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岩土力学
中国科学院武汉岩土力学研究所
岩土力学

中国科学院武汉岩土力学研究所

白世伟

月刊

1000-7598

ytlx@whrsm.ac.cn

027-87198484

430071

湖北省武汉市小洪山中科院武汉岩土力学研究所

岩土力学/Journal Rock and Soil MechanicsCSCD北大核心CSTPCDEI
查看更多>>本刊是全国中文核心期刊、美国《工程索引》（EI）收录期刊，同时也是中国科学引文数据库、中国科技论文统计源期刊，且为《中国期刊网》、《中国学术期刊（光盘版）》、《万方数据库》、重庆维普全文收录，欢迎读者通过期刊网查阅本刊内容。本刊主要报道岩土力学与工程研究和工程获得的新理论、新成果、新方法。
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    压气储能内衬硐室储气关键问题与设计要点评述

    蒋中明刘宇婷陆希杨雪...
    3491-3509页
    查看更多>>摘要：压缩空气储能(compressed air energy storage,CAES)技术是一种新型的物理储能技术,也是一种具有广阔发展前景的大规模储能发电技术.大规模压缩空气储能通常需要配置大容量的地下储气装置.在现有的地下储气库类型中,内衬式人工硐室地下储气库因其选址灵活、限制条件少成为近年来的研究热点.在当前国内对大规模CAES技术需求迫切的背景下,对人工硐室储气库的理论研究成果和技术发展现状进行了全面梳理和评述,分析了现有地下储气库稳定性分析理论、内衬硐室密封方案和热力学过程分析方法等的优点和不足,并讨论了内衬式人工硐室储气库工程的设计要点和注意事项.最后,提出了影响内衬式人工硐室储气行业发展面临的挑战.

    压缩空气储能内衬硐室关键科学问题工程设计要点行业发展挑战

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    基于单元凋亡法的压气蓄能盐穴围岩潮解行为表征及其影响研究

    曾真马洪岭梁孝鹏李航...
    3510-3522页
    查看更多>>摘要：盐穴压气蓄能是当前利用风、光等可再生能源实现电网调峰的重要技术.然而,在电站的日循环注采工况下,盐穴内湿环境会呈现高频高幅振荡.当盐穴温度因采气而骤降时,相对湿度可接近 100%,该条件下腔周盐岩将发生潮解,导致腔体的横向扩展,影响盐穴的稳定性与密闭性.将损伤盐岩置于压气蓄能工况对应的干湿循环中,统计其潮解量.利用表观形貌分析了盐岩表面潮解速率随偏应力水平的变化规律,并建立了两者的拟合关系.开发了针对FLAC3D软件的单元凋亡法,嵌入模拟盐穴长期变形的数值程序中,基于试验结果计算腔周盐岩网格单元的潮解量并适时使之凋亡,从而表征潮解对盐穴宏观可用性的影响.结果表明:在长期运行后,腔体轮廓会因围岩潮解而略微向外延伸,使得腔周位移与安全系数轻微恶化,但仍能充分满足经验性的安全判据.然而,潮解的盐将固定盐穴空气中的水分,转化为卤水汇集于腔体底部从而显著降低盐穴可用体积.这一影响远高于地层蠕变导致的腔体收缩,须通过增设地面除湿装置与定期排卤等措施予以控制.

    盐穴压气蓄能盐岩干湿循环潮解二次开发

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    压缩空气储能地下内衬硐库上覆岩体稳定性分析

    易琪孙冠华姚院峰桂本...
    3523-3532页
    查看更多>>摘要：地下内衬硐库是压缩空气蓄能电站储气装置的主要方案,鉴于其高内气压的荷载特征,硐库上覆岩体稳定性评价是工程设计的关键环节之一.针对隧道式储气硐库,基于极限平衡理论和Mohr-Coulomb强度准则,建立了上覆岩体极限状态下被动岩土压力的力学模型,通过应力边界积分建立了三力矩平衡方程组,提出了可计算任意形态破裂面的安全系数求解方法.结果表明,安全系数主要受埋深、硐库半径、储气压力和地应力系数等因素控制,与埋深呈非线性正相关,与储气压力呈非线性负相关,与半径呈非线性负相关.针对Ⅲ级岩体条件下,给出了埋深、硐径和最大储气压力等 3 个设计参数满足稳定性要求的取值范围,对工程设计具有重要指导意义.

    压缩空气储能内衬硐库极限平衡法稳定性安全系数

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    考虑剪切变形的高压储气洞室复合式预设缝衬砌力学特性

    张格诚徐晨夏才初
    3533-3544页
    查看更多>>摘要：在高内压下,压缩空气储能地下洞室钢筋混凝土衬砌的开裂问题难以避免,为了控制混凝土衬砌的裂缝宽度,衬砌的配筋率往往非常高,甚至高到难以配筋.这不仅增加了地下洞室的建造成本,也降低了压缩空气储能系统的压力上限.为了解决这一问题,提出了高压储气洞室的预设缝衬砌结构,通过对衬砌预设缝释放环向拉伸变形进而降低衬砌所受拉力.但由于衬砌与初期支护间的剪切应力也会对衬砌结构产生拉应力,在预设缝附近(15°范围内)衬砌内钢筋的拉应力得到了有效降低,但远端处衬砌拉应力仍较大.因此,在衬砌和初支之间设置了滑动层,以达到减摩降阻的目的.滑动层的剪切刚度对钢筋应力影响很大.滑动层剪切刚度越小,衬砌钢筋的应力越低.由于滑动层无法实现完全光滑,在高内气压下衬砌钢筋应力仍然很大.为了进一步降低衬砌结构拉应力,提出了分层变形释放的高压储气洞室结构方案,即在衬砌结构预设缝的基础上,初期支护也采用预设缝结构,且初支的预设缝与衬砌的预设缝设在相同位置处.计算结果表明,高压储气洞室采用复合式预设缝结构后,初支与围岩之间发生了相对剪切变形,进而初支与衬砌间的相对剪切变形得到了一定程度的降低,相应的衬砌最大裂缝宽度也得到减小.因此,在高内压条件下,可以采用预设缝钢筋混凝土衬砌结构,衬砌与初支之间设置滑动层;内压进一步升高后,还可以采用初支、衬砌均设置预设缝的复合式衬砌结构分层释放变形,以降低衬砌拉应力.

    压气储能地下内衬洞室预设缝衬砌剪切变形可伸缩初期支护

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    聚氨酯类聚合物砂浆-混凝土界面黏结性能与变形特征试验研究

    蒋中明石兆丰杨雪田湘...
    3545-3554页
    查看更多>>摘要：聚合物砂浆(polymer mortar,PM)因其良好的气密性、抗裂性和变形适应性被认为是一种极具发展潜力的建造压缩空气储能(compressed air energy storage,CAES)人工硐室储气库密封层的可选材料之一.为探究聚氨酯类聚合物砂浆(polyurethane polymer mortar,PPM)与人工硐室储气库衬砌混凝土之间的黏结性能和变形适应性,采用室内试验和数值模拟方法,研究了 PPM 中粉料和聚合物含量以及配比变化对 PPM-混凝土界面的黏结性能和变形性能的影响规律,并分析了界面的破坏特征和破坏机制.研究结果表明:PPM-混凝土界面破坏型式主要表现为界面两侧材料的分离;界面剪应力-位移关系在应力峰值前呈现两阶段近似线性变形特征,界面破坏剪切应变最大值可达 11.05%;粉料和聚合物含量以及配比变化对界面黏结强度都有重要的影响,最高黏结强度约为1.21 MPa,最低平均黏结强度为0.237 MPa.PPM-混凝土界面强度和变形性能可满足CAES地下储气库的建库要求.

    压缩空气储能人工硐室密封结构PPM-混凝土界面黏结性能变形特征

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    压气法盾构仓内气压与围岩气-液两相流相互作用模型研究

    黄继辉秦世康赵昱陈景煦...
    3555-3565页
    查看更多>>摘要：压气法盾构施工技术在水下隧道修建中具有显著优点,但缺乏理论分析模型.基于质量守恒和理想气态方程,建立了盾构土仓内气压与压缩气体进出流量关系的理论模型,通过掌子面动态气压边界,将其与考虑气-液两相流的围岩数值模型耦合,形成盾构仓内气压与围岩气-液两相流相互作用模型.基于现场数据验证了模型的有效性,分析了停机情况下压气法土仓压力影响因素,主要结论如下:土仓压力随压缩空气的注入先增大后降低并趋于平稳,空气注入速率增大,土仓压力峰值和平稳值相应增大.土仓内压缩空气可减小土仓压力波动速率和幅度,空气体积越大,效果越好;压气法宜在渗透系数较小的地层中使用,地层渗透系数越大,对压缩空气的约束能力越小,甚至出现贯通至地表的空气排出通道.渗透系数较大地层中,突然停止空气注入,可能导致土仓压力快速下降和地下水涌入,危及施工安全.

    盾构隧道压气法两相渗流数值模拟

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    纤维增强柔性混凝土压气储能地下洞室力学响应研究

    鲁青云徐英俊夏才初刘少华...
    3566-3575页
    查看更多>>摘要：高内压作用下压气储能地下洞室极易开裂,严重威胁洞室稳定性和密封性.为充分传递内压荷载、增强洞室变形能力,发挥围岩的承载能力,提出了柔性衬砌的设计理念:采用低弹性模量的柔性混凝土作为压气储能地下洞室衬砌层.通过室内试验研究了不同配比下柔性混凝土的力学性能,据此提出了柔性混凝土的修正损伤-塑性本构关系模型(concrete damaged plasticity,CDP),并建立了柔性混凝土的压气储能地下洞室力学计算模型.为论证柔性混凝土用于压气储能地下洞室的可行性,以某在建的压气储能地下洞室工程为背景,比较了采用不同衬砌形式以及不同柔性混凝土配比对压气储能地下洞室力学响应规律的影响,结果表明:采用低弹性模量的柔性混凝土可以有效地降低在高内压压气储能地下洞室混凝土衬砌的拉应力,减少衬砌开裂,充分实现了传递内压荷载、增强洞室变形能力,发挥围岩承载能力的作用.

    压气储能柔性混凝土地下洞室稳定性

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    充填型岩石节理剪切力学特性研究进展

    康永水周秀斌刘滨卢正...
    3576-3595页
    查看更多>>摘要：深部地层断层破碎带分布广泛,通常夹杂断层泥、岩屑等充填物,可显著降低岩体强度,为围岩稳定控制带来严峻挑战.断层破碎带充填型节理的剪切力学特性复杂且受多种因素的影响,如岩石类型及力学特性、节理面粗糙度、充填物矿物组分及力学性质、流体作用(如地下水).通过回顾充填型岩石节理剪切力学行为的研究历程,对国内外关于充填型岩石节理剪切力学特性的研究现状进行了系统的总结,从室内剪切试验、数值仿真方法、抗剪强度准则及本构模型理论等方面分析了充填型岩石节理剪切力学特性关键科学问题及研究进展,并剖析了不同研究方法中存在的问题及发展趋势.目前普遍认同充填度、充填物矿物组分及力学性质是区别于无充填节理的最重要特征;地下水作用、法向应力、节理壁粗糙度等因素对充填节理力学特性有显著的影响.目前通过宏观唯象方法建立的抗剪强度理论难以精确应用到工程实际中,未来的研究关键及难点主要包括:多尺度充填型岩石节理剪切力学特性、基于充填节理的剪切破坏形成的细观机制、不同种类充填节理的剪切破坏准则及其对应的数值仿真本构模型及细观参数取值方法等.考虑多场耦合条件下多尺度充填节理的复杂行为将是未来充填型岩石节理剪切行为研究的重要发展方向.

    断层带充填节理剪切行为充填物性质多尺度分析

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    考虑轴向应力作用的贯通裂隙岩体变形及渗流特性研究

    刘新荣张吉禄周小涵刘煜宇...
    3596-3612页
    查看更多>>摘要：岩层内有害气体运移主要通过裂隙介质进行,地层应力状态对岩体渗透性影响显著,通常天然岩体处于三向不等压状态,研究不同应力状态下岩体变形及渗流的影响对合理预测岩层内气体运移具有重要意义.通过三轴试验系统考虑不同裂隙角度及围压,开展了流-固耦合作用下的岩体压缩全过程变形及渗透规律研究.试验结果表明:(1)岩体既有裂隙应变随轴向应力的增加表现为先减小后增加的趋势,当围压小于25 MPa时,轴向应力对裂隙的影响主要为体胀,当围压大于25 MPa时,轴向应力对裂隙的影响主要为体缩;(2)低围压下岩体体胀主要由既有裂隙产生,高围压下主要由岩石新生裂隙产生,贯通裂隙岩体压缩过程岩体渗透性变化主要由既有裂隙变形决定;(3)当裂隙角度为 90°、80°、70°时,随着围压的增加岩体峰值应力渗透率相比初始应力分别增加4%～-0.7%、0.5%～-6.3%、-0.2%～-15%,轴向荷载作用下裂隙角度对岩体渗透性的影响略高于围压;(4)考虑不同应力水平对裂隙变形的影响,建立了三向应力状态下裂隙渗透率计算模型,发现法向变形的侧限应力影响系数χ的敏感性随围压的增加以及裂隙角度的增加而降低.

    贯通裂隙花岗岩渗流三轴压缩裂隙角度

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    降雨作用下堆积层边坡与下穿隧道相互作用模型试验研究

    张永杰胡涛郭一鹏邓沛宇...
    3613-3623页
    查看更多>>摘要：为了掌握降雨条件下堆积层边坡蠕动变形规律以及隧道衬砌结构受力变形特征,利用土压力盒、应变片、百分表和湿度计等测试仪器,开展了降雨工况下隧道-边坡平行体系渗流与受力变形特性的响应物理模型试验.试验结果表明,在降雨过程中,雨水的入渗深度跟边坡高度以及与坡面的距离呈反比,隧道的存在会影响雨水的渗流路径,导致隧道上方坡体的雨水入渗速率加快、含水率峰值增大,而隧道下方坡体的雨水入渗速率减缓、含水率峰值减小;坡体变形量与含水率变化速率正相关,坡体变形集中在含水率快速上升阶段,在这个阶段,坡顶、坡中和坡脚发生的竖向位移分别占降雨全过程总竖向位移量的89.6%、96.4%、98.9%;同时隧道随边坡变形而受压,隧道顶部由边坡变形带来的土压力增量同隧道在堆积体中的埋深正相关,平均每隔15 cm增加24%,基岩端土压力增量约为洞口端土压力增量的2.4倍,且隧道底部土压力增量小于隧道顶部土压力增量;隧道受力变形特征表现为顶部受压,底部受拉,隧道整体下沉,局部呈以中心位置为反曲点的向下的弯曲变形,并在基岩-堆积层交界处受剪切应力影响,在交界处外侧的应变发生突变,近似于一端铰接,一端锚固的梁结构受力模式.建议在同类型的隧道设计施工过程中,在隧道上部边坡表面增加喷混凝土、浅层注浆或采用边坡生态防护等防渗措施,对隧道洞口区域以及隧道变形较大的中部及岩土交界位置进行加固处理.

    模型试验人工降雨隧道堆积层边坡

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