考虑孔隙水浓度影响的高压实膨润土体变特征与本构模型

During the long-term operation of a deep geological repository for HLW, the compacted bentonite which is used as buffer materials, will be simultaneously subjected to the chemical effect of ground water solution, hydraulic gradients induced by water permeating and stress from the host rock, therefore undergoes chemical soften and complex volume changes. This phenomenon will lead to the expansion or contraction and even failure of the buffer/backfill material, thus affects its engineering performance. .Therefore, in this proposal, the water retention tests and odeometer tests under osmotic suction control, as well as cyclic osmotic suction increasing/decreasing tests will be performed to study the volume change behavior of compacted Gaomiaozi (GMZ) bentonite. Combined with the microstructure observations, the chemical yield mechanism of GMZ bentonite will be revealed and a constitutive model considering the effect of osmotic suction (pore water concentration) 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.

高放废物深地质处库建设与运营过程中，部分矿化物质溶解，与地下水作用后形成富含化学成分的地下水溶液，作为缓冲材料的高压实膨润土将不可避免地经历地下水的化学作用。期间，膨润土在吸水膨胀、化学与应力压缩作用下产生复杂的体积变化，影响其缓冲性能的发挥。故此，开展考虑孔隙水浓度影响的高压实膨润土体变特征研究，对于处置库的设计具有重要的科学价值与工程实践意义。本项申请拟采用试验研究与理论分析相结合的手段，开展考虑渗透吸力影响的土水特征试验，借助微观测试技术，揭示孔隙水浓度影响的膨润土微观结构演化机理；开展渗透吸力控制的非饱和固结试验，分析渗透吸力对膨润土压缩与屈服特性的影响规律；开展渗透吸力加卸载试验，阐明渗透吸力作用下，膨润土压缩/膨胀体积变化规律，最终构建考虑孔隙水浓度影响的膨润土水-力耦合本构模型。预期成果将有助于丰富非饱和土力学理论，同时也为指导高放废物深地质处置工程的设计提供重要的科学依据。

高放废物深地质处库建设与运营过程中，部分矿化物质溶解，与地下水作用后形成富含化学成分的地下水溶液，作为缓冲材料的高压实膨润土将不可避免地经历地下水的化学作用。期间，膨润土在吸水膨胀、化学与应力压缩作用下产生复杂的体积变化，影响其缓冲性能的发挥。故此，开展考虑孔隙水浓度影响的高压实膨润土体变特征研究，对于处置库的设计具有重要的科学价值与工程实践意义。本项申请拟采用试验研究与理论分析相结合的手段，借助微观测试技术，揭示孔隙水浓度影响的膨润土微观结构演化机理；开展渗透吸力控制的非饱和固结试验，分析渗透吸力对膨润土压缩与屈服特性的影响规律；开展渗透吸力加卸载试验，阐明渗透吸力作用下，膨润土压缩/膨胀体积变化规律，构建考虑孔隙水浓度影响的膨润土水-力耦合本构模型。主要研究成果包括：1）高吸力膨润土表现出显著的双孔结构特征，宏观孔隙主要受荷载作用影响，微观孔隙受含水率影响。二者均受到孔隙水浓度的影响；随着孔隙水阳离子的增加，土体大孔增加，小孔变少。膨润土岩屑混合物的孔隙结构特征更为复杂；2）孔隙水浓度与渗透吸力有关，在计算渗透吸力时，应充分考虑水活性的影响。加卸载路径下，渗透吸力越大，膨润土的屈服应力的越小，表现出明显的化学软化特征；3）恒定净应力的渗透吸力加卸载路径中，渗透吸力越大，土体收缩变形越大，土体表现出了化学硬化特征，因此，膨润土的化学软化和化学硬化与水力路径密不可分；4）孔隙溶液对膨胀力具有抑制作用。膨胀力随着孔隙溶液浓度的增加而减小。长期水化条件下，膨胀力逐渐衰减，土体表现出了强烈的率相关性；5）膨润土饱和渗透随着初始孔隙溶液浓度的增加不断增加。上述研究成果有助于丰富非饱和土力学理论，同时也为指导高放废物深地质处置工程的设计提供重要的科学依据。