【摘 要】
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泥岩是一种弱固结粘土经过中等程度的后生作用形成的强固结岩石,具有结晶颗粒细腻、层理构造不明显、遇水软化、良好蠕变性等特点,同时因为具有高吸附性、低渗透性、良好的地球化学封闭性以及“自愈合、自封闭”等工程性质,将其选做高放废物处置库场地岩,如Callovo-Oxfordian储存库（法国）、Boom储存库（比利时）、Opalinus储存库（瑞典）等。本论文以实际采集的泥岩岩样为研究对象,通过X射线衍
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泥岩是一种弱固结粘土经过中等程度的后生作用形成的强固结岩石,具有结晶颗粒细腻、层理构造不明显、遇水软化、良好蠕变性等特点,同时因为具有高吸附性、低渗透性、良好的地球化学封闭性以及“自愈合、自封闭”等工程性质,将其选做高放废物处置库场地岩,如Callovo-Oxfordian储存库（法国）、Boom储存库（比利时）、Opalinus储存库（瑞典）等。本论文以实际采集的泥岩岩样为研究对象,通过X射线衍射测试、自适应全自动岩石三轴试验分析泥岩物性特性和其力学参数随围压和渗透压的演化规律,并基于有限元软件ABAQUS的二次开发模块建立了适用于泥岩的弹塑性损伤模型,进一步探究不同荷载组合下的力学响应,最后将成果运用于比利时HADES地下实验室核废料处理库泥岩渗流-应力耦合分析中。论文结合理论分析、室内试验和数值模拟,得到的研究成果如下:1)通过泥岩的X射线衍射测试得到,本次泥岩对象主要是由高岭石和云母组成,并伴有一定石英和其他矿物（长石、绿帘石、绿泥石等）,其中石英含量较高,属于硅质泥岩,其固结程度较页岩弱,重结晶不明显。2)通过泥岩的三轴试验得出:泥岩抗压强度随围压的增大而增大,且泥岩抗压强度的增长速率基本为一定值,泥岩抗压强度随着渗透压的增大而逐渐降低,且围压不同时,较大围压条件下渗透压变化对泥岩抗压强度的影响程度较小,这是因为围压对泥岩试样侧向变形有约束作用,渗透压对有效围压的具有减弱效应。3)不同荷载组合下的泥岩应力-应变曲线,得到围压和渗透压对泥岩弹性模量的影响。结果表明:弹性模型随着围压增大而增大,增加速率逐渐减小;弹性模型随着渗透压增加而减小,且围压不同时,渗透压增长对弹性模量的降低影响程度与围压的大小呈正比,这是因为围压对岩石试件内部的微裂隙和微裂纹有压缩效应,渗透压对泥岩有效围压具有降低效应。4)结合泥岩的三轴室内试验结果及Mohr-Coulomb准则,获得不同应力状态下泥岩的粘聚力和内摩擦角变化,其结果表明:泥岩的粘聚力随渗透压的增大而减小,这是因为泥岩中的泥质成分可有效降低岩石矿物颗粒之间的粘结力;内摩擦角随渗透压的增大而减小,这是因为渗透水对岩石颗粒之间相互滑动的滑动摩擦具有减弱效应。5)根据有限元算法理论构建各向同性泥岩弹塑性本构模型,并基于ABAQUS有限元数值模拟平台,利用UMAT子程序在其平台上进行实现,并与MohrCoulomb材料弹塑性本构进行了比较验证,验证了该自研模型的正确性与有效性;在这个验证模型的基础上,进行了不同荷载下的泥岩水力学相应研究,计算结果表明:在轴压一定的工况下,围压越大,泥岩的轴向形变越小,相应的横向形变、等效塑性应变以及Mises应力都逐渐变小。6)基于上述泥岩弹塑性本构模型,进一步考虑渗流效应,研究核废料处置库巷道开挖的渗流-应力耦合过程,计算结果表明:在渗流应力耦合作用下,巷道左右两侧围岩出现了明显的应力集中现象,巷道周围产生了塑性损伤区,围岩孔隙比增大,渗透系数增大。
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