低温TMHC作用岩石损伤蠕变特性及隧道围岩时空安全度研究

As the more and more tunnels were constructed in cold region, the tunnel engineering safe operation is facing challenges. How to guarantee the tunnel long term stability becomes an important problem. By the self developed test instruments of creep and TMHC coupling of low temperature, the project takes typical artificial and natural rock samples as researching objects, studies rock creep characteristics and creep curves with different stress pass and with the action by factors of low temperature, freeze-thaw cycles, hydration and chemistry. Obtains the long term strength and long term modulus. Analyzes the ultrasonic velocity，resistivity variation characteristics, observes the CT number of the rock specimen and the SEM image of fracture plane, and elucidates the deterioration and failure mechanism of rock creep with factors of frost heaving, freeze-thaw cycles, hydration and chemistry. Carries out the rock creep test with the coupling between low temperature periodic variation, stress, seepage and chemistry, reveals the multi-field coupling mechanism of creep process. Based on the basic theory and test data analysis, analyzes rock damage accumulate rate of multi-factors and evolution curve equation between damage and permeability, constructs water-bearing rocks creep damage model and multi-field coupling numerical calculation program based on viscoelastic plasticity damage softening model. Long term stability analysis method will be proposed for underground engineering based on time and space element safety degree, and will be verified by actual underground engineering monitoring in cold region. The research results will provide the scientific theory basis for underground engineering design and construction in low temperature and water rich environment.

我国寒区地下工程建设越来越多,受复杂水岩作用，工程安全运营面临严峻挑战，如何保证其长期稳定性成为首要解决的问题。本项目通过改进的低温蠕变及TMHC 耦合试验装置，以典型人工岩样和天然岩石为对象，研究低温、冻融、水、化学等因素综合作用和不同应力路径下岩石的蠕变曲线和蠕变特性，获得相应的岩石长期强度和长期模量。分析岩石低温水岩作用和蠕变过程声波、电阻率变化特征，观察试件CT数及破裂断面扫描电镜图像，揭示多因素作用岩石蠕变全过程损伤特性和劣化机理。进行低温周期变化-应力-渗流-化学耦合岩石蠕变试验，揭示蠕变过程中的多场耦合机制。基于基础理论和试验数据，分析多因素岩石损伤累积率和损伤-渗透演化曲线方程，建立岩石非线性蠕变损伤模型和基于黏弹塑性损伤软化的多场耦合数值程序，提出基于时空单元安全度的地下工程长期稳定性分析方法，结合寒区地下工程进行验证，为低温富水环境地下工程设计和施工提供科学的理论依据。

我国寒区地下工程建设越来越多,受复杂水岩作用，工程安全运营面临严峻挑战，如何保证其长期稳定性成为首要解决的问题。研究低温TMHC综合作用环境的冻岩蠕变损伤特性及其模型，建立低温富水环境地下工程长期稳定性分析方法可为日益增多的低温环境地下工程建设提供科学的依据，具有重要的工程价值和科学意义。本项目的研究内容按照计划进行，针对低温富水环境的地下工程围岩时效损伤变形失稳和渗流等长期稳定性问题，以人工岩样和典型工程现场岩石为对象，研究低温或冻融循环的TMHC（温度、力、水、化学）综合作用下岩石不同应力路径下的蠕变曲线特征，总结各因素对岩石蠕变参数、长期强度和长期模量影响规律。. 本项目自主改造研制了低温三轴蠕变多场耦合试验设备和开发结构面自动扫描装置。在吉林的辉白隧道、吉林甄峰岭隧道、大连大东山隧道和大连地铁等工程现场进行岩样采集，进行了花岗岩、片麻岩、玄武岩、石英岩、石英砂岩、板岩、红砂岩六种天然岩石的200多个岩样的三轴压缩蠕变和剪切蠕变的试验，分析蠕变过程的声发射、声波、电阻率变化规律及破裂断面的扫描电镜图像，阐明冻胀、冻融循环、含水等因素影响以及岩石蠕变过程的岩石劣化破坏机理。考虑低温冻融、化学腐蚀、含水为环境特征，开展岩石的蠕变损伤机理和规律研究，并建立相关蠕变模型。揭示了化学作用、冻融作用、化学-冻融耦合作用、低温含水作用等岩石的蠕变损伤机理，基于基础理论和试验数据的统计分析，引入冻融循环岩石损伤累积率和损伤-渗透演化曲线，建立低温扰动含水岩石蠕变损伤模型和基于黏弹塑性损伤软化的多场耦合数值计算程序，提出基于HB非线性强度准则的时空单元安全度的地下工程长期稳定性分析方法。在上述几个隧道工程现场进行多元信息监测，并利用计算模型进行了验证和结合工程应用。为低温富水环境地下工程设计和施工提供科学的理论依据。