作者:韦昌富等 来源:《工程力学期刊》 发布时间:2017/9/20 10:31:34
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科学家建立非饱和土的化学—力学耦合本构模型

 

在岩土介质的多相多场耦合问题中,研究最多的是THM(热—水—力)模型,并已较为成熟。随着环境问题的日益突出,以及一些重大工程均涉及物理化学效应,目前的THMC(热—水—力—化)模型主要是针对渗流、物质扩散、吸附—解吸等问题,而化学—力学耦合作用机理则是比较薄弱的。例如,孔隙水组份和浓度变化时,对土体的力学、水力学、粒间应力的影响。
 
中国科学院武汉岩土力学研究所研究员韦昌富及其研究团队通过分析目前孔压测试存在的问题,提出了真实孔压的概念,并推导出真实孔压和测量孔压之间的关系。基于真实孔压的概念,提出了粒间应力的表达式。采用粒间应力作为本构变量,提出了可以考虑颗粒间物理化学作用力的非饱和土的概念性本构模型。该模型基于真实孔压的概念,考虑了微观的物理化学作用力,包括Donnan效应、毛细和吸附,从而可以将化学和力学加载采用同一个屈服面表示。研究人员提出了化学—力学耦合作用机理:物理化学作用会引起粒间应力的改变,从而对土体的强度和变形产生影响。此外,真实孔压是真实的应力概念,从而避免传统模型中将孔隙水势能和孔隙水压力相混淆的问题,可以与外力荷载直接相加,消除了模型物理上的不一致性。
 
采用上述模型对试验数据进行模拟,证明了上述模型可以有效地描述化学加载条件的力学行为,并在描述低含水量状态时是较为准确的,而这些恰好是传统模型所欠缺的。上述模型对白垩岩(chalk)的化学—力学行为,可以采用同一套参数来模拟不同流体饱和的白垩岩的力学特性。
 
研究工作得到国家自然科学基金重点及面上项目等的资助。(来源:中科院武汉岩土力学研究所)
 
 
 
图1 采用粒间应力和Bishop-type有效应力来模拟玻璃棒脱湿-吸湿引起的弹性变形:(a)粒间应力;(b)Bishop-type有效应力。从模拟结果来看,粒间应力在低山水量时是比较准确的,而这也是传统的模型所欠缺的。
 
 
图2 采用不同浓度NaCl溶液饱和的膨润土的抗剪强度:(a)有效应力表示;(b)粒间应力表示。从试验结果来看,土体的强度随着浓度的增大而增大。当采用粒间应力来表示时,大部分的试验数据集中在一条曲线附近,也就是所谓的临街状态线。
 

 

 
 
 
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