[01301821]饱和岩土介质的化学-力学耦合问题—理论模型与试验验证

本课题依托于国家自然科学基金面上项目资助,重点研究了岩土介质在复杂环境荷载下的化学-力学耦合效应和工程力学行为。在我国南部地区（特别是广西）的地层表面,广泛分布着红粘土、膨胀土、花岗岩风化土等区域性土。这类土所具有的多相多组份特性、带电性以及复杂的内部结构,使得其在温度变化、化学作用、物理扰动等环境荷载作用下,表现出强烈的化学-力学耦合效应以及复杂的工程力学行为。有效模拟这些复杂效应和行为是解决许多重大科学和工程问题所面临的关键难题之一,然而现有的岩土力学理论在描述化学-力学耦合问题存在明显地局限性。阐明在复杂环境荷载作用下黏性土工程特性的演化规律,揭示了水化学条件对黏土物理特性、持水特性与力学特性的影响机理,可为分析与区域性黏土有关的工程地质灾害及工程病害问题提供了理论依据,也将对发展和完善岩土力学理论产生积极的影响。 本项目从理论和试验两方面系统研究了岩土介质中的化学-力学耦合效应。首先,在理论方面,基于多孔介质混合物理论与传统Gibbs热动力学基本原理,建立了岩土介质化学-力学耦合理论,从理论上解决了经典连续介质力学无法描述微观物理化学作用的问题,并提出组份电化学势的一般表达式以及能考虑土颗粒间电化学作用的有效应力公式。该理论首次将微观化学过程及其效应纳入到了连续介质力学理论范畴,实现了在统一框架上对热传导、变形、液体流动（包括Darcy流、微细观流动和水膜流动）、物质扩散、化学反应、压力溶解、相变等多种物理-化学耦合过程的理论描述;亦即,理论上统一了岩土介质中温度-水力学-力学-化学等物理化学场,有效解决了传统理论无法描述的问题。其次,在室内试验方面。通过制作与改装现有仪器,以黏性土为研究对象,在实验室内开展了黏性土的液塑限、聚沉试验、直剪试验、一维压缩试验、三轴试验,并结合一些微观的分析测试手段,阐明了孔隙溶液浓度及组分变化对土体物理力学特性的影响机理。以上相关研究工作充分说明了建立的岩土介质化学-力学耦合理论的有效性,能较好的描述岩土介质热传导、变形、渗流、扩散、化学反应、相变等,这一工作为模拟多相岩土介质的力学行为开辟了重要的理论途径,也为分析与区域性粘土有关的工程地质灾害及工程病害问题提供了理论依据。 本项目的创新性主要体现在以下两个大的方面： 1)首次从理论上解决了经典连续介质力学无法描述微观物理化学作用的问题,建立了岩土介质热传导、变形、渗流、扩散、化学反应、相变等多种物理-化学过程的耦合理论。提出了孔隙溶液组份的电化学势的一般表达式;推导了多相多组份岩土介质的有效应力公式;在此基础上,建立了能描述物理化学效应的岩土介质本构关系模型。这一工作为模拟多相多组份岩土介质的力学行为开辟了重要的理论途径。 2)通过多种室内试验手段,系统深入地揭示了水化学条件对黏土液塑限、自由沉降、强度、变形、渗透性等的影响规律,并结合一些微观的分析测试手段,阐明了孔隙溶液浓度及组份变化对土体物理力学特性的影响机理。另外,基于所得到的试验数据,运用所提出的能考虑粒间物理化学作用力的有效应力公式,较好的解释了黏性土化学-力学耦合行为特性。 项目的成果可以用来分析解决核废料封存、垃圾填埋、边坡稳定性、以及天然气水合物分解后的黏土层的岩土工程问题。同时,能够推动传统土力学中对于化学-力学耦合部分的发展。其中,建立的岩土介质热传导、变形、渗流、扩散、化学反应、相变等多种物理-化学过程的耦合理论,为模拟多相岩土介质的力学行为开辟了重要的理论途径。但本项目研究内容属于应用基础研究,取得的成果总得来说,处于定性、半定量的室内试验研究阶段,未到达熟化应用于实际工程,还需要进一步根据生产实践来完善。 本项目的研究成果与中国有色桂林矿产地质研究院有限公司合作共同申报并且获得广西科技进步二等奖。