高放废物深地质处置中GMZ膨润土的多相多场耦合机理及其本构模型

高放废物深地质处置库长期运营过程中，作为缓冲/回填材料的高压实膨润土，在库内高放废弃物衰变热、地下水、围岩压力和化学作用下，经历着极其复杂的多场（热、渗、应力与化学）、多相（非饱和）以及温度与湿度的高低循环变化等耦合作用过程。本项申请拟以高庙子（GMZ）膨润土为研究对象，进行吸力和竖向应力控制下的温度循环试验、温度和竖向应力控制下的干湿循环试验、以及温度和入渗溶液pH值控制的膨胀力试验和渗透试验，据以获取相关物理力学参数；由此开展工程屏障系统的模型试验，探索温度与湿度控制条件下、处于有限变形状态的高压实GMZ膨润土的热-渗-力-化学耦合作用机理；并最终建立多相、多场耦合条件下的工程屏障体系的本构模型，开发相应数值模拟技术，实现对高压实GMZ膨润土材料的综合缓冲性能的评估研究。预期研究成果可为我国高放废物深地质处置中的缓冲/回填材料的选择、性能研究和工程屏障设计提供可靠的科学理论依据。

项目组根据项目计划书明确的研究内容，完成了规定的研究任务。 .研制了双杠杆、高温高压固结仪，膨胀力与饱和渗透多功能试验仪，水碱转换器及膨胀力-饱和渗透多功能试验仪改造等设备，申请了国家发明专利；开发了水-力、热-水-力和基于北山地质条件的Mock-up耦合试验装置。开展了温控膨胀力、渗透性试验，恒定吸力和压力条件下的温度循环试验，恒定温度和压力条件下的干湿循环试验，化学（碱和盐溶液）对温控高压实高庙子膨润土膨胀与渗透性能影响试验，以及水-力、热-水-力和基于北山地质条件的Mock-up耦合模型试验。.建立了考虑温度影响的GMZ膨润土土水特征曲线模型、饱和渗透模型和非饱和渗透模型；确定了高庙子膨润土在T-p平面内的TY屈服线，在p-s平面内的LC屈服线和在T-p平面内的LY屈服线；建立了THM耦合模型中微-宏观耦合方程fD（吸力减小）和fI（吸力增加）方程；据以开展了温度循环、干湿循环等试验结果的模拟。温控吸附性、膨胀力、饱和渗透和盐化-淡化循环试验发现：GMZ膨润土对La（III）的吸附强烈依赖于pH值和固液比；膨胀力随入渗盐溶液浓度的增加而减小、渗透系数随浓度的增加而增加；盐化-淡化循环作用下，盐化时膨胀力减小、渗透系数增大，淡化时膨胀力增大、渗透系数减小；初始盐化试样的膨胀应变均随循环次数增加而增加。.Mock试验结果表明：有围岩边界的试样其断面相对湿度稳定时间远小于刚性边界。CT扫描发现，膨润土对花岗岩体具有明显侵入作用；水力梯度影响较之热力梯度更为显著，致使试样的湿度值呈上升趋势，热力梯度（温差为60℃）仅对一定范围内试样中的水分运移产生影响。开展了有无岩石边界的Mock-up试验结果数值模拟。经参数敏感性分析，反演得到了膨润土相关参数，进而开展了花岗岩-膨润土水-力耦合试验的数值模拟，验证了高庙子膨润土参数准确性，并经反演分析获得了北山花岗岩的相关参数。.发表论文35篇，其中：SCI 28篇(含3篇待检索)，EI 6篇；申请发明专利7项，其中授权2项。毕业博士4名、硕士7名，获国家优秀青年基金获得者1人。组织召开了第三届国际非饱和土力学与废弃物深地质处置学术研讨会；申请成立了国际工程地质与环境协会（IAEG）废物处置专业委员会并担任主席。.实拨240万元，支出：153.82万元（含56.4万元待销账）。