《深部围岩可靠性、稳定性与密闭性评价方法及应用》紧密围绕深部围岩可靠性、稳定性和密闭性评价分析的关键科学问题，通过力学试验、模型试验、理论分析、数值模拟和工程应用相结合的多种方法，研究提出了深部围岩力学参数的概率分布模型，建立了深部洞室结构可靠度分析方法和模型试验验证方法；提出了深部围岩高应力与非达西渗流耦合力学模型，建立了多场耦合作用下大埋深隧洞围岩稳定性分析方法和深部钻井井壁失稳评价方法；提出了围岩孔隙结构多尺度表征与重构方法；构建了围岩介质的物质运移模型和深部围岩密闭性测试评价方法。《深部围岩可靠性、稳定性与密闭性评价方法及应用》注重理论方法和工程实践的紧密结合，提出的试验方法、建立的理论模型和编制的计算程序皆成功应用于实际工程，并能有效指导工程实践。

第1章绪论
　　1.1引言
　　中国是目前世界上地下工程建设规模*大、难度*高和数量*多的国家，大量在建和拟建的重大工程已向地下千米以深发展，深部复杂孕灾环境常常诱发突水、突泥、岩爆和垮塌破坏等重大灾害事故，造成大量人员伤亡、严重经济损失和恶劣社会影响[1]。为保证深部工程施工和运行安全，开展深部洞室结构可靠性与深部围岩稳定性分析具有重要理论意义和工程应用价值。早期对于工程结构安全稳定性的评估，常采用单一安全系数法，该方法将工程结构中的材料强度、荷载等参数均视为确定值，将强度与荷载的比值定义为安全系数。当安全系数大于1时，即认为结构处于安全状态。然而，地下洞室修建于天然地层之中，围岩的物理力学参数存在着不确定性，单一安全系数法忽略了这种设计参数的不确定性，因而不能真实反映地下洞室结构安全稳定的可靠程度。针对这一问题，基于概率论与数理统计的能够充分考虑设计参数不确定性的可靠度分析方法，逐渐被引入地下工程中，并日益受到重视。
　　近些年来，我国规划和在建的深埋长大引水隧洞工程越来越多，但目前对于高渗透外水压力作用下大埋深隧洞围岩稳定分析的研究尚不充分。一方面，在高渗压作用下，地下流体运动已不满足达西定律；另一方面，当隧洞埋深达到千米以深后，由于高地应力和高渗压的耦合作用，常用的莫尔-库仑强度准则已经不再适用。同时，在实际隧洞工程中，受高地应力和高渗压的影响，围岩渗透系数会发生变化，再将围岩渗透系数看作定值明显不合适。因此，针对这些问题，需要开展高地应力与高渗透外水压力耦合作用下大埋深隧洞围岩稳定性分析研究。
　　与此同时，随着国家对能源需求的大幅增加，我国致密砂岩气年产量呈快速增长态势，致密砂岩气已在我国天然气储量中占有举足轻重的地位，是我国快速发展的重要资源之一。钻井工程是油气资源勘探与开采过程中的重要一环，随着钻井深度的增加，钻井工程面临高地应力、高渗压等复杂地质环境，钻井井壁失稳垮塌和卡钻现象已成为工程中经常遇到的技术瓶颈问题。因此，为保证深部钻井工程安全施工，亟须开展深部钻井井壁失稳评价分析研究。
　　另外，围岩作为CO2地质封存、油气能源储备和高放废物地质处置的重要介质，其孔隙和裂隙的导流能力对油气储备工程安全和油气资源开采效率都起着决定性作用。因此，开展深部围岩介质的密闭性测试评价分析意义重大。
　　基于上述原因，本书系统研究了深部围岩可靠性、稳定性和密闭性评价分析的关键科学问题，构建了深部洞室结构可靠度分析方法和深部围岩稳定性分析方法以及深部围岩密闭性测试评价方法体系。本书内容共分6章。第1章介绍深部围岩可靠性、稳定性和密闭性研究现状以及本书主要研究成果；第2章介绍建立的深部围岩力学参数的概率分布模型；第3章介绍深部洞室结构可靠性分析研究成果；第4章介绍多场耦合作用下大埋深隧洞围岩稳定性分析研究成果；第5章介绍深部砂岩储层钻井井壁失稳评价分析研究成果；第6章介绍深部围岩物质运移机理与围岩密闭性评价分析研究成果。
　　1.2研究现状分析
　　1.2.1深部洞室结构可靠性分析研究现状
　　1.隐式功能函数显式化研究现状
　　结构可靠度分析中，功能函数是在基本随机变量取不同值时，判断结构处于何种状态的依据，功能函数值小于零，则表明结构处于失效状态，反之则为安全状态。实际工程中，影响结构实际状态的因素较多，且结构的变形破坏机理复杂，因此，通常难以直接得到功能函数关于基本随机变量的显式函数，这给后续的可靠度指标计算造成了困难。对此，通常采用响应面法构建隐式功能函数的近似显式模型。常用的响应面模型包括多项式模型、人工神经网络模型、克里金模型以及支持向量机模型等[2-5]。
　　1)多项式模型
　　多项式模型是应用*为广泛的一类响应面模型。例如，Bjerager[6]对响应面法进行了较为全面的总结，*先采用二水平因子设计或中心复合设计法选取试验样本点，然后采用多项式函数拟合得到响应面模型来近似代替实际的功能函数；Rajashekhar等[7]进一步对响应面法试验样本点的选取方式提出了改进，并通过迭代求解提高了响应面的精度。佟晓利等[8]提出了一种迭代格式的响应面方法，其响应面函数形式选取为不含交叉项的二次多项式，并通过与结构可靠度分析中的几何法相结合，实现了对大型结构开展可靠度分析；苏永华等[9]基于多项式响应面法研究了功能函数为隐式形式的边坡工程可靠度计算方法。
　　基于二次多项式模型的响应面法简单易用，但受到多项式模型非线性拟合能力的限制，多项式响应面法只适用于功能函数非线性程度较低的情况。
　　2)人工神经网络模型
　　随着计算机技术的快速发展，机器学习的方法开始引入到隐式功能函数的显式化分析中，其中，人工神经网络模型具有较高的容错性和较强的泛化能力，因此，研究者将其用于代替传统的多项式模型，以提高响应面法建立隐式功能函数显式模型的精度。例如：Papadrakakis[10，11]等率先采用人工神经网络模型建立结构近似显式功能函数，从而将人工神经网络模型引入结构可靠度分析中。张建仁等[12]采用BP神经网络模型建立近似的显式功能函数，然后与遗传算法相结合开展了斜拉桥结构可靠度计算分析。徐军等[13]对二次多项式模型、有理多项式模型以及BP神经网络模型在构建隐式功能函数显式模型时的精度进行了对比研究。桂劲松等[14]采用BP神经网络模型和模糊神经网络构建响应面，提高了响应面的精度。Nie等[15]、Gomes等[16]、Schueremans等[17]、Elhewy等[18]分别针对基于人工神经网络模型的响应面法提出了改进措施，进一步提高了其计算精度和计算效率。Cardoso等[19]采用人工神经网络模型构建隐式功能函数的近似显式表达式，并将其与蒙特卡罗法相结合进行结构可靠度指标计算，通过算例分析证明了该方法的有效性。毕卫华等[20]提出采用RBF神经网络模型构建响应面，然后与蒙特卡罗法相结合，开展了边坡的可靠度分析。Chojaczyk等[21]对人工神经网络模型在可靠度中的应用情况进行了较为全面的总结，并阐述了不同类型神经网络模型与可靠度计算方法结合的具体应用。
　　人工神经网络适应性很强，理论上可以逼近任意的函数，但是人工神经网络模型要求样本的数据量较大，在小样本条件下精度不足。
　　3)克里金模型
　　克里金(Kriging)模型源于地质统计学，其由一个参数化模型和一个非参数化的高斯随机过程联合构成，可有效克服单*运用参数化模型或非参数化模型时各自的局限性，建立的近似函数具有平滑效应以及估计方差*小的统计特征。现有的研究成果中，Kaymaz[22]*次将克里金模型与一次二阶矩分析法结合开展结构可靠度指标的计算。张崎等[23]将克里金模型与失效概率计算的重要抽样方法相结合，将这种方法用于结构可靠度计算。苏永华等[24]将克里金模型方法与蒙特卡罗法相结合，开展了边坡稳定可靠度分析。Gaspar等[25]评估了克里金模型在结构可靠度分析应用时的有效性，并将其与常规的多项式回归模型开展可靠度计算时的精度进行了对比，揭示出克里金模型具有更高的计算精度。Zhang等[26]、Sun等[27]和Wang等[28]则分别对克里金模型在结构隐式功能函数中的显式化过程提出了改进措施。
　　4)支持向量机模型
　　支持向量机模型是一种基于统计学习理论的机器学习算法[29]。支持向量机可有效适用于非线性、高维度的回归建模问题，是一种专门针对小样本条件的机器学习方法，并逐渐在结构可靠度分析领域得到了应用。Li等[30]率先引入支持向量机对结构隐式功能函数的可靠度进行分析，并指出与传统的多项式响应面法和人工神经网络相比，支持向量机方法在信息量较小的情况能以更高的精度逼近隐函数，具有更好的泛化能力。金伟良等[31]引入了*小二乘支持向量机构建隐式功能函数的显式近似表达式，进而与蒙特卡罗法相结合计算结构的失效概率。Zhao[32]、何婷婷等[33]采用支持向量机模型拟合边坡的隐式功能函数，在此基础上结合一次二阶矩法计算边坡的失稳概率。苏永华等[34]构建了隧道周边收敛变形隐式功能函数，并采用支持向量机方法得到其高精度显式表达式，据此计算得到了隧道可靠度指标。Tan等[35]和蔡宁等[36]对比了多项式响应面、径向基函数、BP神经网络、支持向量机等多个模型在计算边坡可靠度时的计算效率和精度，指出支持向量机模型是一种准确且高效的模型。
　　机器学习方法的引入，可有效提高构建隐式功能函数显式模型的精度，但针对深部洞室结构的隐式功能函数显式化分析，在训练样本的选取、近似模型的构建等方面，还需要开展更加深入的研究。
　　2.地下洞室结构可靠度指标分析研究现状
　　在得到结构显式功能函数后，就可以开展结构可靠度指标计算。可靠度指标是结构安全可靠程度的度量，可靠度指标越大，其对应的失效概率越小，结构越趋于可靠。目前，结构可靠度指标计算方法主要分为两类：基于统计矩的可靠度指标计算方法和基于数字模拟的可靠度指标计算方法。
　　1)基于统计矩的可靠度指标计算方法
　　(1)一次二阶矩法。基于统计矩的可靠度指标计算方法中，*基础的是一次二阶矩法，其基本原理是利用Taylor级数将功能函数展开并取至一次项，然后根据可靠度指标的定义进行计算。根据在功能函数上选取的展开点不同，一次二阶矩法又分中心点法和验算点法。基于一次二阶矩的可靠度指标计算方法简便易行，得到了广泛应用[37-52]。但其仍存在一个明显的不足之处：其在验算点处将功能函数进行线性化处理，忽略了验算点附近功能函数的局部性质，这导致当功能函数在验算点附近非线性程度较高时，可靠度指标计算误差较大。
　　(2)二次二阶矩法。面对一次二阶矩法计算可靠度指标时的不足，研究者又针对性地发展出了二次二阶矩法，其可对功能函数在验算点附近的凹凸、*率等非线性特性进行有效考虑，可得到比一次二阶矩法更高的精度。Breitung[53-55]将二次二阶矩法引入到结构可靠度计算，并提出了两种方法：一种方法是在验算点处将功能函数用Taylor级数展开并取至二次项，用所得二次函数*面来近似代替验算点处的功能函数失效面；另一种方法则是根据功能函数在验算点处的二次导数值，直接得到结构失效概率在该关键点处的渐近近似积分值。
　　Hohenbichler等[56]则将二次二阶矩法扩展到非正态随机变量的情况，并得到失效概率的灵敏度。Kiureghian等[57]、Hong[58]则分别针对二次二阶矩法的复杂求解过程提出了相应的改进措施。李云贵等[59]提出在广义随机空间内，利用Laplace渐进积分理论来求解功能函数非线性程度较高时的结构可靠度。谭忠盛等[60]提出与随机有限元法相结合，将二次二阶矩法应用到隧道的结构可靠度分析中。由于二次二阶矩法计算过程过于烦琐，复杂程度高，实用性差，因而限制了其在实际工程结构可靠度分析中的发展和应用。
　　(3)高阶矩法。一次二阶矩法、二次二阶矩法的计算结果均对功能函数中基本变量服从的概率分布模型十分敏感。而在确定基本随机变量的概率分布模型时，样本容量的大小以及选用的统计推断方法的不同，都会导致建立的概率分布模型不同，进而影响到结构可靠度分析的计算结果。样本数据的各阶矩同样可以反映出随机变量概率分布的一些重要特征，可以直接使用从样本数据中统计分析得到的各阶矩来开展结构可靠度计算分析，不用考虑基本随机变量的实际概率分布，这种方法称为高阶矩法[61-63]。
　　Tagliani[64]、Pandey[65]等提出采用Taylor级数对功能函数进行展开并取至二次项后，由基本变量的前四阶矩来估计功能函数的前四阶矩，并通过*大熵原理建立功能函数的概率密度函数，*后根据功能函数的概率密度函数计算得到结构的失效概率。邓建等[66]、宫凤强等[67]等提出得到功能函数各阶矩后，采用以多项式为基的函数逼近方法建立功能函数的概率密度函数，进而计算得到

目录
“岩石力学与工程研究著作丛书”序
“岩石力学与工程研究著作丛书”编者的话
前言
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 研究现状分析 2
1.2.1 深部洞室结构可靠性分析研究现状 2
1.2.2 深部隧洞围岩稳定性分析研究现状 6
1.2.3 深部储层钻井井壁失稳分析研究现状 8
1.2.4 深部围岩密闭性评价分析研究现状 10
1.3 本书主要研究内容 11
参考文献 11
第2章 深部围岩力学参数的概率分布模型 20
2.1 引言 20
2.2 分布参数估计 23
2.3 拟合优度检验 26
2.4 深部围岩力学参数概率分布模型的建立 27
2.4.1 深部围岩力学参数样本 27
2.4.2 力学参数概率分布模型 28
2.4.3 力学参数之间的相关性 32
2.5 本章小结 33
参考文献 33
第3章 深部洞室结构可靠性分析研究 36
3.1 引言 36
3.2 深部洞室隐式功能函数的显式分析方法 36
3.2.1 深部洞室结构隐式功能函数的构建 37
3.2.2 支持向量回归的隐式功能函数显式化 38
3.2.3 支持向量回归显式模型的验证分析 50
3.3 基于自适应重要抽样的深部洞室可靠度指标计算方法 58
3.3.1 重要抽样法计算可靠度指标的基本原理 59
3.3.2 *优重要抽样密度函数的自适应构造方法 61
3.3.3 深部洞室结构可靠度指标计算方法与程序开发 73
3.4 工程应用 76
3.4.1 工程概况 76
3.4.2 北山地下实验室施工开挖可靠度指标计算 78
3.4.3 北山地下实验室施工开挖可靠度指标计算结果分析 81
3.4.4 北山地下实验室施工开挖可靠度计算结果的模型试验验证 91
3.5 本章小结 99
参考文献 100
第4章 多场耦合作用下大埋深隧洞围岩稳定性分析研究 102
4.1 引言 102
4.2 不同围压与渗压耦合作用下深部围岩渗流力学试验 102
4.2.1 渗流力学试验过程 103
4.2.2 渗流力学试验结果分析 104
4.2.3 考虑渗压影响的深部围岩非线性强度模型 115
4.3 深部围岩高应力与非达西渗流耦合力学模型 119
4.3.1 深部隧洞衬砌外水压力分析方法 119
4.3.2 高应力与非达西渗流耦合力学模型构建 121
4.3.3 大埋深隧洞外水压力解析分析 129
4.4 多场耦合深部隧洞施工开挖围岩稳定三维数值计算分析 132
4.4.1 高应力与高渗压耦合数值分析方法 133
4.4.2 多场耦合三维计算程序开发与验证 134
4.5 工程应用 138
4.5.1 工程概况 138
4.5.2 计算模型和计算条件 138
4.5.3 数值计算结果分析 139
4.5.4 数值计算结果验证 146
4.5.5 滇中引水工程香炉山隧洞防渗优化设计分析 152
4.6 本章小结 165
参考文献 166
第5章 深部砂岩储层钻井井壁失稳评价分析研究 169
5.1 引言 169
5.2 红砂岩力学特性测试与钻孔破坏试验 169
5.2.1 红砂岩物理力学性质测试 170
5.2.2 红砂岩达西渗流特性测试 173
5.2.3 红砂岩室内钻孔崩落试验 175
5.3 深部钻井井壁失稳力学分析 181
5.3.1 钻井井周应力分布 181
5.3.2 钻井井壁破坏准则 185
5.3.3 钻井液密度安全窗口选择 186
5.4 深部钻井井壁失稳数值模拟分析 189
5.4.1 颗粒离散元法计算原理 189
5.4.2 钻井井壁失稳数值模拟方法 190
5.4.3 钻井井壁失稳计算数值模型 193
5.4.4 钻井井壁失稳数值模拟结果分析 198
5.5 本章小结 216
参考文献 217
第6章 深部围岩物质运移机理与围岩密闭性测试评价分析研究 219
6.1 引言 219
6.2 岩石孔隙结构与矿物成分特征 220
6.2.1 煤岩孔隙结构表征 221
6.2.2 黏土岩孔隙结构与矿物成分特征 234
6.3 围岩介质物质运移试验 236
6.3.1 高压扩散池试验装置 236
6.3.2 样品制备 237
6.3.3 扩散试验 238
6.3.4 试验结果分析 239
6.4 深部围岩物质运移数值模拟方法 241
6.4.1 孔隙网络模型构建 241
6.4.2 孔隙尺度数学物理方程 248
6.4.3 物质运移模型的多场耦合求解 253
6.4.4 围岩物质运移数值模拟结果 254
6.5 本章小结 258
参考文献 259