粘土岩细-宏观水-力耦合机理及围岩稳定性分析

The present project focuses on the stability analysis of surrounding claystone in underground engineering structures. The project is composed of both experimental investigation and numerical modeling.A series of laboratory tests will be first performed in order to characterize the influence of the claystone mineral composition on the macroscopic mechanical behavior,the interaction mechanism between pore water and main mineral constituents as well as the influence of evolution in mineral composition on the hydromechanical behavior of claystone. Based on the test results and experimental evidences,using non-linear homogenization methods, a meso-macro model will be proposed to describe the short and long term mechanical behavior of natural claystone. Further, through permeability test, a hydromechanical coupling model will be established. Based on the physical tests, triaxial compression and creep tests and permeability tests under different relative humilities, considering the role of capillary pressure and surface tension, the short and long term mechanical modeling of unsaturated claystone will be proposed. After the formulation and validation of the hydro-mechanical model for non-saturated claystone, we propose to develop efficient numerical method for coupled problems in order to describe damage and failure process and to investigate stability of surrounding rocks in underground engineering structures. The proposed models will be also applied to the feasibility study of geological repository of nuclear waste in claystone as potential geological barrier. The results of the project are expected to provide a theoretical background for the design and stability analysis of underground excavation in claystone with hydromechanical coupling and taking into account microstructure evolution.

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。