水化学环境变异下粘性土的物理力学特性

Chemo-mechanical coupling interaction between water and soil under variable water-chemistry conditions becomes a crucial scientific problems in the field of the energy exploitation, the protection of underground environment, the underground disposal of nuclear waste and CO2 geological disposal etc. This project, which is around the physical and mechanical properties of cohesive soils under variable water-chemistry, through some indoor tests ,including conventional soil tests, NMR and SEM analytic technique at micro-level, and theoretical analysis, reveal the inter-impact mechanism of water chemical environmental variation- the evolution of microstructure- the physical and mechanical properties , explain the influence discipline of water chemical environment changing on the mechanical characteristics of the cohesive soil, and establish a mathematical formula to describe the relation between the mechanical indexs and water chemical environment. Hereby, based the internal variables thermodynamics theory and the mixture theory, the state equations and dissipation inequality are deduced to describe the chemo-mechanical coupling behaviors of cohesive soils. Finally, we will propose a expression of the effective stress considering the chemo-mechanical coupling effect between water and soil, and furtherly develope a constitutive model to describe the cross-scale coupling behaviors of chemo-mechanical interaction between water and soil, which could offer a reliable theoretical basis to analyse and model the physical and mechanical behaviors of cohesive soils under variable water-chemistry conditions.

在能源开采、地下环境保护、核废料地下处置、CO2地质处置等重大工程实践中，水化学环境变异下岩土介质的水化学-力学耦合作用问题成为了一个必须解决的关键科学问题。本项目围绕水化学环境变异下粘性土的物理力学特性，通过室内试验（包括常规土工试验和核磁共振、电镜扫描等微细观结构分析试验）、理论分析和模拟等研究手段，揭示水化学环境改变下水化学环境-微细观结构-物理性质之间的相互影响机理，阐明水化学环境改变对粘性土力学特性的影响规律，建立粘性土的物理力学指标-水化学环境之间的数学表达式。并且基于内变量热力学与混合物理论，导出了考虑水化学-力学耦合作用过程的状态方程和能量耗散不等式，提出了考虑水化学环境变异下的水化学-力学耦合效应的有效应力表达式，并建立考虑水土化学-力学跨尺度耦合作用效应的理论本构模型，为分析和模拟水化学环境变异下粘性土的物理力学响应问题提供可靠的理论基础。

在能源开采、地下环境保护、核废料地下处置、CO2 地质处置等重大工程实践中,水化学环境变异下岩土介质的水化学-力学耦合作用成为了一个必须解决的关键科学问题。既有的经典土力学理论很难解决这些问题,导致有关于水化学环境变异下的岩土工程问题难以得到有效的解决。在此背景下，本项目围绕水化学环境变异下粘性土的物理力学特性开展研究。通过测试不同水化学环境下粘性土的液塑限、聚沉特性，得到了水化学环境对粘性土物理性质的影响规律，结合电镜扫描和核磁共振等微观试验手段，分析了不同水化学环境下的土体的微观结构及矿物颗粒间的相互的物理化学作用力。研究结果表明，水化学环境主要通过改变静电库伦力和双电子层斥力来改变土体结构，从而应力土体的物理特性。通过直剪试验、固结压缩试验，分析了不同水化学环境对粘性土的强度和变形特性的影响规律，并且采用渗透吸力作为描述水化学环境的变量参数，分析了强度指标（粘聚力、摩擦角）和压缩特性受渗透吸力的影响规律。通过等向三轴压缩试验，研究了前期屈服应力受渗透吸力的影响规律，建立了前期屈服应力与渗透吸力的关系式。同时，建立了考虑了化学-力学耦合粘性土本构模型。通过与试验数据进行对比，发现该模型能有效的描述不同水化学环境下粘性土的力学特性，同时也证明了该模型能有效的描述化学-力学交替荷载下粘性土的力学特性。该项目还研究了水化学环境下粘性土的收缩特性和持水特性。这些研究成果必将对于能源、环境、地质灾害等方面的岩土工程问题的解决具有非常重要的理论指导意义,同时也将丰富岩土力学的研究领域,促进土力学学科的发展。