腐蚀损伤岩体中的水化—水力损伤及其在隧道工程中的应用研究
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摘要
我国境内碳酸岩层分布纵深横广，大量的隧道及地下工程修建于可溶岩中，而可溶岩和一般岩体的本质区别在于其受过地下水物理、化学环境的改造。研究地下水环境对岩体化学、力学的改造机理、过程和演化，研究水化-水力损伤工程岩体中的渗流、应力及其耦合作用具有重要的理论意义和实用价值。
本文定义赋存于地下水环境中的碳酸岩或其它易腐蚀岩体，在地下水化学腐蚀与水力(劈裂)作用下内部出现更多缺陷，从而使其力学和水力学性能发生劣化或改变的作用为腐蚀损伤作用。岩体中水化损伤主要是由水-岩相互作用中的溶解-沉淀以及其它相关的化学作用产生的；在高水位富水区隧道开挖后形成的水力(劈裂)环境中，在开挖后形成的复杂应力状态和高水头压力的共同作用下，地下水可能劈裂或切穿弱透水岩层。水化-水力损伤岩体中损伤变量可以采用多种方法定义，在分析隧道岩体内部结构时，弹性波速是比较容易量测的岩体物理量，可用其来定义岩体中的腐蚀损伤变量。对于水力损伤而言，分支裂纹的起裂意味着开挖诱发的力学-水力损伤演化的开始，而在复杂应力状态下地下水压力的存在以及水-岩物理化学作用导致应力强度因子增加；同时由于受到地下水物理化学作用的劣化，从理论上分析其裂纹尖端的抗裂韧度相对也降低了，这意味着裂纹起裂扩展的阈值比无内水压力和腐蚀损伤时相对降低了，可采用断裂力学方法建立腐蚀损伤岩体水力(劈裂)损伤的演化方程。水化损伤的演化可用交叉板模型：裂纹面用矩(碟)形板模型表示，裂纹交汇线用溶管线模型表示，可用化学动力学的方法(PWP方程)推导出腐蚀损伤岩体中水化损伤的演化方程。在此基础上，本文首次建立了腐蚀损伤岩体中水化-水力损伤的演化方程，并指出水化损伤重点在于增加岩体的渗透性，而水力损伤则增加裂隙网络的连通性。针对具有多重空隙的腐蚀损伤岩体可采用多重介质数学模型来分析其水动力场的分布；水化损伤劣化了岩体的力学性能和承载能力，直接减小了岩体的有效承载面积，定义了损伤变量后，损伤应力可采用应变等效的方法进行计算。对于高水位富水区的深埋隧道而言，在排水的条件下，岩体渗透性不仅受初始裂隙网络及高应力的控制，同时还要受隧道开挖后水化-水力损伤发展的控制。岩样中全应力—应变三轴渗透试验过程中的典型表现为随着应力的增加，岩体内的空隙和裂纹受载闭合，渗透性降低，应力达到一定阈
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值后，岩体内部裂纹发生扩展和归并，渗透性增强；同样，地下水的动、静
压力作用对裂纹的扩展和归并也起着促进作用。高应力使裂隙闭合，一般是
降低岩体的渗透性，而水化－水力损伤则增加岩体渗透性，在腐蚀损伤发育
到一定阶段，应力对渗透性的这种影响则可能会被屏蔽。
外水压力是和有压隧洞中内水压力相对而言的，作用对象为衬砌。当衬
砌材料（如混凝土衬砌）具有一定的渗透性，衬砌和围岩结合紧密时，可以
采用水－力合算的方法（类似于共同作用设计方法中的数值法）计算外水压
力：当衬砌不透水或渗透性极小，和围岩结合不紧密时，地下水从围岩中渗
出，而以全部接触面积作用于衬砌－围岩脱离外表面时，可以采用水－力分
算的方法（作用系数法和弹性力学法等）进行计算。一般铁路隧道通过高水
位富水区时，不用衬砌直接承受较高的外水压力，要实现这个设计目标必须
做好衬背的排水工作，使通过加固圈渗透过来的水量及时排走，及时削减累
积的水量。
Carbonate rock is widely distributed in China both in depth and in area. A large number of tunnels are excavated and built in it. Carbonate rock is distinguished from the other fracture rock in that most of it has bored hydro-chemical and hydraulic erosion in groundwater environment. To study the mechanism,course and evolution of hydro-chemical and hydraulic erosion in carbonate rock,together with the coupling of seepage field and mechanics in it is significant both in theory and application.
The damage caused by hydro-chemical and hydraulic erosion in groundwater environment for carbonate rock is defined as rock erosion damage by author. The hydro-chemical damage is caused by the chemical reaction between groundwater and carbonate rock,while hydraulic damage by hydraulic fracture action. The erosion effect damage variable can be defined in many ways,while the one defined in wave velocity by author is more appropriate for deep buried tunnel surrounding rock. For the evolution of hydraulic damage under complex mechanics environment,the extension of branch fracture means the initiation of evolution,and the hydraulic damage evolution equation can be deduced by the method of Fracture Mechanics. The hydro-chemical damage evolution equation is deduced by cross board model established by author by the method of chemical kinetics (PWP Equation). The hydro-chemical damage evolution of a fracture is defined by the variation of board geometry dimension caused by chemical reaction,while a channel by the cros
s pipe of the board. Hydro-chemical damage increases the width of a fracture,while hydraulic damage increases
fractures' connectedness,which means that improve the seepage character of erosion rock. For erosion damage rock,its seepage field can be described by multi-medium mathematical seepage
model. Erosion damage decreases rock load area,after defining damage variable,the damage stress in rock can be calculated by the method bring forward by Lemaitre conveniently. For surrounding rock of a deep buried tunnel under the condition of drained,its seepage character is not only controlled by the high stress in rock,but also influenced by the development of erosion damage. In the whole course of rock' s deformation and failure,its seepage character decreases with the increment of stress in elastic stage,while 'increases with the development of failure. Stress decreases rock seepage character in elastic stage,while erosion damage increases it. Under some conditions,the influence of stress to seepage may be shielded by erosion damage.
Obtaining the distribution of seepage field,tunnel external water pressure can be calculated in two ways:1. If lining is separated from surrounding rock,it can be calculated alone with the method of coefficient or elastic;2. If lining combine with surrounding rock closely,it can be calculated together with rock pressure with coupling model. The lining of a tunnel in the area with high groundwater table does not bear high external water pressure in-normal,the surrounding rock reinforced by intrusion concrete does it. In the case,the groundwater through reinforced rock accumulated in the space between lining and rock must be drained in time.
本文定义赋存于地下水环境中的碳酸岩或其它易腐蚀岩体，在地下水化学腐蚀与水力(劈裂)作用下内部出现更多缺陷，从而使其力学和水力学性能发生劣化或改变的作用为腐蚀损伤作用。岩体中水化损伤主要是由水-岩相互作用中的溶解-沉淀以及其它相关的化学作用产生的；在高水位富水区隧道开挖后形成的水力(劈裂)环境中，在开挖后形成的复杂应力状态和高水头压力的共同作用下，地下水可能劈裂或切穿弱透水岩层。水化-水力损伤岩体中损伤变量可以采用多种方法定义，在分析隧道岩体内部结构时，弹性波速是比较容易量测的岩体物理量，可用其来定义岩体中的腐蚀损伤变量。对于水力损伤而言，分支裂纹的起裂意味着开挖诱发的力学-水力损伤演化的开始，而在复杂应力状态下地下水压力的存在以及水-岩物理化学作用导致应力强度因子增加；同时由于受到地下水物理化学作用的劣化，从理论上分析其裂纹尖端的抗裂韧度相对也降低了，这意味着裂纹起裂扩展的阈值比无内水压力和腐蚀损伤时相对降低了，可采用断裂力学方法建立腐蚀损伤岩体水力(劈裂)损伤的演化方程。水化损伤的演化可用交叉板模型：裂纹面用矩(碟)形板模型表示，裂纹交汇线用溶管线模型表示，可用化学动力学的方法(PWP方程)推导出腐蚀损伤岩体中水化损伤的演化方程。在此基础上，本文首次建立了腐蚀损伤岩体中水化-水力损伤的演化方程，并指出水化损伤重点在于增加岩体的渗透性，而水力损伤则增加裂隙网络的连通性。针对具有多重空隙的腐蚀损伤岩体可采用多重介质数学模型来分析其水动力场的分布；水化损伤劣化了岩体的力学性能和承载能力，直接减小了岩体的有效承载面积，定义了损伤变量后，损伤应力可采用应变等效的方法进行计算。对于高水位富水区的深埋隧道而言，在排水的条件下，岩体渗透性不仅受初始裂隙网络及高应力的控制，同时还要受隧道开挖后水化-水力损伤发展的控制。岩样中全应力—应变三轴渗透试验过程中的典型表现为随着应力的增加，岩体内的空隙和裂纹受载闭合，渗透性降低，应力达到一定阈
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值后，岩体内部裂纹发生扩展和归并，渗透性增强；同样，地下水的动、静
压力作用对裂纹的扩展和归并也起着促进作用。高应力使裂隙闭合，一般是
降低岩体的渗透性，而水化－水力损伤则增加岩体渗透性，在腐蚀损伤发育
到一定阶段，应力对渗透性的这种影响则可能会被屏蔽。
外水压力是和有压隧洞中内水压力相对而言的，作用对象为衬砌。当衬
砌材料（如混凝土衬砌）具有一定的渗透性，衬砌和围岩结合紧密时，可以
采用水－力合算的方法（类似于共同作用设计方法中的数值法）计算外水压
力：当衬砌不透水或渗透性极小，和围岩结合不紧密时，地下水从围岩中渗
出，而以全部接触面积作用于衬砌－围岩脱离外表面时，可以采用水－力分
算的方法（作用系数法和弹性力学法等）进行计算。一般铁路隧道通过高水
位富水区时，不用衬砌直接承受较高的外水压力，要实现这个设计目标必须
做好衬背的排水工作，使通过加固圈渗透过来的水量及时排走，及时削减累
积的水量。
Carbonate rock is widely distributed in China both in depth and in area. A large number of tunnels are excavated and built in it. Carbonate rock is distinguished from the other fracture rock in that most of it has bored hydro-chemical and hydraulic erosion in groundwater environment. To study the mechanism,course and evolution of hydro-chemical and hydraulic erosion in carbonate rock,together with the coupling of seepage field and mechanics in it is significant both in theory and application.
The damage caused by hydro-chemical and hydraulic erosion in groundwater environment for carbonate rock is defined as rock erosion damage by author. The hydro-chemical damage is caused by the chemical reaction between groundwater and carbonate rock,while hydraulic damage by hydraulic fracture action. The erosion effect damage variable can be defined in many ways,while the one defined in wave velocity by author is more appropriate for deep buried tunnel surrounding rock. For the evolution of hydraulic damage under complex mechanics environment,the extension of branch fracture means the initiation of evolution,and the hydraulic damage evolution equation can be deduced by the method of Fracture Mechanics. The hydro-chemical damage evolution equation is deduced by cross board model established by author by the method of chemical kinetics (PWP Equation). The hydro-chemical damage evolution of a fracture is defined by the variation of board geometry dimension caused by chemical reaction,while a channel by the cros
s pipe of the board. Hydro-chemical damage increases the width of a fracture,while hydraulic damage increases
fractures' connectedness,which means that improve the seepage character of erosion rock. For erosion damage rock,its seepage field can be described by multi-medium mathematical seepage
model. Erosion damage decreases rock load area,after defining damage variable,the damage stress in rock can be calculated by the method bring forward by Lemaitre conveniently. For surrounding rock of a deep buried tunnel under the condition of drained,its seepage character is not only controlled by the high stress in rock,but also influenced by the development of erosion damage. In the whole course of rock' s deformation and failure,its seepage character decreases with the increment of stress in elastic stage,while 'increases with the development of failure. Stress decreases rock seepage character in elastic stage,while erosion damage increases it. Under some conditions,the influence of stress to seepage may be shielded by erosion damage.
Obtaining the distribution of seepage field,tunnel external water pressure can be calculated in two ways:1. If lining is separated from surrounding rock,it can be calculated alone with the method of coefficient or elastic;2. If lining combine with surrounding rock closely,it can be calculated together with rock pressure with coupling model. The lining of a tunnel in the area with high groundwater table does not bear high external water pressure in-normal,the surrounding rock reinforced by intrusion concrete does it. In the case,the groundwater through reinforced rock accumulated in the space between lining and rock must be drained in time.
引文
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