大数据-算法-水岩作用的岩体剪切特性试验与MHC耦合数值模拟.pdf

这篇博士学位论文主要关注的是水与岩石相互作用对岩体剪切特性的影响以及M-H-C（力学-水理-化学）耦合数值模拟在岩体工程稳定性中的应用。论文作者通过实验研究、理论分析和数值模拟相结合的方式，深入探讨了水岩作用对岩体工程稳定性的影响。 1. 论文首先进行了不同水化学溶液侵蚀条件下的砂岩抗剪强度试验，揭示了水化学作用如何改变砂岩的微观结构，并讨论了水化学损伤机制。通过分析，明确了水化学作用对砂岩抗剪强度的影响规律，提出了岩石水化学损伤度的概念，量化了抗剪强度参数随水化学损伤变化的过程。 2. 研究了含水率对砂岩软弱结构面剪切蠕变特性及长期抗剪强度的影响，发现含水率增加会显著增强蠕变变形和蠕变速率，延长达到稳态阶段的时间，并降低了初始蠕变强度和长期抗剪强度，且长期抗剪强度与含水率呈指数关系。 3. 对黏弹塑性元件组合蠕变模型进行了改进，建立了考虑含水率影响的砂岩软弱结构面剪切蠕变模型，并使用进化优化算法对模型参数进行反演。 4. 利用化学动力学方法建立岩石水化学损伤动态演化数学模型，通过数值模拟分析了水溶液的酸碱度、离子种类和浓度对重庆砂岩损伤演化的影响。 5. 提出了由水化学损伤动态演化模型、岩石固相基质本构方程、渗流方程和孔隙压力变化方程组成的M-H-C耦合弹性本构模型。 6. 结合M-H-C耦合弹性本构模型和模块化思想，利用COMSOL流固耦合模块和Phreeqc软件，开发了相关接口程序，创建了岩石M-H-C耦合的弹性数值模拟程序与方法。 7. 引入化学软化概念，提出考虑水化学作用的岩石屈服准则和加卸载准则，建立了M-H-C耦合弹塑性本构模型，涵盖了水化学损伤动态演化模型、渗流方程和弹性常数等相关方程。 8. 基于M-H-C耦合弹性数值模拟方法，嵌入弹塑性本构模型，构建了M-H-C耦合弹塑性数值模拟程序与方法。 9. 应用提出的M-H-C耦合弹性与弹塑性数值模拟方法，对存在水岩化学作用的隧道稳定性进行了计算分析，模拟了不同水环境下的损伤演化，分析了水环境酸碱度、离子种类和浓度对隧道稳定性的影响。 这些研究成果为理解和预测受水岩作用影响的岩体工程如边坡、坝基、地下洞室和核废料储存等的稳定性提供了理论依据和技术手段，具有重要的实际应用价值。通过数值模拟，可以更好地预测和控制岩体在复杂水岩作用下的行为，保障岩体工程的安全性。