膨脹性非飽和土的水力-力學(xué)性質(zhì)及其彈塑性本構(gòu)模型.pdf

1、高水平放射性核廢料的最終處置已受到世界各國(guó)越來(lái)越多的關(guān)注，目前國(guó)際上普遍接受的可行性方案是深層地質(zhì)處置。膨潤(rùn)土因具有高膨脹性、低滲透性、優(yōu)良的核素吸附性等被世界各國(guó)選作深層地質(zhì)處置多重工程屏障系統(tǒng)中緩沖和回填材料的基質(zhì)材料。如何預(yù)測(cè)膨潤(rùn)土及其與砂混合物的壓縮變形、遇水膨脹變形及膨脹壓力，是核廢料深層地質(zhì)處置工程在理論上及工程應(yīng)用中亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)，需要在深入研究膨潤(rùn)土的變形特性和水力特性及兩者耦合特性的基礎(chǔ)上，提出能預(yù)測(cè)包括膨脹變形和

2、水力特性在內(nèi)的水力-力學(xué)特性耦合的彈塑性本構(gòu)模型。
　　 本論文在閱讀、整理國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)膨潤(rùn)土及其與砂混合物進(jìn)行了試驗(yàn)分析和本構(gòu)模型的研究，具體研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：
　　 1、對(duì)用不同制樣方法得到的飽和膨潤(rùn)土及其與砂混合物進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)，得到側(cè)限應(yīng)力狀態(tài)下飽和試樣的壓縮變形特性。飽和膨潤(rùn)土的壓縮曲線呈雙線性，靜止側(cè)向壓力系數(shù)值較一般黏土的數(shù)值要大。對(duì)膨潤(rùn)土與砂混合物的擊實(shí)樣進(jìn)行了由非飽和到飽和狀態(tài)的浸水試驗(yàn)

3、，并得到試驗(yàn)過(guò)程中側(cè)向應(yīng)力的變化規(guī)律。由于浸水飽和的試樣和抽真空飽和的試樣在較高壓力時(shí)壓縮曲線趨于一致，可采用快速抽真空飽和的方法準(zhǔn)備飽和試樣，以縮短非飽和混合物擊實(shí)樣浸水飽和所需時(shí)間。引入骨架孔隙比的概念，用來(lái)判斷膨潤(rùn)土與砂混合物中砂顆粒骨架是否形成，得到影響混合物壓縮特性的決定因素。
　　 2、對(duì)非飽和膨潤(rùn)土擊實(shí)試樣進(jìn)行了側(cè)限應(yīng)力狀態(tài)下的不排水壓縮試驗(yàn)，得到了土樣在壓縮回彈過(guò)程中的變形、飽和度和側(cè)向應(yīng)力的變化規(guī)律?；貜椫笖?shù)與

4、試樣的初始狀態(tài)關(guān)系不大；初始含水量相同的試樣，屈服應(yīng)力隨初始干密度的提高而增大，在高應(yīng)力范圍，其壓縮曲線趨于一致；初始干密度相同的試樣，含水量越小，吸力值越大，壓縮指數(shù)越小，這反映了非飽和膨潤(rùn)土壓縮指數(shù)隨吸力的增大而減小的趨勢(shì)；總側(cè)向應(yīng)力與總豎向應(yīng)力之比σh/σv隨豎向應(yīng)力的增大而增大，飽和度的增加速度越快，σh/σv值增大的趨勢(shì)也越明顯。
　　 3、研究了非飽和膨潤(rùn)土及其與砂混合物的水力特性。采用濾紙法測(cè)得Kunige1 V1

5、鈉基膨潤(rùn)土的土水特征曲線(SWCC)，試驗(yàn)結(jié)果表明隨著孔隙比的減小，飽和度與吸力間的關(guān)系曲線右移；吸力一定時(shí)，飽和度與孔隙比間呈線性關(guān)系，而且其斜率在不同吸力時(shí)相近。采用壓力板法和濾紙法對(duì)膨潤(rùn)土與砂混合物的低吸力段和高吸力段分別量測(cè)了吸力，得到土水特征曲線。兩種方法測(cè)到的SWCC曲線有較好的一致性。
　　 4、采用非飽和土固結(jié)儀對(duì)膨潤(rùn)土與砂混合物進(jìn)行吸濕試驗(yàn)及常吸力下的壓縮試驗(yàn)，研究了膨潤(rùn)土與砂混合物的水力和力學(xué)特性。吸濕過(guò)程中

6、，初始狀態(tài)相同的試樣膨脹變形量與吸力變化的幅度和吸力路徑有關(guān)；初始含水量及吸力路徑相同的試樣，初始孔隙比越小的試樣膨脹量越大。壓縮試驗(yàn)結(jié)果表明，回彈指數(shù)可假定為定值；屈服后壓縮指數(shù)隨吸力的增大而減??；初始屈服應(yīng)力隨吸力的增大而增大，這與BBM中的加載-濕陷屈服線趨勢(shì)相似：初始含水量及吸力路徑相同的試樣，壓縮指數(shù)隨試樣初始干密度的增大而減小，而初始屈服應(yīng)力隨初始干密度的增大而增大；壓縮過(guò)程中含水量變化不大，飽和度的變化主要與試樣體積變化有

7、關(guān)；對(duì)具有相同初始狀態(tài)但經(jīng)歷不同吸力路徑的試樣進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明吸力路徑對(duì)壓縮變形特性有很大的影響，也證實(shí)了非飽和膨潤(rùn)土與砂混合物土水特征曲線的滯回特性。
　　 5、在已有的非膨脹性非飽和土水力特性和力學(xué)性質(zhì)耦合的彈塑性本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，從宏觀的角度開(kāi)發(fā)和建立了膨脹性非飽和土水力-力學(xué)特性耦合的彈塑性本構(gòu)模型。本模型考慮了飽和度對(duì)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的影響及變形對(duì)保水特性的影響，可統(tǒng)一預(yù)測(cè)膨脹性非飽和土的水力特性及應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。模型