泥岩渗流-应力耦合特性及其渗透性演化的自修复效应研究

泥岩渗流-应力耦合特性及其渗透性演化是软岩地下工程稳定性研究的重要内容。本项目首先通过室内应力渗流耦合试验、裂隙愈合及渗透性自修复试验，研究不同应力水平下泥岩渗透性动态演化规律及渗透性自修复机理，应用扫描电镜对试样试验前后的微结构开展研究，揭示泥岩颗粒排列、微裂隙分布及孔隙分布对试样渗透性的影响；依据试验成果，建立泥岩渗流-应力-损伤耦合本构模型、渗透性演化方程及自修复模型，将理论成果与ABAQUS相结合，通过二次开发，编制相应的计算程序；然后根据比利时高放废物处置库现场监测资料，对力学变形强度参数、渗透性参数开展参数反分析研究，反演出符合现场监测信息的参数值；最后，开展依托工程大规模数值仿真计算，研究开挖损伤区渗透性演化规律及储库地下水的运移规律。研究成果为我国高放废物处置场泥岩预选区的预选提供科学依据，对软岩地下工程的设计及施工起到指导作用。

泥岩在多场耦合作用下的破坏机制及其对工程稳定性的影响已成为工程界急需解决的关键技术。泥岩力学性质十分复杂，尤其是在多物理场耦合作用下的损伤演化、渗透性变化及裂隙自修复特性更为复杂，目前该问题的研究尚属起步阶段。本项目以依托工程为背景，对泥岩弹塑性损伤本构模型、渗流-应力-损伤耦合模型及渗透性自愈合模型等方面开展细致的研究工作，取得的研究成果如下：.　　(1) 泥岩应力渗流耦合非线性特性试验研究。开展了不同围压下固结不排水三轴剪切试验，结果表明Boom Clay属于粘聚摩擦型材料，应力应变关系是典型的应变软化型；开展了泥岩固结试验，得到了泥岩基本物理力学参数以及孔隙演化特征；开展了泥岩渗透性室内试验，并结合相关现场试验测试成果，对泥岩渗透演化规律及裂隙自修复特征进行系统地分析，揭示泥岩渗流动态演化机理；通过扫描电镜试验，得到了泥岩微观结构以及剪切试验前后试样的微观结构变化特征。.　　(2) 泥岩弹塑性损伤本构模型及其参数反演分析。为了描述泥岩的硬化和软化行为，建立了考虑最大拉应力准则的修正Mohr-Coulomb损伤本构模型，基于损伤势函数的概念导出了损伤演化方程，编制了泥岩本构模型参数反演程序，并根据泥岩三轴试验结果，采用多目标函数优化反分析法获得了泥岩本构模型参数。.　　(3) 泥岩渗流-损伤耦合模型研究。在室内试验和现场试验研究的基础上，以泥岩损伤为主线，研究了开挖扰动对泥岩渗透性的影响规律，通过在渗流-应力耦合控制方程中引入损伤变量，推导能够描述泥岩宏细观水力学行为的的渗透性演化方程，建立了泥岩的渗流-损伤耦合模型，完成了有限元程序的二次开发，探讨了开挖扰动影响下围岩的损伤分布形态以及渗透性质的演化规律。.　　(4) 泥岩自愈合机理研究。基于泥岩自愈合的室内试验和现场试验成果，分析影响泥岩裂隙自愈合过程的因素及各因素对渗透性的影响规律，得出泥岩裂隙自愈合影响因素，揭示泥岩的自愈合机理，建立渗透性自愈合模型，并基于现场监测的孔隙压力资料，采用有限元优化法反演了泥岩的渗透系数和渗透性演化方程中的待定参数。. (5) 在泥岩力学特性、渗透性、本构模型及裂隙自愈合等研究成果的基础上，采用数值模拟方法，研究储库围岩孔隙压力分布规律、开挖扰动区的损伤演化过程及渗透性演化规律，对围岩稳定性进行评价。