饱和黏土高压压缩特性的微观机制——研究现状与思路

通过归纳分析发现,适用于描述常压条件下黏土压缩特性的扩散双电层理论和不平行板模型均不能对高压条件饱和黏土的双线性压缩特性进行解释。将黏土的孔隙划分为团聚体间、颗粒间及颗粒板内三层面可很好地对饱和黏土的高压压缩过程进行定性描述:高压条件下,除团聚体间及板间扩散双电层两部分的自由水分子的排出外,晶层间规则排列的结合水分子也将被逐层挤出。而该小间距条件下,基于扩散双电层机制的理论解释已不再适用,且由于水分子与晶层间的特殊结合,其他Non-DLVO作用力的出现亦必须重新加以考虑。基于此,提出了从理论上利用格子密度泛函理论描述黏土矿物界面外水分子的特殊结合形态,并嵌入该格子模型于分子动力模型中,从分子尺度研究高压条件下水-界面间的相互作用,从而最终建立基于分子层面黏土高压压缩本构关系的新思路。

基于原子力显微镜的颗粒间表面力研究

为深入明晰颗粒间表面力组分,选取玻璃微球为研究对象,并采用胶体探针原子力显微镜对不同疏水性颗粒间的微观作用力进行测试,借助经典DLVO及扩展DLVO理论对测试结果拟合分析,并通过分子动力学模拟验证试验结果.结果表明:亲水性颗粒与疏水性颗粒间相互作用力服从经典DLVO理论,在长程范围内静电斥力起主要作用,当分离距离在6 nm左右时,颗粒间范德华力克服静电排斥力;两亲水性颗粒间存在着额外的短程水化斥力,拟合发现水化斥力以0.54 nm的衰减长度按单指数模型衰减;两疏水性颗粒间则存在着强烈的疏水引力,力曲线显示:在20~40 nm范围颗粒发生明显的跳入黏附,疏水引力以1.63 nm的衰减长度按单指数模型衰减.分子动力学模拟发现,极性水分子与二氧化硅表面氧原子间存在强烈的氢键作用,表明亲水玻璃基板表面形成致密结构的水化层,诱发水化斥力;而疏水界面水分子没有氢键作用,疏水引力源于疏水界面的水分子重排熵效应.

深土力学特性研究现状及发展展望

以矿山建设为代表的深部地下工程的大量开建,促使深土力学这一基础理论学科得到了进一步地发展.本文从深土物理性质特性、加载路径力学特性和K0及卸载路径力学特性3方面对目前深土力学特性的相关研究现状进行了综述,指出黏土高压宏观力学响应已得到表观披露但其微观控制机理阐述存在不足.通过微观分子模拟获得层间结合水特性,介观尺度黏土单一晶片物理力学特性模拟,以及考虑短程水化斥力对双电层理论进行修正,揭露控制深土高压力学特性的基本机制在于层间结合水的部分脱附和小间距条件下短程水化斥力的发挥.从试验研究、多尺度数值模拟以及理论分析3方面对深土高压力学特性的研究前景进行了展望.