高膨胀性非饱和土的水力和力学特性耦合及其弹塑性模型

深层地质处置是高放射性核废料合理处置的唯一可行的永久性解决方法，我国已初步选定内蒙古高庙子膨润土用于高放废物处置库的缓冲材料和回填材料。本课题拟对该膨润土及其与砂混合物进行持水特性和力学性质及两者耦合特性的试验研究和本构模型研究。用现代非饱和土力学理论（净应力和吸力作为应力变量），研究在侧限一维变形和三轴应力状态下的持水特性和力学特性，特别是浸水膨胀变形特性。用能控制吸力的非饱和土固结仪和三轴仪进行试验，在施加吸力和应力条件下量测土样的变形和水分的变化。在系统地对高庙子膨润土的持水特性和其影响因素以及变形特性进行试验研究后，以申请人等提出的三维非膨胀性非饱和土弹塑性模型为基础，考虑膨润土及其与砂混合物的持水特性和膨胀变形特性，以宏观的方法建立能描述高膨胀性非饱和土的水力-力学性状耦合的弹塑性本构模型。研究成果对我国高放废物地质处置和其它高膨胀性非饱和土的研究有重要的理论和实用价值。

深层地质处置是合理处置高放射性核废料的唯一可行的永久性工程解决方法，我国已初步选定内蒙古高庙子膨润土用于高放射性核废料处置库的缓冲材料和回填材料。本课题对该膨润土及其与砂混合物进行土水特性和力学性质及两者耦合特性的试验研究，并提出和验证了可统一描述膨胀性非饱和土的土水特性和力学性质的弹塑性本构模型。.用滤纸法和压力板法研究了高庙子膨润土及其与砂混合物的土水特性，并与国际上试验常用的膨润土Kunigel-V1的土水特性进行对比分析，得到了两者的土水特性相近的结论，因此两种膨润土的土水特性研究成果可以相互借鉴和参考。研究密度和混合比对高庙子膨润土与砂混合物的土水特性的影响，验证了用滤纸法和压力板法得到土水特征曲线的一致性。.用吸力可控的非饱和土用的固结仪进行等吸力条件下压缩试验，得到了不同吸力条件下高庙子膨润土与砂混合物的压缩变形特性和饱和度的变化规律。.对不同掺砂率、不同初始干密度的高庙子膨润土与砂混合样进行浸水饱和试验，基于“蒙脱石孔隙比”的概念，总结出统一的变形特性，可用于高庙子膨润土与砂混合物的浸水膨胀变形和膨胀力的预测。.用吸力可控的非饱和土用的三轴仪进行不排水等向压缩和不排水三轴剪切试验，研究非饱和高庙子膨润土与砂混合物的水力-力学特性，为模拟深层地质处置工程中缓冲/回填材料在不排水状态下受力时的性状提供参考数据。.在系统地对高庙子膨润土的土水特性和其影响因素以及变形特性进行试验研究后，以本项目负责人等在前一个基金项目研究中已提出的非膨胀性非饱和土弹塑性模型为基础，考虑膨润土及其与砂混合物的土水特性和膨胀变形特性，以宏观的方法建立了能描述膨胀性非饱和土的水力-力学性状耦合的弹塑性本构模型，并用本研究的试验数据和其他已公开发表的膨胀土的试验数据对提出的本构模型进行了验证。.以上的研究成果对我国高放废物地质处置用的缓冲材料和回填材料以及其它非饱和膨胀土的研究有重要的理论和实用价值。. 除了上述研究外，本项目还进行以下研究。1）非饱和上海软黏土的土水特性和力学特性的三轴试验研究，并用非饱和土的水力-力学性状耦合弹塑性本构模型进行模拟和对比；2）饱和度对非饱和的土力学性质影响的等向压缩和三轴剪切试验研究及其本构模拟；3）对三维应力状态下砂和超固结黏土的本构模型进行局部化分叉分析和数值分析。