考虑渗透吸力影响膨润土的修正有效应力及其验证

普遍认为膨润土是高放废物地质处置库缓冲/回填层的理想材料,膨润土在地下水溶液中的膨胀变形和剪切强度关乎高放废物地质处置库的安危。地下水溶液中膨润土膨胀变形和剪切强度受到渗透吸力影响,根据膨润土表面分形模型,建立考虑渗透吸力应力影响的修正有效应力公式,用竖向应力p和渗透吸力π表示为■,并采用膨润土在NaCl溶液中的膨胀变形和剪切强度进行验证。NaCl溶液中膨润土的膨胀变形与修正有效应力p^e表示为同一曲线■,峰值剪切强度与修正有效应力p^e表示为同一直线■,符合Mohr–Coulomb准则。

基于统一强度理论的井筒围岩应力分析

在考虑井筒周围岩石的渗流作用和孔隙水压力的基础上,对有效应力进行了修正;基于统一强度理论,充分考虑中间主应力,对井筒周围岩石进行了弹塑性分析,并给出了井筒周围岩石的应力分布表达式和保持井壁稳定的弹性极限荷载及塑性极限荷载的统一解析式。分析结果表明:通过改变统一解析式中的参数,可将其退化为其他强度理论条件下的解析式,所得的统一解适用于不同强度理论条件下各类岩石材料的弹塑性分析;有效应力修正后的极限分析为井壁稳定分析提供了理论依据,具有一定的理论及实际应用价值。

荷载-溶液作用下膨润土压缩渗透性能研究

对NaCl、KCl、CaCl_(2)盐溶液饱和的钠质膨润土进行压缩固结试验,研究盐-荷载耦合作用对膨润土固结性能及饱和渗透性能的影响。结果表明:压实膨润土体积变形随固结应力的增大而下降,荷载等级跳跃对高浓度NaCl溶液浸泡下的膨润土体变性能的影响较为显著;NaCl、CaCl_(2)溶液作用下,随竖向固结应力的增大,压实膨润土试样由弹性状态转化为塑性状态,压缩系数先升高后降低,而KCl溶液作用下压缩系数一直降低;太沙基一维固结理论间接计算的膨润土饱和渗透系数为4.006×10^(-13) m/s~1.975×10^(-11) m/s,随溶液浓度增大,蒙脱石层间结合水含量降低,自由水流通路径拓宽,渗透系数相应增大;引入盐溶液下的修正有效应力,发现膨润土饱和渗透系数与有效应力之间可以用方程y=x^(-1)×(Alnx+B)统一表征,相关参数的确定有待进一步研究。

岩石弹塑性损伤本构模型建立及在隧道工程中的应用

在实际隧道施工过程中,隧道开挖引起地下岩体应力重分布使得围岩的微裂纹扩展损伤,并伴随有塑性流动变形。在地下水环境中对于孔隙和微裂隙围岩介质受到应力作用时,在内部将产生高孔隙水压力影响岩石的力学性质,也改变了围岩的破坏模式。为了研究损伤引起的刚度退化和塑性导致的流动两种破坏机制的耦合作用,从弹塑性力学和损伤理论的角度出发,同时引入修正有效应力原理来考虑孔隙水压力的作用,建立基于Drucker-Prager屈服准则的弹塑性损伤本构模型;针对该本构模型推导了孔隙水压力作用下弹塑性损伤本构模型的数值积分算法-隐式返回映射算法,分别对预测应力返回到屈服面的光滑圆锥面或尖点奇异处两种可能的情况给出了详细的描述,隐式返回映射算法具有稳定性和准确性的特点;大多数弹塑性损伤模型中涉及参数多且不易确定的问题,采用反分析方法获得损伤参数,解决了损伤参数不易确定的难题;采用面向对象的编程方法,使用C++语言编制了弹塑性损伤本构求解程序,并对所建立的弹塑性损伤模型和所编程序进行了试验和数值两个方面的验证;最后将其在吉林抚松隧道工程中进行应用,模拟了塑性区和损伤区的发展变化。研究结果表明:所建立的弹塑性损伤本构模型能够较好地描述岩石的力学性能、塑性和损伤变化趋势,所编程序能够进行实际工程问题的模拟,对现场施工给予一定的指导。

盐溶液中膨润土膨胀变形的计算方法

膨润土的膨胀变形特性会受到盐溶液的渗透吸力的影响,其影响效果与在膨润土上施加外荷载产生的效果类似。因此,用与渗透吸力相关的修正有效应力来表示膨润土实际受到的总外应力。由分形理论可推导出:在双对数坐标下,修正有效应力与膨润土的最大膨胀变形间的关系可用一条直线表示;修正有效应力可利用溶液的渗透吸力和施加的外荷载求得。但不同浓度盐溶液的渗透吸力须通过较为复杂的试验获得,给工程实际应用造成了困难。基于修正的Debye-Hückel公式求得NaCl、NaNO3、CaCl2和Ca(NO3)2四种溶液在不同浓度下的渗透系数,结果经已有文献验证,计算方法可靠。以此为基础,进一步求得膨润土在不同浓度下所受到的修正有效应力。经试验数据验证,同种膨润土在不同浓度、不同种类溶液下的最大膨胀变形与修正有效应力之间在双对数坐标下存在统一的线性关系,符合理论公式。

盐溶液饱和高庙子膨润土的强度特性

膨润土因具有高膨胀性、低渗透性、优良的核素吸附性等性质,被选作深层地质处置库的缓冲和回填材料。为研究围岩孔隙溶液对膨润土强度的影响,将GMZ07膨润土试样在不同浓度的Na_(2)SO_(4)溶液中饱和、固结后进行直剪试验,分析溶液浓度对GMZ07膨润土抗剪强度的影响。试验结果表明,随着盐溶液浓度的增加,膨润土试样的黏聚力及内摩擦角均增大,强度显著提高。在膨润土表面分形模型的基础上,引入考虑渗透吸力的修正有效应力对试验结果进行了解释。将通过修正有效应力计算得到的GMZ07膨润土在Na2SO4溶液中的抗剪强度与实测抗剪强度进行比较,二者基本吻合,验证了考虑渗透吸力的修正有效应力的正确性。