基于吸力-应力耦合作用的高庙子膨润土热体变特征及其本构模型

Buffer/backfill barriers in the deep geological repository for HLW are simultaneously subjected to high temperature caused by the decay of radioactive waste and hydraulic gradients induced by water permeating from the host rock, thus undergo temperature and suction changes. This phenomenon will lead to the expansion/contraction and even failure of the buffer/backfill material, thus affects its engineering performance. Therefore, in this proposal, heating, cooling and temperature cycling experiments will be conducted under different suctions and stresses to study the thermal volume change behavior of compacted Gaomiaozi (GMZ) bentonite. Combined with the microstructure observations, the thermal yield mechanism of GMZ bentonite will be revealed and a thermo-mechanical constitutive model considering effects of suction and stress will be established. The results are of great significance in enriching the unsaturated soil mechanisms, especially in the study of engineering properties of compacted bentonites.

在高放废物深地质处置库运营过程中，由于衰变热和地下水的共同作用，缓冲/回填材料将经历温度和吸力的不断变化（升高/降低及多次循环），从而引起土体膨胀/收缩甚至破坏（体变），严重影响其工程屏障性能的发挥。本课题拟通过对高压实高庙子膨润土进行不同吸力、应力条件下的逐级升温、降温及温度循环试验，获取相应条件下的膨胀、收缩及累积变形；结合微观技术手段，分析相关变形及温度屈服应力与微观结构（孔隙特征）之间的关系；揭示吸力和应力影响的膨润土热体变特征及温度屈服机制，建立考虑吸力和应力耦合作用的膨润土热体变本构模型。本项研究成果的取得对于研究高压实膨润土体变特性，探讨耦合条件下土体变形的研究方法，丰富非饱和土力学理论，特别是建立与完善非饱和高压实膨润土的体变规律，具有重要的理论与实用价值。

在高放废物深地质处置库的长期运营过程中，作为人工缓冲/回填屏障的高压实膨润将不可避免地遭受到库内核素衰变热、围岩地下水与围岩应力等复杂的“热-水-力(THM)”耦合作用，从而引起土体的膨胀/收缩甚至破坏（体变），严重影响其工程屏障性能的发挥。本课题以高庙子膨润土为研究对象，通过自主研发的温控非饱和等向固结试验系统，开展了不同吸力、应力条件下的逐级升温、降温及温度循环等试验，获取了吸力-应力作用下的膨润土的热体变规律；结合微观测试手段，分析了热-水-力耦合作用下膨润土收缩/膨胀特性与微观结构之间的关系，揭示了吸力-应力影响的膨润土热体变特征及温度屈服机制；在此基础上，修正了原有THM耦合模型的微观方程及TY屈服曲线，并确定了修正THM耦合本构模型的参数方法。研究成果对于研究高压实膨润土体变特性、探查耦合条件下土体变形的研究方法和丰富非饱和土力学理论，特别是非饱和高压实膨润土的热体变本构模型的修正，具有重要的理论与实用价值。