向或大主应力作用方向相关。为研究各向异性颗粒材料任意剪切面的抗剪强度特性,研制一套可实现剪切面与沉积面的夹角 在0°～180°全定义域区间任意变化的直剪试验装置。所研制的直剪盒的特点是各侧壁均独立可拆卸,因此在制样过程中可根据不同的需要进行组装,使该直剪试验盒的某些侧面和顶面打开。在验证该直剪试验装置有效性的基础上,对福建标准砂进行 在0°～180°范围内、间隔为15°的系列直剪试验。试验结果表明： 在0°～90°区间的某个面相对应有最小峰值内摩擦角,此后峰值内摩擦角随 的增加而增加;但具有最大峰值内摩擦角的面不是与沉积面垂直即 = 90°的面,而是 ＞90°(?≈105°)的某个面。材料各向异性程度不同,相对应最大和最小峰值内摩擦角的 亦不同。     

地下工程流–固耦合模型试验新型相似材料的研制及应用

 依托青岛胶州湾海底隧道的现场勘探资料,应用地质力学模型试验的流–固耦合相似理论,通过大量的配比试验,研制出一种由砂、重晶石粉、滑石粉、水泥、凡士林、硅油和适量拌合水组成的新型流–固耦合相似材料(SCVO)。通过大量的室内试验,系统地研究不同配比对材料参数的影响规律,确定控制相似材料各性能的主要组分。试验表明,材料的强度和弹性模量主要由水泥和凡士林控制;黏聚力受凡士林影响明显;渗透系数可以通过凡士林和硅油的比例调节;硅油还可以起到保水、提高材料密实度的作用。材料的变形特性和水理特性由不同的成分控制,且相互间影响很小,实现材料性质的全面调控。该材料可以模拟不同渗透性的低强度和中等强度的岩体材料,是一种非常理想的流–固耦合相似模拟材料。并已成功应用于青岛胶州湾海底隧道的地质力学模型试验研究中,力学性能和水理特性均达到试验要求,为试验取得良好结果提供材料保证。     

海底隧道流固耦合模型试验系统的研制及应用

 围岩与水体的流固耦合作用对海底隧道的稳定性具有重要影响,很有必要开展流固耦合模型试验研究。根据流固耦合模型试验的特点,研制可用于模拟准三维平面应力和平面应变的新型流固耦合模型试验系统。该系统的整体尺寸为3.4 m×3.0 m×0.8 m(宽×高×厚),由钢结构架、钢化玻璃试验箱和水压加载装置组成。其中钢结构架由6榀可独立操作的高强度合金铸钢构件通过高强螺栓连接组合而成;钢化玻璃试验箱结构,既能保证试验要求的密封性,又便于可视化观察施工过程中海底隧道围岩渗流、变形特征。同时,采用研制的新型流固耦合模型试验系统和独立研制的新型流固耦合相似材料依托青岛胶州湾海底隧道开展流固耦合模型试验研究,揭示海底隧道施工过程中洞壁压力和围岩位移场、渗流场等的变化规律。研究方法技术及结果对类似工程研究具有一定的指导和借鉴意义。     

土与结构相互作用的可视化剪切试验装置研制及应用

 土与结构的相互作用是岩土工程中普遍存在的力学问题,在已有大型直剪试验系统平台上,设计局部可透视的刚性剪切盒和数据采集分析系统,研制相应的设备。在接触面力学参数可靠获取的基础上,通过高清数码摄像实时采集剪切试验过程中接触面剪切带的数字图像,利用GeoPIV分析获得剪切带土砾的变形和剪切带的厚度,实现土与结构接触面直剪试验剪切带变形的可视化与定量化。以三峡库区堆积体滑坡工程为背景,开展不同含水率条件下土石混合体与混凝土接触的剪切试验,得到接触面抗剪强度参数的变化规律和剪切过程中土砾颗粒运移特征,定量分析土砾颗粒在剪切过程中的位移变化规律,获得试验条件下接触面剪切带厚度为17～23 mm,试验结果表明上剪切盒中的土砾剪切过程中发生显著的位移,其相对下剪切盒的水平位移小于上下剪切盒的相对位移,呈现非线性的变化趋势,并给出土砾实际位移与剪应力的关系。该研究成果可为土与结构相互作用的可视化剪切试验、接触面力学特性和本构模型分析提供重要支撑。     

杆状支护系统的耦合模型及应用

锚杆/锚索等杆状支护系统在土木工程界的应用很广。但到目前为止，杆状支护物与被支护体之间的耦合机理却尚未十分清晰，有关支护效果的可靠合理的评价方法也并未成熟。基于Shear-Lag理论，提出一种改良的计算分析方法来描述杆状支护材料、交界面和被支护体之间的耦合作用机理。分析锚杆拉拔试验中由耦合到破坏的整个过程，提出一个计算交界面其实粘结强度的新方法。普通拉拔试验中，交界面的平均剪切强度低于其真实强度。二者的差别受支护杆的锚固长度和试件材料的物理力学性质的影响。若忽略试件材料的变形模量，可能导致试验的计算值与其实强度之间出现很大的偏差。分析不同变形模量试件体的拉拔试验过程，对于软岩支护中金属体的室内拉拔试验，建议试件材料的变形模量和相应的锚固长度。圆形隧道周边锚杆的受力状态分析表明，锚杆受力后存在拉拔区、中性点和锚固区。中性点的位置不但和隧道的几何尺寸有关，还与岩石的物理力学性质有关．计算结果和实测结果进行了对比，二者较为接近。     

岩石流体反应–流动耦合试验装置的开发

 原地溶浸采矿过程是一个典型受化学反应、流体流动以及物质迁移等多种因素非线性耦合作用的复杂过程。原地溶浸采矿过程中,伴随溶浸过程,矿层的渗透性分布会发生非常大的变化,这可能加剧矿层的非均匀性,使得溶浸剂和溶浸液在矿层中会发生非均匀流动现象,降低溶浸的范围和矿层的采收率。国内外现有的溶浸试验装置侧重于化学分析,不能很好地反映地浸现场条件下的高应力、高流体压力条件和流体流动的特点,同时在测量范围、精度上也不能满足科学研究的要求。为此研制岩石流体反应–流动耦合试验装置,该装置可以严格控制岩体应力和流体温度,实时在线监测系统内的流体压力、流量以及温度,实时分析流体的化学成分和岩芯的渗透性,通过分析手段可获得溶浸过程中的反应动力学参数和岩体成分等性质,实现对岩石流体反应流动耦合过程的全面分析。结合新型天然成因试剂地浸采铀法,在该试验装置上进行原状砂岩地浸试验,分析地浸过程中砂岩的渗透性、溶浸流体化学成分及铀矿采收率的变化情况。其中,当液固比为4时,铀的采收率接近60%,地浸过程中岩芯的渗透系数变化跨越3个数量级。这些试验数据显示,该装置的试验效果良好,加氧条件下矿层原地液地浸采铀是可行的,但渗透性的高度变异会影响到现场地浸的采收速率和采收率。     

裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合模型及其应用

 从岩体结构力学和细观损伤力学的角度出发,根据裂隙发育与工程尺度的关系,建立合理且适用的裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合数学模型,该模型能真实反映渗流场与应力场耦合作用下裂隙岩体的损伤演化特性,并能模拟由于渗透压的存在和变化引起的拟连续岩体内翼形裂纹的开裂、扩展和贯通等损伤演化特性和高序次贯通裂隙的张开、闭合。建立考虑渗透压力的三维含水裂隙岩体弹塑性断裂损伤本构方程和损伤应力状态作用下流体渗流方程,给出该数学模型的求解策略与方法,开发裂隙岩体渗流–损伤–断裂耦合分析的的三维有限元计算程序DSDFC.for。该计算程序能模拟岩体分步开挖、应力和渗流边界的动态变化,对裂隙岸坡蓄水加载过程进行渗流–损伤–断裂耦合分析,发现水库蓄水后岸坡山体的竖向抬升,随水位上升岸坡破损区增大,断层塑性区向岸坡深部扩展,与裂隙渗流比较,拟连续岩体渗流滞后。