膨脹性非飽和土的水力-力學性質(zhì)及其彈塑性本構(gòu)模型.pdf

1、高水平放射性核廢料的最終處置已受到世界各國越來越多的關注，目前國際上普遍接受的可行性方案是深層地質(zhì)處置。膨潤土因具有高膨脹性、低滲透性、優(yōu)良的核素吸附性等被世界各國選作深層地質(zhì)處置多重工程屏障系統(tǒng)中緩沖和回填材料的基質(zhì)材料。如何預測膨潤土及其與砂混合物的壓縮變形、遇水膨脹變形及膨脹壓力，是核廢料深層地質(zhì)處置工程在理論上及工程應用中亟待解決的關鍵技術，需要在深入研究膨潤土的變形特性和水力特性及兩者耦合特性的基礎上，提出能預測包括膨脹變形和

2、水力特性在內(nèi)的水力-力學特性耦合的彈塑性本構(gòu)模型。
　　 本論文在閱讀、整理國內(nèi)外相關文獻的基礎上，對膨潤土及其與砂混合物進行了試驗分析和本構(gòu)模型的研究，具體研究內(nèi)容和結(jié)論如下：
　　 1、對用不同制樣方法得到的飽和膨潤土及其與砂混合物進行了壓縮試驗，得到側(cè)限應力狀態(tài)下飽和試樣的壓縮變形特性。飽和膨潤土的壓縮曲線呈雙線性，靜止側(cè)向壓力系數(shù)值較一般黏土的數(shù)值要大。對膨潤土與砂混合物的擊實樣進行了由非飽和到飽和狀態(tài)的浸水試驗

3、，并得到試驗過程中側(cè)向應力的變化規(guī)律。由于浸水飽和的試樣和抽真空飽和的試樣在較高壓力時壓縮曲線趨于一致，可采用快速抽真空飽和的方法準備飽和試樣，以縮短非飽和混合物擊實樣浸水飽和所需時間。引入骨架孔隙比的概念，用來判斷膨潤土與砂混合物中砂顆粒骨架是否形成，得到影響混合物壓縮特性的決定因素。
　　 2、對非飽和膨潤土擊實試樣進行了側(cè)限應力狀態(tài)下的不排水壓縮試驗，得到了土樣在壓縮回彈過程中的變形、飽和度和側(cè)向應力的變化規(guī)律?；貜椫笖?shù)與

4、試樣的初始狀態(tài)關系不大；初始含水量相同的試樣，屈服應力隨初始干密度的提高而增大，在高應力范圍，其壓縮曲線趨于一致；初始干密度相同的試樣，含水量越小，吸力值越大，壓縮指數(shù)越小，這反映了非飽和膨潤土壓縮指數(shù)隨吸力的增大而減小的趨勢；總側(cè)向應力與總豎向應力之比σh/σv隨豎向應力的增大而增大，飽和度的增加速度越快，σh/σv值增大的趨勢也越明顯。
　　 3、研究了非飽和膨潤土及其與砂混合物的水力特性。采用濾紙法測得Kunige1 V1

5、鈉基膨潤土的土水特征曲線(SWCC)，試驗結(jié)果表明隨著孔隙比的減小，飽和度與吸力間的關系曲線右移；吸力一定時，飽和度與孔隙比間呈線性關系，而且其斜率在不同吸力時相近。采用壓力板法和濾紙法對膨潤土與砂混合物的低吸力段和高吸力段分別量測了吸力，得到土水特征曲線。兩種方法測到的SWCC曲線有較好的一致性。
　　 4、采用非飽和土固結(jié)儀對膨潤土與砂混合物進行吸濕試驗及常吸力下的壓縮試驗，研究了膨潤土與砂混合物的水力和力學特性。吸濕過程中

6、，初始狀態(tài)相同的試樣膨脹變形量與吸力變化的幅度和吸力路徑有關；初始含水量及吸力路徑相同的試樣，初始孔隙比越小的試樣膨脹量越大。壓縮試驗結(jié)果表明，回彈指數(shù)可假定為定值；屈服后壓縮指數(shù)隨吸力的增大而減??；初始屈服應力隨吸力的增大而增大，這與BBM中的加載-濕陷屈服線趨勢相似：初始含水量及吸力路徑相同的試樣，壓縮指數(shù)隨試樣初始干密度的增大而減小，而初始屈服應力隨初始干密度的增大而增大；壓縮過程中含水量變化不大，飽和度的變化主要與試樣體積變化有

7、關；對具有相同初始狀態(tài)但經(jīng)歷不同吸力路徑的試樣進行壓縮試驗，結(jié)果表明吸力路徑對壓縮變形特性有很大的影響，也證實了非飽和膨潤土與砂混合物土水特征曲線的滯回特性。
　　 5、在已有的非膨脹性非飽和土水力特性和力學性質(zhì)耦合的彈塑性本構(gòu)模型的基礎上，從宏觀的角度開發(fā)和建立了膨脹性非飽和土水力-力學特性耦合的彈塑性本構(gòu)模型。本模型考慮了飽和度對應力應變關系的影響及變形對保水特性的影響，可統(tǒng)一預測膨脹性非飽和土的水力特性及應力應變關系。模型