水化学环境变异下黏土物理力学特性研究进展.pdf

第 3 1卷 第 6期 2 0 1 4年 6 月 长江科学 院 院报 J o u r n a l o f Ya n g t z e R iv e r S ci e n t i f i c Re s e a r ch I n s t i t u t e Vo 1 31 No 6 J u n 2 0 1 4 D OI ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 5 4 8 5 2 0 1 4 0 6 0 0 9 2 0 1 4， 3 1 ( o 6 ) ： 4 1 4 7 ， 5 2 水化学环境变异下黏土物理力学特性研究进展 颜荣涛 ， 吴二林 ， 徐文强 ，曾召田 ， 苗华 ， 韦昌富 ( 1 桂林理工大学 土木与建筑工程学院 ， 广西 桂林5 4 1 0 0 4 ； 2 长江勘测规划设计研究有限责任公司， 武汉4 3 0 0 1 0 ； 3 中交第一航务工程勘察设计院有限公司， 天津3 0 0 2 2 2 ； 4 中铁大桥局集 团 武汉置业发展有 限公 司 ， 武汉4 3 0 0 5 0 ) 摘要： 水化学环境变异对黏土力学特性具有很重要的影响。分别从物理力学试验分析和理论描述 2个方面论述 了水化学环境变异对黏土力学特性影响这一方向课题的研究现状。通过分析归纳可知： 目前对于以蒙脱石含量为 主的膨润土的研究较为透彻 ， 得出了较为一致的规律并且揭示了其影响机理； 对于高岭土和一般性黏性土在水化 学环境变异下的响应规律揭示不清， 机理阐明不清， 需要进行系统完整的试验研究 ； 同时， 目前的土力学理论框架 难以考虑水化学变异的影响， 需要建立新的能考虑化学 一力学耦合的土力学理论框架。最后， 总结这一研究方向 亟待解决的科学问题和后期的发展前景。 关键词： 岩土介质； 水化学环境 ； 化学 力学耦合 ； 力学响应 中图分类号： T U 4 3 1 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 1 5 4 8 5 ( 2 0 1 4 ) 0 6 0 041 0 7 1 研 究背景 水化学环境变异是指由于人为或是 自然气候原 因导致的孔隙水组分 、 浓度发生改变 ， 这种孔隙水性 质的变异打破 了原本平衡的水 一土化学 、 力学状态 ， 从而使岩土介质的力学特性发生改变 ， 这种水 化学 环境的变异主要涉及到酸 、 碱 、 盐 3个方面的组分或 是浓度 的改变 J 。这种由于水化学环境变异引起 的岩土工程问题广泛地存在于 自然界内， 特别是存 在于有关能源 、 环境保护、 极端气候下地质灾害等相 关岩土工程的问题 中， 并且逐渐发展为一个不可忽 视 的问题。特别著名 的一个例子是北海 E k o fis k区 域 由于石油开采引起 的海底地表沉 降， 相关 的石油 公司试 图通过海水回灌的方法来阻止海底地表的沉 降， 最终 的结果是海水 回灌并没有阻止沉 降反而加 快 了沉降 ， 这是一个典型 的水化学环境变异引 起的岩土工程问题。除此 以外 ， 在各种钻探过程 中， 护壁泥浆会改变原有孔隙水 的组分 以及浓度 ， 导致 井壁的力学性质发生改变引起变形 ， 变形又会引起 渗流、 浓度变化 ， 这些相互影响可能导致井壁失稳坍 塌 ； 垃圾填埋场中溶质 的迁移引起孔 隙水组分 的改 变 ， 会导致防护层渗流和变形特性发生变化 ， 最后可 能导致有害物质的渗漏 ； 核废料处 置库 中核素等溶 质迁移引起孔 隙水组分、 浓度的变化 ， 改变缓冲材料 的力学性质 ， 导致原有评估的失效 ， 甚至有可能发生 泄露； 水库周期性 的水位升降必然会 引起孔隙水溶 质的动态变化 ， 从而改变了库岸土体的力学特性 ， 为 库岸滑坡提供 了可能性条件 ； 在极端气候频现的 今天 ， 长时间的干旱和洪涝会使岩土介质 中孔 隙溶 液的溶质浓度发生很大 的改变 ， 这种改变会对 岩土 介质的力学特性产生不可忽视的影响 ， 使土体 发生 开裂 、 滑坡等地质灾害。这些例子都生动地说 明了 水化学环境变异对岩土介质力学特性影响必须引起 足够的重视 ， 并开展相应 的研究。 水化学环境变异对岩土物理力学特性的影响研 究始 于 2 0世 纪 4 0年 代 ( Win t e r k o m M o o r m a n ， 1 9 4 1 ；B o l t ，1 9 5 6 ) ， 但是发展较为缓慢 ， 一方面 的原因是由于社会背景需求不大 ； 二是岩土工程 、 化 学工程学科 的分离 ， 各领域 的专家很难综合利用化 学作用和力学作用相结合 的办法来考虑。然而 ， 随 着近些年来环境能源领域 中岩土工程问题的 日益突 出， 既有经典 的土力学理论有很难解决这些问题 ， 很 多学者意识到这些工程问题必须把化学 一力学相互 结合起来进行综合考虑才能解决 。为此 ， 国内外的 相关学者 已经开始 了化学 一力学相互耦合的研究 ， 收稿 日期 ： 2 0 1 30 70 4； 修 回日期 ： 2 0 1 40 1一 O 6 基金项 目： 国家 自然科学基金项 目( 5 1 3 0 9 0 5 5 ) ； 广西 自然科学基金 重点项 目( 2 0 1 2 G x N s F GA 0 6 o o 0 1 ) ； 广西 岩土力学与工程 重点实验 项 目 ( 1 2一A 一 0 1 0 3 2 ) 作者简介： 颜荣涛(1 9 8 4一) 男 ， 湖北仙桃人， 讲师， 博士， 主要从事化学 一 力学耦合问题的研究工作， ( 电话) 0 7 7 3 5 8 9 7 0 2 1 ( 电子信箱) y r t 3 01 1 6 3 c o m 。 4 2 长 江科 学院 院报 但尚处于初始阶段 。针对于 以上情况 ， 本文通过 收 集 、 阅读 、 归纳整理 ， 介绍 了 目前水化学环境变异对 岩土介质的物理力学特性影响研究 的研究 现状 ， 指 出了目前亟待解决 的关键科学问题 ， 并整理 出了此 课题后期研究的方 向。 2物理力学试验研究进展 大量 的试验研究表 明， 水化学环境 变异对岩土 介质的物理力学性质具有重要的影响 J 。然而 ， 揭示水化学环境变异对岩土介质的物理特性和力学 特性 的影响规律 ， 进行系统的试验研究是唯一途径。 因此， H前国内外相关学者对于水化学环境变异下 岩土介质的物理力学行为的响应展开 了不少研究 ， 但主要集中在液塑限、 压缩性 、 强度等方面。 在水化学环境发生改变 的情况下 ， 黏土 内部组 织物理化学成分和结构组成 由于水化学作用而产生 变异 ， 从而引起黏土宏观物理力学特性 的改变 。汤 连生把这种水化学作用分为 3种 ， 分别是溶蚀作用 、 沉淀作用或结晶作用和阳离子的交换吸附作用 。 由于水化学作用强度与矿物成分和组成存在很大的 联系 ， 对于由蒙脱石 、 高岭土 、 伊利石综合组成的一 般黏土 ， 水化学作用机制也存在不同， 继而产生的外 部物理力学响应也不 同， 所 以一般黏性土对水化学 环境状态变化的物理力学响应相 当复杂 。由于蒙脱 石和高岭土在微观物理结构上具有较大的差距 ， 而 伊利石处于二者之间， 因此 目前关 于水化学环境变 异对黏性土物理力学行为 的影 响研究 ， 主要针对于 主要成分为蒙脱石 的膨润土以及高岭土进行试验研 究。下面本文主要针对 于膨润土 、 高岭土 的研究状 态进行梳理。 2 1 膨润土 膨润土主要是一种以蒙脱石为主要成分的黏性 土 ， 由于作为垃圾填埋场和核废料处置场的防护层 而成为 了研究的热点 。蒙脱土黏土矿物是 2 ： 1 型膨 胀性层状硅酸盐黏土矿物 ， 它 的结构单位 由 2层硅 氧四面体夹一层铝氢氧 ( 或铝氧) 八 面体组成。由 于 自身的结构性 ， 蒙脱土具有强烈 的吸水性 ， 在湿润 状态下具有较强 的黏滞性和可塑性 ， 而在脱水时则 会发生剧烈的收缩 。当然 ， 蒙脱土 的这种胀缩性也 与层间阳离子的种类有关 。同时 ， 蒙脱土 的这些 矿物组分和结构组成也造就 了蒙脱土对化学环境变 异的敏感性 。 液塑限指标是反映土体 内部矿物和结构组成 的 物理参数。R J P e t r o v等 ( 1 9 9 7 ) 在试 验 中采用 N a C 1 溶 液饱和土体 ， 研究 N a C 1 溶 液对蒙脱土液 限 的影 响， 发 现 随着溶 液 浓度 度从 0 mo l L上 升 到 2 0 mo L L ， 蒙脱 土的液限从 5 3 0下 降到 9 6 。J M L e e 等 ( 2 0 0 5 ) 研究 了不同浓度 C a C 1 ： 溶液对蒙脱 土液塑限的影 响， 也发 现蒙脱土 的液限有所 下降。 S A r a s a n等 ( 2 0 0 8 ) 测试 了 4种不 同的化学溶液 下高塑性土( 主要成分膨润土) 的液塑性 ， 结果 表明 液限随着浓度的增大而降低 ， 塑限在低盐分浓度时， 随着浓度增加而降低 ， 而在高浓度 随着浓度增 大而 升高。M C a lv e llo等 采用不 同 的溶质溶 液对 蒙 脱土进行饱和后测试液 限， 发现化学组分 和浓度均 会对液限产生不可忽视的影响。图 1给出了不 同浓 度 N a C 1 溶液对液限的影响示意 图， 图 2给出了不同 化学组分在不同浓度情况下对商业蒙脱土液限的影 响。这些类似的研究也有很 多学者涉及 ， 并且得出 了相对一致 的结论 l1 ， 即随着盐类 溶液 浓度 增 大 ， 液限降低 ， 塑限先降后增。这种改变是 由于盐溶 液改变 了吸附双 电子层的厚度以及土颗粒产生了凝 聚， 从而改变了土体的液塑限。 400 3 0 0 2 00 艇 l00 0 1 2 3 4 5 6 N a C I 溶液浓度 ( mo l L - ) 图 1 不 同浓度 N a C I 溶液制备膨润 土的液限 Fig 1 Liq u id limit s o f b e n t o ui t e s wit h Na CI s o lu t io n s of diffe r e nt co nce nt r a t ions 图 2 不 同化 学溶液对商业蒙脱 土液 限的影响 Fig 2 I mpact o f dif f er e nt che mica l s olut ions on t he liqui d limit o f comme r cia l be nt onit e s 压缩性和强度是工程应用中一个不可或缺的力 学指标 ， 因此进行压缩试验和剪切试验是土力学研 究 的一个必备 手段。C D i Ma io等 1 0 3 ( 1 9 9 4) 采用 第 6期 颜荣涛 等 水化学环境变异 下黏-+ - 2 学特 性研 究进 展 4 3 N a C 1 溶液饱和膨润土后进行强度测试 ， 发现膨润土 的残余强度对于化学溶液浓度非常敏感 。为了明确 化学 溶 液 对 膨 润 土 的 影 响 机 理 ， C D i Ma i o ( 1 9 9 6 ) 进一步地进行 了直剪试验和排水固结试验 ， 并且采用 x衍射 技术来 分析蒙脱 土的吸附双 电子 层结构。试验发现任何一种化学溶液的加入， 都会 导致变形的降低以及强度的增加 ， 同时 x衍射技术 分析证实了这是由于吸附双 电子层厚度在化学溶液 的作用下通过离子交换 、 吸附等化学作用下变薄， 双 电子层厚度变薄增加了土颗粒之间的摩擦 ， 导致强 度的提高。C D i Ma io等 研究了孑 L 隙溶液化学浓 度对压缩性的影响， 发现孔隙溶液浓度的增加会降 低膨润土的压缩性 ， 并且蒙脱土含量越高 ， 这种效应 越是明显 ； 同时采用高浓度盐溶液饱和膨润土试样 的压缩性类似于高岭土试样 ， 对盐溶液浓度改变并 不敏感 ， 这也是 由于盐分改变了双 电子层 的厚度的 结果。M C a lv e llo等 研究 了酸 、 盐对蒙脱 土的压 缩性和残余强度 的影响， 发现可以利用介 电常数对 溶液进行描述 ， 建立介 电常数和这些力学指标 之间 的关系， 但是这些结论只是初步的揭示二者之问的 联系 ， 并没有系统验证 。 从 目前的研究来看 ， 化学溶液对蒙脱土物理力 学特性影响机制的核心是通过影响土颗粒表面的吸 附水双电子层的厚度来体现。蒙脱土中的蒙脱石含 量非常丰富， 具有相当发育的双 电子扩散层 ， 因此具 有很强烈的吸水性 ， 所 以液塑 限一般较高。但在孔 隙水 中添加 了化学溶质后 ， 通过盐离子 的替换吸附 作用 ， 是内部静 电场重新构成 ， 同时盐离子的加入会 降低孔隙水 的活度， 吸附水也会转化为 自由水 。因 此导致吸附水双 电子层厚度降低 ， 从而降低了液限； 在压缩过程 中， 吸附水转化为 自由水排出， 导致 了土 体进一步的压缩； 在双电子层变薄的过程中， 土体颗 粒 之 间 变 得 粗 糙 ， 增 加 了摩 擦 强 度 ， 提 高 了 强 度 。但是对于土体黏聚力 的影响 ， 目前还 需要进一步的研究。 2 2高岭土 相对于蒙脱土 ， 高岭土由于 自身结构的差异性对 水化学环境场 的变化展现出不同的物理力学响应。 J P a r k等 。 。 ( 2 0 0 6 ) 在水化学环境 为表 面活性 剂和 N a P O ， C a C 1 溶液情况下对高岭土、 高岭土 一 砂混合 土进行 了液塑限测试 ， 发现溶液对于液限的影响很 小， 而降低了高岭土的塑限； 而 S A r a s a 等 列 通过研 究孔隙盐溶液对低塑性土的影响发现随着盐溶液浓 度的提高， 液塑限均有较为明显的提高； P V S iv a p u l la ia h等 ( 2 0 0 5 )通过液塑限试验分析认为 由于孔 隙 N a O H溶液的水 一高岭土土化学作用生产了新 的 物质导致了液限的增加。M o o r e ( 1 9 9 1 ) 研究了水化学 环境为 N a C 1 ， C a C 1 ： 溶液对主要 以高岭石矿物为主的 土的力学强度影响 ， 发现浓度从0 21 0 g L增大 ， 强度有明显的提高 ； 而 c D i M i a o等 。 。 ( 1 9 9 4 ) 采 用 N a C 1 溶液饱和试样研究了水土化学 一力学作用对 强度影响 ， 认为高岭土强度受孔隙盐溶液影响不大 ； R W W A n s o n等 ( 1 9 9 8 ) 通过试验发现较高的钙 离子溶液会稍微的提升高岭土的强度； A A n a n d a r a j a h 等 ( 2 0 0 0 ) 利用甲酰胺、 乙醇 、 乙酸、 三乙胺和庚烷 溶液淋滤高岭土试样后进行不排水三轴试验 ， 试验结 果表明这些有机溶液可以使正常固结高岭土展现出 超固结土的性质， 并且认为这些差异是由于物理化学 特性的改变所导致的。A S Wa h id等 ( 2 0 1 1 ) 利用商 业高岭土研究了酸 、 碱、 盐溶液对液塑限、 压缩性、 强 度的影响， 认为高岭土的物理力学特性受盐溶液影响 并不敏感 ， 但是酸、 碱溶液对于高岭土的物理力学特 性影响明显并且复杂， 同时认为在酸碱溶液环境下 ， 高岭土宏观物理力学特性受离子交换 吸附改变双电 子层厚度效应和矿物酸碱侵蚀溶解效应 2种水土化 学 一 力学作用的综合影响， 从而出现了在水化学环境 恢复时， 高岭土展现的可逆行为和不可逆行为 J 。 从以上针对于膨润土和高岭土的试验研究现状 可以得知 ， 目前关于膨 润土的物理力学特性在水化 学环境变下受水土化学 一力学作用的影响已得出了 一 致 的规律 ， 离子交换 吸附改变双 电子层厚度效应 可以用来解释蒙脱土对水化学环境发生改变的物理 力学响应 ； 而对于高岭土 ， 虽然试验研究较多 ， 但是 试验结果较为零散 而不 系统 ， 不 同水化学环境下受 水土化学 一 力学作用影响后的物理力学特性一致性 差 ， 有的甚至相互矛盾 ， 因此 目前也没有形成较为统 一 的机理解释， 需要进一步的进行研究探索。 2 3一般性黏土 除了垃圾填埋场 、 核废料处置场中的隔离层是采 用比较纯的蒙脱土 ， 大部分工程所涉及的岩土介质都 是一般性黏土 ， 也就说是蒙脱石、 高岭土、 伊利石的混 合体。因而在一般性工程中， 岩土介质受水化学作用 影响而展现出来 的物理力学响应就更为复杂。针对 于具体 的工程需求背景， 很多学者也做了不少的研 究。为了评价酸碱溶液对岩土介质的物理力学特性 的影响， 以淤泥质黏土作为研究背景 ， 刘汉龙等 分 析了不同浓度的酸碱对岩土介质基本物理性质 的影 响， 包括对有机质含量 、 土粒相对密度 、 粒度成分和液 塑限的影响， 并且得出了以下结论 ： 酸降低了有机质 含量、 土颗粒相对密度和液限 ， 提高了塑限； 碱则可以 长江科 学 院院报 2 0 1 4生 增加土颗粒相对密度 、 液塑限， 但还是降低 了有机质 含量。随后 ， 朱春鹏等 ( 2 0 0 8 ) 又采用淤泥质黏土 进行了压缩试验 ， 研究不同浓度酸碱污染土 的压缩变 形性质 ， 并且分析 了酸、 碱作用黏土的压缩性质的影 响因素。近期 ， 朱春鹏等 又采用直剪试验和三 轴试验研究了影响酸碱污染淤泥质黏土的变形、 强度 特性的外部因素， 试验表 明： 污染土的应力 一 应变 曲 线随酸浓度的增大， 软化特性越显著； 碱浓度越大， 软 化特性越不明显 ， 呈现塑性破坏。但遗憾的是作者没 有给出相应的机理解释 ， 仅在分析试验结果 的基础上 建立了酸碱污染土总应力强度与浓度的关系式 ( o r l d r 2 ) =2 q= 2 +2 凡 +2 o t P+2 卢 n P。 ( 1 ) 式中 ： ， t ， 和 B为拟合参数 ； q为土体受到的最大 剪应力 ； p表示土样在试验时所受的围压 ， n 表示酸 溶液的浓度。王洋等 ( 2 0 0 7 ) 研究了残积红黏土 特殊的物理化学性质及结构特征 ， 红黏土的力学性 质随着周围水化学环境的变化而发生变异 ， 其中 C， 值和 p H值呈现很 良好地线性关系 ， 水 化学作用 的物性变异导致 了红黏土力学性质 的变化具有双面 性 ， 可以使土 的强度降低 ， 也可以使土体的力学强度 变大 ； N S h a r i a t m a d a r i等 ( 2 0 1 1 ) 研究 了 C a C 1 ， 溶 液和 N a C 1 溶液饱和对蒙脱土 一石英 砂混合土 的液 塑限指标和不排水强度的影 响， 以寻求 垃圾填埋场 防护层的工程设计上 的理论支持 ； I G r a t ch e v等 研究了 13 本海洋 自然土后酸污染后 的压缩性的变化 规律 ， 发现酸会使土的结构性破坏使压缩性变大 ， 而 酸使电子扩散层 的变薄却会使压缩性变小 。除此以 外 ， 目前还有很多类似的研究心 。 。 。 。 综合分析 目前关于水化学环境变异对黏土物理 力学特性的试验研究 ， 可 以看 出这些研究只是零散 地对单个矿物成分进行物理力学性质 的研究 ， 分析 酸、 碱 、 盐对黏土物理力学性质的影响， 并不能系统 地揭示出水化学环境变异下黏土的物理力学响应规 律 ， 当然也没有 比较完善的机理解释。 3理论模 型研 究进展 对于一个科学问题 ， 提 出相应的理论对其进行 描述 ， 对相应的边界值问题进行模拟 、 预测 ， 继而对 工程实践具有评估 、 指导的作用 ， 这是科学研究的 目 的。因此 ， 形成一套理论能够对水化学环境变异下 黏性土的物理 力学 响应进行描述非常重要 。但 是， 由于水化学环境变异下黏性土的物理力学特性很难 利用原有经典土力学 的基础上进 行修改后 进行描 述 ， 必须把化学和力学进行综合考虑来解决水 一土 化学力学相互耦合 的问题 ， 所 以建立能够描述这一 科学问题的理论显得比较困难。 S Ho ma n d等 。 利用不 同化学溶液饱和 白垩 岩进行应力式三轴剪切试验 ， 基于试验结果 ， 在弹塑 性框架 内利用双屈服面模型来描述 白垩岩的化学力 学行为 ， 无疑这模型的建立对于考虑水化学环境 变异下水土化学 一力学作用的理论模型具有很大的 启发性 。B L o r e t 等 。 “ ( 2 0 0 2 ) 考虑 固相为 土颗粒 、 吸附水 、 盐分 ； 液相为 自由水和盐分 ， 同时 自由水和 盐分能在两相之间转化 ， 在基于化学势平衡理论 ， 建 立 了考虑化学 一力学相互作用的均质膨胀土的弹塑 性本构模型 ， 该模型能很好地模拟钠基膨胀土 的化 学 固结行 ， 并且很好的描 述在化学溶液恢复后土体 的体积恢 复。A G a j o等 ( 2 0 0 2) 对 L o r e t 等人提 出的本构模 型进行 了修正 ， 使其 能更好地模拟 自然 非均质膨胀土 的一般力学行为。然而 ， 考虑到 目前 很多化学溶液都不是 中性 的， 而是带有 酸性或是碱 性的， p I - I 值会很大程度上影响膨胀土 或是高岭 土的内部结构 以及形状 排布 ， 因此 ， 在模型 中必 须考 虑 P H值对化学力学行 为的影响。A G a j o 等 ( 2 0 0 7 ) 在原来模型的基础上 ， 考虑酸化 、 碱化 环境对离子交换 、 水化作用的影响 ， 建立 了能描述酸 碱环境中离子交换 、 水化作用对力学行 为影 响的理 论模型 ， 但是该模型忽略了酸碱溶液 中溶蚀和聚沉 作用 。值得说 明的是 ， 这些模 型只是基 于特定背景 下根据零散试验结论而建立 的， 又鉴 于基础理论 的 限制， 模型的建立没有很明确的规律 、 机理依据， 更 没有考虑水化学 一力学的微细观 一宏观作用相互耦 合的效应 。 由于越来越多的学者认识到传统的经典土力学 理论难以直接应用到化学 一力学耦合的岩土工程问 题中， 并且一致认为在考虑力学效应的同时必须考 虑物理化学效应 ， 把二者进行综合考虑才能解决类 似的环境岩土工程 问题。近年来 ， 一些 学者在原有 的经典土力学理论的基础上进行了物理化学类 的扩 展 ， 主要是针对于有效应力 的适用范围的讨论 和修 正。S J G o n ca lv e s 等 4 研究分析 了页岩层 中孔隙 压力 的意义 ， 认为在表面带负 电的矿物之间的静 电 作用会产生一个所谓 的“ 楔裂压” 应力 ， 这种应力实 际上是具有 同样位势孔隙水和大体积水之 间的压力 差 ， 这种压力差受孔隙水化学成分影响显著 ， 通常我 们所说 的“ 膨胀力” 就是这种应力的宏观体现 。 J K J a m e s 等 甜 在( ( F u n d a me n t a ls o f S o il B e h a v i o u r 一书中认为传统的有效应力公式在应用于涉 第6期 颜荣涛 等 水化学环境变异下黏土物理力学特性研究进展 4 5 及水化学 一力学作用的岩土工程 问题会遇到问题 ， 对传统的有效应力提出了修正： or i=or一“ 。+ o r 。 一o r ， 其 中 。 为传感器测得 的孔隙水压 力 ， 。 为 电化 学效应引起的吸 引力 ， 。 为 电化学效应引起 的排斥力 ， 。 一 。 称为 电 化学应力。在粗粒土中， ” m 。 和 是 比较小 的； 在粉土和低塑性土中， 一般 i 。 ； 这 种电化学应力显现 出明显的影 响， 只有 当有外界环 境荷载 ( 包括 水化学 环境改变 、 温 度变化等 ) 的作 用 ， 孔隙水化学平衡发生改变 ， 这种 电化学应力就会 对黏性 土 的力 学 特性产 生显 著影 响。遗 憾 的是 ， J a me s 等并没有给出电化学力 的具体表达式 。 基于内变量热动力学和混合物理论 ， 韦昌富和冯 夏庭教授 给出了多相多组分孔隙介质各组分 的的 电化学势的一般表达式 ， 提出了考虑水化学 一 力学耦 合作用效应的有效应力基本表达式 ： = 一“ 。 +盯， 其中， 为传感器测得的孔隙水压力 ， 仃为广义渗透 压。7 r 受环境温度、 孔隙水离子电荷数 、 化学浓度、 p H 值等化学状态变量控制， 具体表达式如下为 仃：一 f 1 _ 一 胜 。( 2 ) 仃 = 一 = l n I l 一 一 M 。 【 (1，w ， 式中： R为气体常数； T为温度； 为流体相中水组 分的摩尔体积 ； o r 为单位质量流体 的摩尔总数 ； 为流体相中水组分浓度 ； 为毛细 吸力 ， 它是流体 相的质量分数 的函数 ； 为流体相 中水组分的密 度 ， 为表面吸附效应项 。 基于以上对有效应力的扩展 以及提出的广义渗 透压力的表达式 ， 韦 昌富和冯夏庭还进一步建立 了 考虑多孔介质化学 一力学耦合效应 的本 构理论框 架 ， 这一框架为模拟水化学环境变异下黏性 土的水 化学 一力学行为提供 了重要 的理论基础。然而 ， 所 提 出有效应力的基本表达式 以及本构理论框架并没 有进行具体的应用模拟 ， 还需要进行试验上的验证。 从 以上的分析来看 ， 目前关于在水化学环境变 异下考虑化学 一力学耦合作用的岩土工程学问题研 究还处于起步阶段 ， 主要的原 因是 由于化学 一力学 相互作用的机理 尚未明确 ， 很难建立能有效考虑化 学 一力学相互作用效应 的理论框架 ， 这方面还有很 长的一段路要走。 4 亟待解决的问题及后期研究方向 从 以上论述 的研究现状来看 ， 目前关于水化学 环境变异下水化学 一力学相互作用的岩土力学 问题 的研究还处于起步阶段 ， 主要 以探索水化学 一力学 的相互作用机制为主 ， 也有少数学者尝试着建立考 虑水化学 一力学耦合 的理论框架。但是 目前仍存在 几个关键问题亟待解决： 水化学环境 一 微细观结 构 一 物理性质的相互影响机理仍不完善 ， 仍需进行 进一步的探究形成共识 ； 水化学环境变化对宏观 力学特性影响规律不清楚 ， 未建立宏观物理力学指 标 一 水化学环境之间的定量表述； 尚未建立具有 明确水化学 一 力学相互影响规律 、 机理依据 ， 同时考 虑水化学 一力学跨尺度耦合效应 的本构关系模 型。 为了解决以上的几个关键 问题 ， 必须从 以下几个研 究内容人手： 外界化学环境变化对岩土介质化学 系统状态的影响； 岩土介质化学状态与微细观结 构的耦合关系； 化学状态变化对土颗粒问相互力 学作用的微观影响； 岩土介质化学状态与力学特 性参数之间的定量关系； 本构模型的建立及工程 应用模拟。 5 结 论 本文立足于水化学环境变异引起的环境岩土工 程问题 ， 分别从试验分析和理论描述上分析 了水化 学环境变异下化学 一力学相互作用耦合 问题 的研究 现状。 经过总结归纳 ， 发现 目前大部分 的研究 主要单 单地针对于蒙脱石含量为主的膨润土和高岭石为主 的高岭土受水化学环境变异 的物理力学效应( 液塑 限 、 强度 、 压缩性等) 的影 响， 对于一般性 黏土研究 较少。对于以蒙脱石含量为主的膨润土的研究较为 透彻 ， 得出了较为一致 的变化规律并且揭示 了其影 响机理， 认为水化学环境 的变化引起 了土颗粒周 围 的双电子层 的厚度 的变化 ， 从而进一 步影 响其物理 力学特性 ； 而对于高岭土和一般性黏土， 由于缺乏系 统、 完整的试验 ， 目前并没有形成较为统一的机理解 释 ， 需要进一步的进行研究探索。 为了评估水化学环境变异对岩土地层 的变形 、 强度等力学问题 的影 响， 建立一套理论 能够对水化 学环境变异下黏性土的物理力学响应进行描述非常 重要。由于化学 一力学耦合作 用的机理 的缺失 ， 目 前的工作也只是尝试性的建立考虑化学 一 力学耦合 岩土力学理论 ， 并且这些理论也没有经过 系统 的试 验验证和应用， 因此如若要建立能有效考虑化学 一 力学相互作用效应 的理论框架 ， 还需要有很 长的一 段路要走 。最后 ， 对本研究方 向的需要解决 的问题 和科学问题进行了总结和归纳 ， 以便参考。 长江科 学 院院报 2 0 1 4丘 参考文献 ： I 1 I WI N T ERK ORN H FMOOR MAN R BA S t u d y o f C h a n g e s in Ph y s ica l Pr o p e r t ies o f Pu t n a m S o il I nd u ce d by I o n ic S u b s t it u t i o n C 1 P r o ce e d in g s o f t h e T w e n t y F i rs t A n n u a l Me e t in g o f t h e Hi g h w a y Re s e a r ch B o ard He ld a t t h e J o h n s Ho p k in s U n iv e r s it y ，B a lt imo r e ，Ma r y la n d。De ce mb e r 2 5，1 9 41：41 543 4 2 S U D H A K A R M R， S R I D H A R A N A Me ch a n i s m C o n t r o 1 1 in g t h e V o l u me C h ang e B e h a v i o r o f K a o li n it e J C la y s and C l a y Mi n e r a ls ， 1 9 8 5 ， 3 3 ( 4 ) ： 3 2 33 2 8 3 汪民 饱水黏性土中黏粒与水相互作用的初步探讨 J 水文地质工程地质， 1 9 8 7 ， 3 ( 6 ) ： 1 1 2 ( wA N G Min T h e I n t e r a ct io n b e t we e n W a t e r a n d C la y P a r t icle s in S a t u r a t e d C la y e y S o il s J H y d r o g e o l o g y a n d E n g in e e ri n g G e o l o g y ， 1 9 8 7 ， 3 ( 6 ) ： 1 1 2 ( i n C h in e s e ) ) 4 汤连生， 王思敬 水 一岩化学作用对岩体变形破坏力学 效应研究进展 J 地球 科学进 展 ， 1 9 9 9 ， 1 4 ( 5 ) ： 4 3 3 4 3 9 ( T A N G L i a n - s h e n g ，WA N G S i- j in g P r o g r e s s i n t h e S t u d y o n Me ch a n ical E ff e ct o f t h e C h e mical Act io n o f W a t e r r o ck o n De f o r ma t io n a n d F a i lu r e o f R o ck s J Ad v a n ce in E a r t h S cie n ce s 1 9 9 9 ， 1 4 ( 5 ) ： 4 3 3 4 3 9 ( i n C h in e s e ) ) I 5 l R I S N E S R，F L A G E N G O M e ch anical P r o p e rt i e s o f Ch al k w it h E mp h a s is o n C h al k fl u id I n t e r a ct io n s Micr o me ch a n i cal As p e ct s l J 1 O il& Ga s S cie n ce and T e ch n o l o g Y R e v u e d e l I F P ， 1 9 9 9 ， 5 4 ( 6 ) ： 7 5 1 7 5 8 6 l H 0 M A N D S S H A 0 J F Me ch a n i cal B e h a v i o u r o f a P o r O U S C h a lk a n d W a t e r Ch al k I n t e r a ct io n P a r t 2：Nu me ri cal Mo d e ll in g J 0i l & Ga s S ci e n ce a n d T e ch n o l o g y Re v u e d e l I F P， 2 0 0 0， 5 5 ( 6) ： 5 9 96 O 9 I 7 l H 0 M A N D S S H A O J F Me ch ani cal B e h a v io u r o f a P o r - O U S C h al k an d W a t e r C h al k I n t e r a ct io n， P a r t 1 ： E x p e r i m e n t al S t u d y J O i l & G a s S ci e n ce a n d T e ch n o l o g y R e v u e d e l I F P，2 0 0 0，5 5 ( 6) ：5 9 15 9 8 8 毕仁能， 项伟， 郭义， 等库岸滑坡黏性土与河水 物理化学作用试验研究 J 长江科学院院报， 2 0 1 1 ， 2 8 ( 7 ) ： 2 8 3 1 ( B I R e n n e n g ，X I A N G We i， G U O Y i， e t a 1 P h y s ica l an d C h e mical R e a ct io n b e t we e n R iv e r W a t e r a n d C l a y e y S o il f r o m R e s e r v o i r L a n d s li d e l J I J o u mal o f Y a n g t z e R iv e r S cie n t i f i c R e s e a r ch I n s t it u t e ， 2 0 1 1 ， 2 8 ( 7 ) ： 2 83 1 ( in C h i n e s e) ) l 9 B OI G HP h y s ico ch e mica l An a l y s i s o f t h e C o mp r e s s i b il it y o f P u r e C l a y s J G e o t e ch n i q u e ， 1 9 5 6 ， 6 ( 2 ) ： 8 6 9 3 i 1 01 D I MA 1 0 C，F E NE L U G BR e s id u al S t r e n g t h o f K a o l in and Be n t o n it e：t h e I n f lu e n ce o f Th e ir Co n s t it u e n t P o r e F lu i d J G e o t e ch n i q u e ， 1 9 9 4 ， 4 4 ( 2 ) ： 2 1 7 2 2 6 1 l1 I DI MA1 0 CE x p o s u r e o f B e n t o n i t e t o S al t S o l u t io n：Os m o t i c and M e ch a n ica l E f f e ct s I J 1 G e o t e ch n i q u e ，1 9 9 6 ， 4 6( 4) ：6 9 57 0 7 1 1 2 l A N S 0 N R W W H A WK I N S A B The E f l f e ct o f C a lci u m I o ns in Po r e W a t e r o n t h e Re s id u al S h e a r S t r e n gth o f Ka o 1 in i t e and S o d i u m M o n t m o ril lo n i t e J G 6 o t e ch n iq u e ， 1 9 9 8， 4 8 ( 6) ： 7 8 78 0 0 1 3 吴恒， 张信贵， 韩立华水化学场变异对土体性质的 影响 J 广西大学学报 ( 自然科学版) ， 1 9 9 9 ， 2 4 ( 2 ) ： 8 58 8 ( WU H e n g ， Z H A N G X i n g u i， H A N L i h u a T h e Ch a n g e o f Gr o u nd wa t e r Che mica l Fie ld M f e ct Pr o pe rtie s o f S o i lm a s s J J o u r n al o f G u ang x i U n i v e r s it y ， 1 9 9 9 ， 2 4 ( 2 ) ： 8 5 8 8 ( i n C h i n e s e ) ) 1 4 汤连生水 一土化学作用的力学效应及机理分析 J 中山大学学报( 自然科学版) ， 2 0 0 0 ， 3 9 ( 4 ) ：1 0 41 0 9 ( T ANG L ia n s h e n g Me ch an ical E ffe ct o f C h e mica l Act io n o f Wa t e r o n S o i l and An al y s i s o n I t s Me ch ani s m J Act a S cie n t ia r um Na t u r al iu m Univ e r s it a t is S un y a t s e ni，2 0 00，3 9 ( 4 ) ： 1 04 1 0 9 ( i n C h in e s e ) ) 1 5 C A L V E L L O M，L A S C O M，V A S S A L L O R。e t a 1 C o rn p r e s s ib ilit y a n d R e s id u al S h e ar S t r e n g t h o f S me ct it ic C la y s ： I n f lu e n ce o f P o r e A q u e o u s S o lu t io n s a n d O r g a n ic S o lv e n t s J I t al i an G e o t e ch n ica l J o u rna l， 2 0 0 5 ， 3 4 ( 1 ) ： 3 4 4 6 1 6 王洋 ， 汤连生， 高全 臣， 等 水土作用模式对残积红黏 土力学性质的影响分析 J 中山大学学报( 自然科学 版) ， 2 0 0 7 ， 4 6( 1 ) ：1 2 91 3 2 ( WA N G Y ang ，T A N G “a n s h e n g G A O Q u an- ch e n g e t a 1 E f f e ct s o f Wa t e r S o i l I n t e r a ct io n o n Me ch an ical S t r e n g t h o f Re s id u al Re d C la y J A ct a S e i e n t i a r u m N a t u r al i u m U n i v e r s i t a t i s S u n y a t s e - n i， 2 0 0 7 ， 4 6 ( 1 ) ： 1 2 91 3 2 ( i n C h in e s e ) ) 1 7 朱春鹏 ， 刘汉龙 ， 张 晓璐酸碱 污染 土压缩 特性 的室 内 试验研究 J 岩土工程学报， 2 0 0 8 ， 3 0( 1 0 ) ：1 1 4 6 1 1 5 2 ( Z H U C h u n p e n g ，L I U H an l o n g ，Z H A N G X i a o lu L a b o r a t o r y T e s t s o n Co mp r e s s io n C h a r a ct e ri s t ics o f S o il P o ll u t e d b y A cid a n d Al k al i J C h in e s e J o u rnal o f G e o t e ch n i cal E n gi n e e r in g ，2 0 0 8 ，3 0 ( 1 0 ) ：1 1 4 61 1 5 2 ( in C h i n e s e ) ) 1 8 WA H I D A S ，G A J O A， D I MA G G I O RC h e mo m e ch a n i cal E f f e ct s i n K a o l in i t e P a r t 1 ：P r e p ar e d S a m p le s l J 1 G e o t e ch n i q u e ， 2 0 1 1 ， 6 1 ( 6 ) ： 4 3 9 4 4 7 1 9 WA H I D A S ，G A J O A， D I MA G G I O R C h e m o m e ch a n i ca l Ef f e ct s in Ka o linit e P a r t 2： Ex p o s e d S a mple