干湿循环对泥岩水力特性影响规律宏细观试验和数值研究

发布时间：2020-07-01 12:05

【摘要】：泥岩是深部地下工程常见地层,由于含有膨胀性矿物,与水膨胀效应显著。本文针对泥岩水力耦合特性,综合采用多种宏细观测试方法,开展了泥岩干湿循环试验,系统研究了其水力特性,并结合数值仿真方法,进行了研究,拟揭示泥岩的干湿变形和损伤演化机理,主要工作如下:(1)利用所研制的湿度-质量跟踪实验系统,实时跟踪干湿循环过程泥岩质量变化,研究了不同干湿循环梯度和次数对泥岩土水特征曲线影响规律,发现了干湿循环次数对泥岩土水特征曲线影响较大,并利用V-G模型,进行了定量分析;(2)提出一个二维扩散模型,反映了干湿循环过程泥岩水气交换过程,反演得到了泥岩的扩散系数。在低湿度环境下,水蒸气的扩散系数随着湿度增加而增加,当湿度达到98%又降低。结合核磁共振和水银压汞试验,研究了泥岩含水分布和孔隙结构分布特征;(3)利用数字图像相关技术和环境电子扫描显微镜,实现了泥岩干湿循环细观原位测试。通过开展不同干湿循环试验,研究了干湿循环次数和干湿循环梯度对泥岩变形和细观结构影响规律;(4)泥岩干湿变形呈现显著的非均质性、非线性、各向异性和不可逆性,通过细观图像定量分析,分别揭示了泥岩变形和损伤机理,确定出它与材料矿物组成和细观结构的内在关系;(5)通过数值仿真,模拟分析了含夹杂对泥岩干湿变形影响规律。结果表明,泥岩干湿变形,由于不同矿物组成的变形不协调性将产生应力集中,并导致了不同矿物界面产生微裂隙,形成损伤破坏;提出的泥岩水力耦合模型可以反映干湿循环过程中泥岩水气扩散和变形特征。
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU45
【图文】：

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图１．１高放废物地质处置系统示意图（Ｗａｎｇ邋ｅｔａｌ．邋２０１２）逡逑地质屏障主要功能就是限制核素从储存库中迁移到生物圈内，而地层中是核素迁移最重要的载体，因为选择地层的第一考虑因素，就是地质体的性，极低渗透率岩层（盐岩、低裂隙花岗岩、粘土岩等）是当前各国考虑地质体。山于高放核废料的危险性极其漫长，高放核废料地质储存库的密性需考虑的时间是儿十万年。这样的安全要求就需要地质体的初始状态、

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不仅可以驱赶回填材料和围岩内的孔隙水，还可引起回填材料和围岩损伤破坏，逡逑加快核素迁移扩散，造成核安全事故，因此，封存后期，最主要的岩土力学问题逡逑是气一液一固耦合问题（图１．２）。逡逑Ｉ－．述研究表明，高放核废物地质储库建设和运营过程中综上所述，高放废物逡逑地下处置库将经历多个干湿循坏过程（图１．４）。泥岩在非饱和过程不仅改变了其逡逑含水分布，而且引起了其力学特性变化（图１．３）邋（Ｐｈａｍ邋ｅｔａｌ．邋２００７）；邋（Ｙａｎｇｅｔ逡逑ａｌ．邋２０１２）。法国Ｔｏｕｍｅｍｉｒｅ地区有＿一条埋深为２５０ｍ，长达２公里的隧道，其穿逡逑越粘土岩，根据现场观测，该隧道洞壁呈现有规则分布的微裂纹，裂纹间距在逡逑１０到２０ｃｍ之间，它们夏季（湿度大约为９０－１００％）闭合，冬季（湿度在４０－８０％逡逑之间）张开（Ｐｈａｍ邋ｅｔａｌ．邋２００７）。同时，室内研究也表明粘土岩的力学特性与其逡逑含水量密切相关。因此，深入研究粘土岩干湿过程变形特征及其力学特性具有重逡逑要的现实意义和理论研究价值。逡逑ｍ逦＾逡逑１逦１０逦１０２逦１０３逦１０４逦１０ｓ逦１０６邋年逡逑高放核废料区Ｔ逦地层自然温度逡逑中放核废料区逡逑：逦地层自然温度逡逑群oT」■■■■＿交替直至姞和■sE平衡态逡逑围岩远櫰逦泈嚌逦ｉｆ润sE至sE平１态逡逑Ｍ｜逦艄灥玲逦一—一一逡逑图１．邋２：中、高放核废料地质处置库不同阶段温度一水一力演化示意图（根据（Ａｎｄｒａ

【参考文献】