高水压海床基岩开挖MHC耦合机理试验和模型研究

由于环境特殊性，海底基岩开挖造成的海底隧道渗流、突水问题远比陆地严重。本质上，海底隧道围岩突水是高水压下岩石的应力-渗流-化学（MHC）多场耦合力学问题。而多场耦合理论正成为国际上本学科的研究热点。开展海底基岩MHC耦合机理研究，既是海底工程安全建设的迫切要求，也是学科发展的必然趋势，具有重要的科学意义和社会意义。本项目从海底隧道高水压、海水腐蚀性特点出发，以典型海底岩石为对象，首先通过高水压渗流-全应力应变的耦合试验，获得应力、孔隙水压对岩石力学性质和岩石渗透性影响的关系。然后通过海水溶液高渗压水-岩时效化学试验，获得海水腐蚀对岩石力学性质和岩石渗透性质的影响关系。最后分析并阐明MHC作用机理，并将试验获得的参数关系与已经较为成熟的低渗压MH耦合模型相结合，建立一种基于试验的高水压海床基岩开挖MHC 耦合的唯象理论模型和数值计算方法。从而为海底工程渗水、突水的预测提供科学的理论基础。

由于环境特殊性，海底基岩开挖造成的海底隧道渗流、突水问题远比陆地严重。本质上，海底隧道围岩突水是高水压下岩石的应力-渗流-化学（MHC）多场耦合力学问题。而多场耦合理论正成为国际上本学科的研究热点。开展海底基岩MHC耦合机理研究，既是海底工程安全建设的迫切要求，也是学科发展的必然趋势，具有重要的科学意义和社会意义。本项目首先开展了高水压下岩石渗流-应力耦合试验，获得应力、孔隙水压对岩石力学性质和岩石渗透性影响的关系。分别对干燥和饱水状态下的含裂隙片岩进行单轴压缩试验，压缩过程进行应变和超声信号采集。然后通过海水溶液高渗压水-岩时效化学试验，自行研制了腐蚀环境流变装置和MHC耦合环向裂隙试件渗流装置，引入低温水文地球化学反应的计算机软件—PHREEQC模拟不同各种化学物质溶液与不同岩石地球化学反应过程，以超声或孔隙度作为损伤变量，实现化学-岩石作用损伤定量化。最后，研究MHC作用机理的基础上，建立了本构模型的渗流-应力-化学控制方程和弹塑性应力-渗流-损伤分析模型，开发材料非线性计算程序, 在弹塑性增量有限元方程的迭代计算中尝试采用Newton-Raphson法和Arc-Length法（NR-AL法）联合迭代求解的思路，克服峰后计算负刚度问题，建立一种基于试验的高水压海床基岩开挖MHC 耦合的唯象理论模型和数值计算方法。通过工程监测及数值模拟研究对方法进行验证，从而为海底工程渗水、突水的预测提供科学的理论基础。