（岩土工程专业论文）非饱和膨润土及其掺砂混合物的水力和力学性质.pdf

一l ：海大学硕士学位论文 摘要 伴随着核工业的发展，产生了大量的放射性核废料，如何安全处置这 些具有放射性的核废料己成为核： 业进一步发展必须解决的棘手问题。在 核废料中，由于高放射核废料( 简称高放废料) 的放射性水平高、持续时间长， 因此高放废料的处置是核废料处理巾最为重要和复杂的课题。目前同际上 公认深层地质处置为高放废料处置最有效的方法，国内对高放废料的处置 亦计划采用这一方法。深层地质处置的概念是基于多重工程屏障系统，防 止核废料进入自然环境和人类社会。缓冲材料和同填材料是多重工程屏障 系统中一道重要的i 【：程屏障，对高放废料与生物圈长期安全的隔离起着十 分鼋要的防护作用。膨润土及其掺砂混合物由于具有较高的膨胀性、极低 的渗透性和优良的核素吸附性能等而被世界各国选作缓冲材料和回填材料 的基质材料。 本文采用静止侧压力系数固结仪，对膨润土在侧限状态含水量不变的 情况下变形特性进行了研究；采用非饱和土固结仪对膨润土掺砂混合物侧 限状态常吸力下的变形特性进行了研究，同时分别对试样在压缩过程含水 量和饱和度的变化进行了测试分析。在常吸力压缩试验的吸力平衡阶段， 试样的孔隙比、含水量和饱和度均发生了变化，本研究对这些变化的原因 及趋势进行了分析和讨论。为更准确测量试验过程试样水量的变化，对膨 润土掺砂混合物常吸力压缩试验中，不同吸力下高进气值陶瓷板的冲刷 ( f l u s h i n g ) 系数进行了分析讨论，得到不同常吸力下高进气值陶瓷板的 f l u s h i n g 系数。还分别采用压力板法和滤纸法，对低吸力段和高吸力段膨润 土掺混合物的上水特征曲线进行了量测。分析了混合物的实测土水特征曲 线，得到了混合物的残余含水量、进气值和进水值等土水特性参数。 关键词：膨润土；膨润土掺砂混合物；吸力；土水特征曲线；压缩曲线； 缓冲材料；回填材料 v 上海人学硕士学位论文 ab s t r a c t m u c ho ft h er a d i o a c t i v ew a s t eh a sb e e np r o d u c e dw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h e n u c l e a ri n d u s t r y a sar e s u l t ，m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nh a sb e e np a i dt oh o wt os a f e l y d i s p o s et h e s en u c l e a rw a s t e s ，w h i c hi sc o n s i d e r e dt ob eak e yp o i n ti nt h ef u r t h e r d e v e l o p m e n to ft h ei n d u s t r y a m o n ga l l t h en u c l e a rw a s t e ，t h ed i s p o s a lo ft h e h i g h - l e v e lr a d i o a c t i v ew a s t ei s a ni m p o r t a n ta n dc o m p l i c a t e dt a s kb e c a u s eo ft h e i r h i g hr a d i o a c t i v ea n dt o x i c t h eg e o l o g i cd i s p o s a lo fh i g h l e v e lr a d i o a c t i v ew a s t e ， w h ic hi sr e g a r d e da so n eo ft h em o s tr e a s o n a b l ea n de f f e c t i v ew a y s ，h a sb e e nw i d e l y a c c e p t e di nt h ew o r l d a n dt h ea p p r o a c hh a sb e e nr e c o g n i z e da d o p t e di nc h i n a t h e c o n c e p to ft h ew a yi sb a s e do nt h em u l t i p l eb a r r i e rs y s t e m t op r o t e s tn a t u r a l e n v i r o n m e n ta n dh u m a ns o c i e t yf r o mt h eh i g h - l e v e lr a d i o a c t i v ew a s t e a sa l l a r t i f i c i a lb a r r i e ri nt h es y s t e m ，t h ee n g i n e e r e db a r r i e rt a k e sa ni m p o r t a n tr o l eo nt h e l o n g - t e r ms a f e t yi s o l a t i o no ft h ew a s t e w i t hv e r yl o wp e r m e a b i l i t y , h i g hs w e l l i n g c a p a c i t ya n dg o o dn u c l i d ea d s o r p t i o n ，b e n t o n i t ea n db e n t o n i t e - s a n dm i x t u r eh a v e b e e nc h o s e na so n eo ft h ee n g i n e e r e db a r r i e rm a t e r i a l s ，w h i c ha r ec a l l e db u f f e ra n d b a c k f i l lm a t e r i a l s t h ea i mo ft h i sp a p e ri st op r e s e n tt h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t a lp r o g r a m m e p e r f o r m e dt oc h a r a c t e r i z et h eh y d r o - m e c h a n i c a lr e s p o n s eo fc o m p a c t e db e n t o n i t e a n db e n t o n i t e - s a n dm i x t u r e t h ee x p e r i m e n t a lw o r ki nt h ep a p e rc o n s i s t so ft h r e e m a i np a r t s ：b ym e a n so fc o n s o l i d a t i o na p p a r a t u sw i t hl a t e r a ls t r e s sb e i n gm e a s u r e d ， t h ec o m p r e s s i o nc u r v e sa n dd e g r e eo fs a t u r a t i o nd u r i n gt h et e s t so nc o m p a c t e d b e n t o n i t ea tc o n s t a n tw a t e rc o n t e n ta r eo b t a i n e d ；b yu s i n gas u c t i o n - c o n t r o l l e d o e d o m e t e r , t h ec o m p r e s s i o nc u r v e s ，a n dt h ec h a n g e si nw a t e rc o n t e n ta n dd e g r e eo f s a t u r a t i o nd u r i n gt h et e s t so nb e n t o n i t e s a n dm i x t u r eu n d e rc o n s t a n ts u c t i o na r e o b t a i n e d ；a n dap r e s s u r ep l a t ea n dt h ef i l t e rp a p e r sa r eu s e dt om e a s u r et h es u c t i o no f b e n t o n i t e - s a n dm i x t u r ef o ro b t a i n i n gi t ss o i l - w a t e rc h a r a c t e r i s t i cc u r v e ( s w c c ) i n t h es e c o n dk i n do ft e s t s ，t h ec h a n g ei nw a t e rc o n t e n t ，v o i dr a t i oa n dd e g r e eo f s a t u r a t i o nw e r eo b t a i n e dd u r i n gt h es u c t i o ne q u a l i z a t i o na n dc o m p r e s s i o ns t a g e s ，a n d 上海大学硕上学位论文 t h er e a s o no nt h ec h a n g et r e n di sa n a l y z e da n dd i s c u s s e d i na d d i t i o n ，h o wt or e d u c e t h ei n f l u e n c eo ft h ed i f f u s e da i ro nt h er e a d i n g so fw a t e rv o l u m ei si n v e s t i g a t e da n d t h er a t eo fa i rd i f f u s i o na b o u td i f f e r e n th i g ha i r e n t r yc e r a m i cd i s k si s g i v e na t d i f f e r e n tp e r c e n t a g e so ft h e i rr a t e dp r e s s u r e s t h er e s i d u a lw a t e rc o n t e n t ，t h ea i r e n t r yv a l u ea n dt h ew a t e re n t r yv a lu ea led e t e r m i n e df o rs a n d - b e n t o n i t em i x t u r e f r o mt h em e a s u r e ds w c c k e y w o r d s ：b e n t o n i t e ；s a n d b e n t o n i t em i x t u r e ；s u c t i o n ；s o i l - w a t e rc h a r a c t e r i s t i c ， c u r v e ；c o m p r e s s i o nc u r v e ；b u f f e rm a t e r i a l ；b a c k f i l lm a t e r i a l l 上海人学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：照刷乖签名：z 出：盘日期丝江旦 上海大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论弟一早三百了匕 伴随世界经济的高速发展，人们对能源的需求越来越大，而且经过1 0 0 多 年的发展，核电技术趋于成熟，世界核电进入了迅速发展的阶段。中同核电发 展起步于上世纪8 0 年代中期。经过多年的发展，国内现已建成了3 个核电基地： 浙江省的秦山核电基地，5 台核电机组；广东大亚湾核电基地，4 台核电机组； 江苏省田湾核电基地，8 台核电机组。同时，我同计划开发两个新的核电基地： 浙江省三门核电基地和广东省阳江核电基地。初步设想到2 0 2 0 年，我国核电发 电量占到总发电量的4 ，装机容量达3 6 0 0 万千瓦。核电优点也是核电发展的 另一个强劲推动力：核电仅需消耗很少的核燃料，就可以产生大量的电能；同 时核电是一种干净、无污染的能源。但伴随着核工业的发展，产生了大量的放 射性核废料。核废料是指在核电站运行中产生的含有放射性核素的废料。核废 料中放射性核素会对生物圈和人类造成极大的危害，如何安全处置这些毒性的 核废料己成为核工业进一步发展必须解决的棘手问题。核废料中高放废料的放 射性水平高、毒性大，因此高放废料的处置是核废料处理中最为晕要和复杂的 课题。 在研究高放废料的处置过程中，世界各国提出了许多方案，包括海洋处置、 冰川处置和太空处置等。目前同际上一致认同的是将高放废料深埋于稳定的地 层中( 5 0 0 1 0 0 0 m ) ，通常这种方法被称为核废料的深地质处置。我国对高放废料 处置，亦是采用这一方法。核废料的深埋通常采用多重屏障的方法，包括围岩 地质屏障，工程屏障和废物包装容器屏障。为能更有效阻滞核废料包装容器可 能泄漏的放射性物质向环境的迁移，需在围岩与废物包装器之间及运输核废料 的坑道内填充一种具有合适力学性能的缓冲材料和回填材料。p u s c h i l l 建议使用 压密钠基膨润土做缓冲回填材料。因压密钠基膨润土具有：( 1 ) 低渗透性；( 2 ) 高阳离子交换能力；( 3 ) 热传导系数较大；( 4 ) 力学强度较高等优点。为降低工程 造价和进一步改善缓冲回填材料的性能，学者开始研究了膨润土混合物的性 上海大学硕士学位论文 质。研究发现膨润土加砂可以提高膨润土的导热系数【2 】。我国对核废料深地质 埋藏的研究始于上个世纪8 0 年代末，随后对核废料深地质埋藏展开了全面的研 究1 3 - 6 1 ，并于2 0 0 3 年颁布了中华人民共和同放射性污染防治法，于2 0 0 6 年 颁布了高放废物地质处置研究开发规划指南。前一部法律中明确了我同对高 放废物和0 【放射性固体废物实行集中的深地质处置这一基本政策。 由于量测手段和理论水平的局限，通常把土当作水和固体的两相材料即饱 和土( s a t u r a t e ds o i l ) 来处理。随着量测手段的进步以及工程界的要求，近二、三 十年来，非饱和土力学( u n s a t u r a t e ds o i lm e c h a n i c s ) 的研究得到许多研究人员重 视，已有许多研究成果。为更好理解土体的应力、强度和变形问题，非饱和土 的本构关系被大量研究7 。10 1 。与饱和土的应力应变本构关系不同，非饱和土的 本构关系是指应力、水分和应变的关系。非饱和土中水分的变化会对变形产生 影响。 1 2 课题的提出 在高放废料深地质处置中，缓冲材料和回填材料是一道重要的工程屏障， 起着如下作用：充填核废料包装容器与围岩问的空隙和近场岩体中的裂隙或孔 隙；将核废料包装容器固定在一定的位置；缓冲罔岩压力对废料包装容器的影 响，阻止地下水进入废料包装容器及阻滞核素迁移等。由此可见，缓冲材料和 同填材料的水力和力学性质与高放废料安全处置息息相关。高放废料深地质处 置库施工完成后，在地下水侵入过程中，缓冲材料和回填材料需要抵御较大的 应力来维护处置库的稳定。为促使缓冲同填材料形成足够的膨胀力来抵御较大 外部应力，通常缓冲回填材料会被高压实处理。在深地质处置库中，缓冲材料 和回填材料位于废料包装容器和天然地质体之间，其受力近似为侧限状态，因 此研究缓冲材料和回填材料侧限状态下的变形问题具有十分重要的实际意义。 同时处置库施工完成后，地下水位的变化会引缓冲回填材料的饱和度、孔隙比、 吸力及应力等各项指标发生变化，周围应力场的变化会引起缓冲材料和回填材 料变形，因此，有必要对非饱和膨润土及其掺砂混合物的水力特性及力学性质 进行研究，弄清其水力特性和变形特性，为建立非饱和膨润土及其掺砂混合物 2 i 尚大学硕牛位论女 的水力和力学性质耦合的本构模型奠定堆础，同时也为高放废料深层地质处置 j 程的设计和施i 以及将来运营等j ，作提供有用的试验数据。 非饱和l 上的本构天系是指应力、水分与应变的关系。上t 1 一水分变化对1 的 变形宵i “i ：1 ) 山水分变化直接影响变形；2 ) 上中水分的变化引起上体强度的 变化和硬软的差异，从而影响变形。往非饱和上体本构笑系巾，含水量( 饱和度) 和吸力可以反映水分变化对变形的影响。由此j l 饱和土体的本构天系有以n 嘶 种形式：其，用饱和度( 或古水量) 的变化计算变形。因饱和度( 或含水量) 实际应用诎方便，i 一程师们更容易接受这类本构模型，比用吸力或其它变量更 易十推广：其二，将吸力作为力学量引入的本构模型。将吸力的引入可以利用 弹性模型或弹掣性模型中的现成假定，如加域与卸载时变形的差异、应变增量 的方向等，不需要补充其他假定，冈此更直接、更严格。因此，本次研究分别 将含水景和吸力作为控制量，对膨润上及其掺砂混合物侧限状态f 的变形特性 进行r 1 卅究。同时为更好酬究混台物的水力性质，本次研究还采用m 利叫、蚓的 试验方法对膨润l 掺砂混合物的上一水特缸曲线进行t 测量。 1 3 缓冲材料和回填材料的研究进展 图1 1 高放废料深地质处置斥示意图 上海大学硕i 学位论z 图1 - 2 高放废料深地质处置多重屏障示意图 许多田家计划采用深地质处置对高放射性桉废科( 简称高放废料) 进行处 理，深地质处置见图卜l 和图l _ 2 。从图1 1 和图1 - 2 知，高放废料的深地质处 置基十多蓐屏障概念，由废物体、废物包装容器和缓冲巾1 填材料组成的人1 屏 障和山岩石与土壤组成的天然屏障组成。大量研究表明，被放置十地f 环境中 的缓冲同填材料i 盘具有：小透水性，充填所有孔隙的膨胀能力、传热能力和对 人多数有毒放射性核桑的阻滞能力等。膨润土的丰要成分蒙脱石属于21 型结 构，是由层碡氧四面体史一层铝氧八面体组成，为三层构造，具有吸水膨胀等 能力。因此以蒙脱石为主要成分的膨润土及其混合物被选为缓冲回填材料。回 填和封闭地r 放射性废物处置库使用的膨润上及其掺砂混合物的性能，引起r 世界上小同研究机构( 瑞典s k b 、法同c e a 、由拿大a e c l 等) 广泛的研究。 核废料按照放射性水平的不同，通常可分为高放废料( h l w ) 、巾放废料( i l w ) 和低放废 3 ( l l w ) 。美国核管珲委员会州r c ) 于1 9 8 1 年把f 列核废料定义为高 放废料：小处理的乏燃料、乏燃料后处理第1 循环萃取的溶液、或随后苹取循 环的浓缩废物、高放废液的固化体。与低、巾放废料的隔离棚比，高放废物的 处置要求隔离时刚长( 大于1 0 0 0 0 拱至1 0 0 0 0 0 年) ，因此对其处置的埋藏深度较 大f 多在5 0 0 1 0 0 0 米) 。缓冲回填材料作为道重要的人工屏障，是高放废物 上海大学硕上学位论文 深地质处置长期安全性的有效保障。通常情况下，回填材料用来填埋运输坑道， 防止地下水通过坑道接近核废料。缓冲材料与回填材料的主要区别是膨润土与 其他骨材的配合比不同。口本相关部门根据大量试验，初步将缓冲材的配合 比定为7 ：3 ( 膨润土与其它骨材的质量比) ，回填材的配合比为3 ：7 ( 膨润上与其他 骨材的质量比) 。 1 3 1 缓冲材料和回填材料国内研究现状 我国自1 9 8 5 年开始缓冲回填材料的研究工作。随着国民经济发展，对缓 冲同填材料的科研投入不断加大，我同的缓冲回填材料的研究工作已取得阶段 性成果3 1 6 1 。缓冲回填材料作为深地质处置库中的工程屏障、水力学屏障等重 要作用，阻滞地下水的渗流的同时还起到维护处置库结构稳定及对辐射热具有 良好的热传导和扩散作用。针对缓冲回填材料在高放废物深地质处置中起到的 作用，国内学者做了下面的研究 - 作： 刘月妙和温志坚1 1 7 1 按照高放射性废物深地质处置库中缓冲材料的作用及 要求，针对8 个主要核同家采用的9 种蒙脱石类粘土的样品来源、矿物成分、主 要物理化学特征和热水力学性能进行分析研究。庄迎春【l8 1 等基于平板探针原 理，研究了砂和膨润土混合材料的导热性能。刘泉声和王志俭1 1 9 l 通过室内试验 初步研究了膨润土加砂混合物在不同的含水量、膨润土含量和干密度状态下的 膨胀性能，研究表明混合物的膨胀特性与干密度、膨润土含量和含水量有着密 切的关系。朱同平1 2 0 j 通过热导率测定仪得到了内蒙古高庙子膨润土的导热系数， 试验结果表明在相同的压实密度条件下，随着膨润土含水率的增加，导热系数 增加。刘月妙和陈璋如1 2 1 l 采用x 射线衍射分析、红外光谱分析、化学全分析、 x 射线荧光稀土元素分析等方法研究了内蒙古高庙子膨润土主要组成，并研究 了材料的基本物理性质、渗透性能、导热性能、核素吸附性能。钱丽鑫1 2 2 】通过 水汽平衡法和渗析法获取厂高庙子膨润土的持水曲线，并进行了高庙子膨润土 在侧限条件下的非饱和渗流试验和侧限渗透特性模拟分析，研究了压实高庙子 膨润土的相关性质。 上海大学硕上学位论文 1 3 2 缓冲材料和回填材料国外研究现状 自上世纪中叶，伴随着核工业的迅猛发展，产生的大量放射性核废物如何 安全处置引起各同政府的高度关注，并投入大量资金进行研究1 ：作。7 0 年代中 期，瑞典科学家们认为地下处置库中水的循环是不可避免的，从而引进了有效 的水工屏障体系，提出“在废物周围建立人工屏障，局部通过附加物理屏障来 增强封闭 的观点。人们开始研究工程屏障的材料，并取得了一些成果0 2 3 2 5 】。 目前膨润土是国际上使用最多的工程屏障材料，以下三种膨润土使用最为广泛： m x 8 0 ( 主要是钠基) ，产自美同怀饿明和南达科他州火i j i 岩粘土；f o c a ，法国巴 黎盆地沉积粘土；以及口本的为k u n i g e l v i ，它是由日本k u n i m i n e 公司生产的 钠基膨润土。本论文进行研究的膨润土材料即为k u n i g e l v 1 。同外学者对缓冲 回填材料的性能的研究工作： 1 ) c u i 等人1 2 6 j 通过对f o c a 的水化试验研究，认为目前膨胀性粘土的弹塑 性本构关系是不够准确的。结合自己的试验结果，在引入c s c ( c r i t i c a ls w e l l i n g c u r v e ) 线的基础上，提出了高压实膨润土非线性弹性模型。 2 ) h o f f m a n n 等人2 7 1 进行了控制吸力的一维固结试验和膨胀力测试等试验， 研究了膨润土混合物的水力力学性质。认为膨润土特有的双重孑l 隙结构是影响 膨润土混合物的水力力学耦合性质的重要因素。 1 3 3 膨润土的微观结构 膨润土是以蒙脱石为主要成分的粘土岩，其矿物学名称被称为“蒙脱石粘 土”。蒙脱石的结构和性质影响到膨润土的性质。本节从以下三个方面介绍膨润 土的微观结构，以便更好理解膨润土的宏观行为。 ( 1 ) 膨润土的基本结构 蒙脱石结构由2 层硅氧四面体( 见图1 - 3 ) 和1 层铝氢氧八面体( 见图1 4 ) 组成，其中铝氧氧八面体可能有铁或镁替换铝，属于2 ：l 型层状硅酸盐矿物。 在蒙脱石中，四面体的项氧指向结构层中央与八面体共用。作为单个粘土片的 蒙脱石只有几层，其特点是两层之问是以氧原子与氧原子以范德华力连接。但 连接力很小，水分子或其它极性分子容易进入晶胞，使晶胞距离增大。因此， 6 上海大学硕士学位论文 膨润土吸水后体积发牛膨胀，体积可增大数倍，脱水后则收缩。 硅氧四面体或铝氢氧八面体中的f e 2 、f e 扣、m g ：等会发牛等阳离子的同象 置换。当置换的阳离子为低价时，会由层l u 吸附阳离子补偿。阳离子被吸附可 以中和由于硅铝被低价离予替换( 四面体层或八面体层) 而形成的负电荷。此外， 晶体表面破坏的化学键也可以形成一些电荷，蒙脱石中部分三价铝离子被二价 镁离子取代就会在八面体层形成负电荷层，为保持电荷平衡，就会在四面体层 氧晶格面上有一价钠离子被吸附或在该层面上形成带正电荷的空穴。蒙脱石晶 层问的阳离子与晶体格架间形成电偶极子，加上蒙脱石晶层之问的弱范德华力， 相当量的水会被吸附存在于层问。蒙脱石晶格内阳离子置换这一构造特性决定 了蒙脱石的系列重要性质，如阳离子交换性、膨胀性、吸附性等。 o o缎硅 图1 3 硅氧四面体 oo 飘瓴 餐k 镁等 图1 - 4 铝氧八面体 ( 2 ) 膨润土中的孔隙 膨润土内部存在宏观上的开放型结构和微观的团粒或片状结构的双重结构 型式。在外力和水作用下泰现出明显的湿胀或湿缩和干缩等多重变形特性。天 7 海大学碗i 学位论立 然状态f ，膨润上是由无数微观团粒或”状体集结而成，微观团粒或片状体则 是由很多活性矿物颗粒集结而成，j i = 具有超紧密结构。颗粒叫的孔隙尺寸远远 小于宏观上团粒体或片状体之间的7 l 隙尺寸。通常外力只引起宏观孔隙变形， f 町对微观j l 隙影响不大。般情况下，微观团粒或片状体是饱和的，因此有效 应力原理在这里适用。膨润上叶1 的孔隙基本可分为三类，见图卜5 。膨润上中 的基本单元称为晶层，是由二层硅氧四血体央层铝氧八面体组成，晶体层问 的孔隙是膨润土中最小的孔隙：若干个晶层组成一个颗粒体，个颗粒体所包 含晶层的数量由上中吸力所决定，高吸力时晶层数可达到一百多个，低吸力时 也可分解为几个。若干个颗粒体聚集在一起组合成集合体，它们之间的孔隙称 为集合体内孔隙，该类孔隙大于晶层间的孔隙；集合体之间孔隙是膨润上中最 大的一娄孔隙，因此受应力和吸力的影响较大。通常，晶层间孔隙和集合体内 孔隙被统称为小孔，集合体问孔隙被称为大孔。 辩的孔睬 第台辟黪韵罪簿 撬曹俸内绚扎燕 图】- 5 膨润土中的孔隙示意图 1 4 本文研究的内容 本次研究利用可控制吸力技术，分别对k u n i g e l v i 钠基膨润上及其掺砂混 合物的水力和力学性质进行了研究。史章内容安排如下： 第章阐述了课题研究的来源、目的、意义。弗对缓冲材料和同填材料的 同内外研究现状做了简单介绢。 第：章采用能测量侧向应力的爪缩仪进行r 小同初始密度和含水量的非饱 和膨润上的压缩试验，研究膨润上在侧限条件r 竖向荷载作用引起的变形及侧 上海火学硕士学位论文 向应力的变化规律。 第三章介绍了非饱和土固结仪的用法，并对k u n i g e l v i 钠基膨润土掺砂混 合物常吸力下的压缩变形进行了研究。另外，对非饱和土试验中遇到的冲刷问 题进行了讨论。 第四章首先介绍了非饱和土的土水特征曲线，采用两种试验方法( 压力板 法和滤纸法) 对膨润土掺砂混合物的低吸力段和高吸力段分别进行了量测，并分 析了混合物常在吸力压缩过程，混合物的含水量和饱和度的变化。 第五章t 要对全文做了总结，并对今后的工作进行了展望。 9 l 二海人学硕上学位论文 第二章侧限状态下非饱和膨润土常含水量下的压 缩变形特性 2 1 引言 经过多年的研究，对于高水平放射性核废料( 高放废物) 的最终处置，普遍 接受的可行性方案是深层地质处置，即将高放废物埋在距地表深约5 0 0 1 0 0 0 m 的地质体中，使其与人类生存环境充分、彻底、可靠地隔离。膨润土由于具有 较高的膨胀性、极低的渗透性和优良的核素吸附等性能而被世界各国选作缓冲 材料和同填材料的基质材料。缓冲材料和回填材料，是高放废物深地质处置系 统中一道重要的工程屏障，对高放废物处置的长期安全性起着十分重要的防护 作用。高放废料的深地质处置中，缓冲材料和回填材料位于废物包装容器和天 然地质体之问，近似等于侧限状态；同时缓冲材料和回填材料一般被高压实处 理；且地下水位在高放废料深地质处置库施工完成后的变化会引起缓冲材料和 回填材料的饱和度、孔隙比、吸力及应力等各项指标发生变化，因此，有必要 对侧限、高压实状态下非饱和膨润土的变形特性和水力特性进行研究，为建立 非饱和膨润土及其掺砂混合物的水力和力学性质耦合的本构模型奠定基础，同 时也为高放废料深地质处置工程的设计和施工以及将来运营等工作提供有用的 试验数据。 国内外许多学者在膨胀土的力学性质方面做了大量的有意义的研究2 8 。5 1 。 詹良通和吴宏伟利1 3 6 1 用三套新研制的双压力室非饱和土三轴仪，进行一系列吸 湿试验、等吸力压缩固结试验和等吸力剪切试验，表明吸力对土体具有硬化作 用。缪林昌1 37 j 等通过不同干密度、不同吸力的非饱和重颦膨胀土的三轴剪切试 验，研究分析了重颦膨胀土的应力应变硬化与软化和体变剪缩剪胀特性与土样 内部的孔隙孔径大小及孔隙间的连通性的相关性。徐永福1 3 8 l 等采用改装可测吸 力的三轴仪，研究了宁夏膨胀土的变形性质和强度特性，试验结果表明，吸力 决定了土样的变形行为，并影响了土样的强度。k o m i n e l 3 9 1 等对膨润土的膨胀变 形特性进行了试验研究。a l o n s o l 4 0 j 等在已有的本构关系基础上，考虑到膨胀土 1 0 饰大学w 学位沧z 的双蕈孔隙结构特点，提r 膨胀土的本构模型。 与饱和土的变形主要受应力影响小同，非饱和上的变形除了受戍力影响外， 还与卜体巾的水分相天。存非饱和i 体巾，饱和1 度或含水量与吸力均能反映水 分的变化对上体变形的影响。但山于吸力显测面临的实际困难，许多学者倾向 于用含水量或饱和度的变化计算土体的变形。吸力的概念源于上壤学，但早期 土壤水的迁移问题常用含水量作为基本变量进行分析的h ”。用含水量作为变量 计算上体的变形，已有了些研究成果1 4 2 - 4 3j 。学者对膨润上的变形特性进行r 大量的研究，然而绝大多数的试验成果在常规压缩固结仪获得。存常规的爪缩 仪中，试样的侧向应力是未知的，且没有控制或量测吸力，因此无法完全定义 试样的心力状态。本章采用能测量侧向麻力的静止侧压力系数固结仪，研究了 非饱和膨润土在侧限条件r 竖向荷载作用引起的变形，并研究r 含水量不变的 情况r ，非饱和膨润土侧限状态f 的变形特性。比较了压缩过程，含水量丰n 同、 初始密度4 ：削试样的压缩曲线及卸载、加载曲线。同时比较分析r 压缩过程水 ，f 侧限心力与竖向总应力的关系。 2 2 静止侧压力系数固结仪 图2 - l 静止侧压力系数固结仪 试验所用静止侧压力系数圈结试验仪如图2 - l 所示。该仪器的侧向压力测 上海人学硕士学位论文 定腔用橡皮膜与土样隔开，从而避免非饱和土试验过程中试验土体吸水饱和， 造成试验失败。试验前应保证所用橡皮膜是完整、未被损坏，以避免试验过程 中橡皮膜漏水，影响试验结果。膜内充满脱气水，由压力传感器测定侧向压力。 竖向压力的施加是通过杠杆原理用砝码来实现的，杠杆比例为l ：1 0 。试样竖向 位移的变化通过安装在仪器顶部的位移计测得。试验仪器与能够测量侧向应力 的数据采集仪相连，试验过程中能够准确的测得侧向压力与试样的竖向变形。 2 3 试验概况 2 3 1 试验土样 衍射角度2 e ( o ) 图2 - 2 月布钠型膨润土的x 射线衍射图 试验所用的膨润土是k u n i g e l v 1 n a b e n t o n i t e 钠基膨润土，是目前国际上 常用膨润土之一，产于日本。图2 - 2 为k u n i g e l v 1 - n a b e n t o n i t e 钠基膨润土的 x 衍射图。膨润土的主要矿物成分为蒙脱石、石英、方解石、长石等。膨润土 具有极为活泼的阳离子交换性，为j ，避免试验用水与试样发生离子交换影响试 验结果，试验采用蒸馏水。表2 1 列出膨润土物理指标。 1 2 i ：海大学硕士学位论文 表2 - 1k u n i g e l - v 1 膨润土的基本物理指标 类型 指标 颗粒密度g s ( m g m 3 ) 液限耽( ) 塑限( ) 塑性指数加 活度彳 粘土( 2 u m ) 含量( ) 蒙脱石含量c m ( ) 阳离子交换量( m e q g ) n a + 交换量( m e q g ) c a 2 + 交换量( m e q g ) 2 3 2 试验方法 试验步骤有调土、制样、装样、加载四个过程。 调土：首先用喷雾器将脱气蒸馏水均匀地喷撤在膨润土粉末上( 膨润上的初 始含水量w 。= 1 0 ) ，使土样达到目标含水量w ，调制过程中充分搅拌上样，避 免产生结块现象。将调好的土样密封放置2 4 小时以上，使土样含水量均匀。 制样：在环刀( 环刀内环截面面积3 0c m 2 , 高度4c m ) 上固定内径相同的圆箍) 高度为1c m ) 形成组合体。将调好的土样分4 层先后填入该组合体内逐层击实， 每层土样重量大致相等，每层击实次数也相同( 击实次数取决于试验所需的初始 孔隙l l e 。) 。取下圆箍，用切土刀切除高出环刀部分的土样、整平，制成截面积 为3 0c m 2 ，高为4c m 的圆柱体试样。在击实试样前，应取部分土样量测试样的 含水量。 装样：在试样上下两端放置透气彳i 透水的膜，以防止试验过程中试样因蒸 发导致含水量发生变化，影响试验结果。调整杠杆平衡，将试样装入加压容器 内，调节侧向水压力，使其等于外部大气压( 尸口) ，此时将数据采集仪上侧向压 力显示的数值置0 ，作为试验初始状态。 力 如 m 仍 鸲 ” 略 碰 埘 拼 柳 一 姗 一 锄 川 铝 啾 蝴 蝴 上海大学硕士学位论文 加载：对试样施加1 2 5 k p a 的竖向应力( 根据杠杆比及试样的面积，换算出 砝码质量) ，待试样压缩变形稳定后( 竖向位移变化，由竖向位移计测得) ，测定 试样在该级竖向荷载作用下产生的侧向应力6 。与竖向位移，两者稳定后，即可 施加下一级竖向荷载。 本次研究共进行了五次膨润土击实样的压缩同弹试验，试验中竖向荷载应 力路径分别为：n o 1 为竖向应力逐渐加载至5 5 0 k p a ，卸载至2 0 0 k p a ，然后再 加载至9 0 0 k p a ；n o 2 、n o 3 试验为加载试验，最大竖向应力分别为9 0 0 k p a 、 1 0 0 0 k p a ；n o 4 试验中竖向应力逐渐加载至7 0 0 k p a ，然后卸载至2 5 k p a ；n o 5 试验巾竖向应力逐渐加载至8 0 0 k p a ，卸载至1 0 0 k p a ，然后加载至1 0 0 0 k p a 。试 验初始及结束后试样的物理参数指标详见表2 - 2 。 表2 - 2 初始及实验结束后试样的含水量、孔隙比及饱和度 n o 1n o 2n o 3n o 4n o 5 初 含水量w 反) 1 9 31 9 21 8 32 9 7 2 8 6 始 状 孔隙比e d 2 0 61 6 l1 4 2 2 1 11 3 8 态 饱和度s o ( ) 2 6 03 3 23 4 33 9 25 8 0 含水量以) 1 8 91 8 61 7 42 8 32 7 2 最 终 孑l 隙比e f 1 1 71 2 31 1 4 1 0 20 9 2 状 态 饱和度s 矿( ) 4 2 54 4 o4 3 57 7 58 1 4 2 4 试验结果与讨论 由表2 - 2 可知，n o 1 、n o 2 、n o 3 试样初始含水量相近，初始干密度依次 升高；n o 4 、n o 5 试样初始含水量相近，5 号试样的干密度大于4 号试样的干 密度。试验过程中，试样上下两端均放置透气4 透水的膜，防止水分在试验过 程蒸发。如表2 - 2 所示，试验前后试样的含水量相近，表明试样在试验过程中 含水量基本不变，达到试验控制含水量不变来研究非饱和膨润土变形特性的目 的。以下给出试验结果并进行分析。 1 4 上海大学硕上学位论文 图2 - 3 试样的p - l o g o 。曲线( 省略中间卸载过程) 图2 - 4 n o 1 、n o 4 和n o 5 试样的p - l o g o 。曲线 2 4 1 试验过程中膨润土的压缩曲线比较 图2 - 3 为五次试验的p - l o g o 。曲线( 省略中间卸载过程) ；图2 - 4 是n o 1 、 n o 4 和n o 5 含有卸载过程的三次试验完整的p - l o g o 。曲线图。分析图2 - 3 和图 上海大学硕上学位论文 2 - 4 ，可得到以下结论： 1 ) 试样在压缩过程中，产生了由弹性状态向弹塑性状态的过渡，折点后 p - l o g c r 。曲线的斜率( 即压缩指数c c ) 明显大于折点前的斜率( 即膨胀指 数c s ) 。对于具有相同初始含水量的试验，p - i o g c y 。曲线产生折点的竖向应 力( 屈服应力) 随初始干密度的提高而增大，如图2 - 3 中，n o 1 、n o 2 、 n o 3 试样初始含水量相近，初始干密度依次升高，压缩试验过程中由弹性 状态到弹颦性状态过渡折点处的竖向应力逐渐增加，依次分别约为 10 0 k p a 、2 0 0 k p a 和3 0 0 k p a ：n o 4 和n o 5 试样初始含水量相近，n o 4 的 初始干密度比的要小，而n o 4 的屈服应力亦小于n o 5 屈服应力，两者的 屈服应力依次约为8 0 k p a 和2 0 0 k p a ； 2 ) n o 1 、n o 4 和n o 5 试验都经历了卸载过程，卸载时p - l o g c r 、，曲线的斜率( 即 膨胀指数c s ) 的数值大致相等。即卸载时p - l o g o 。曲线的斜率与试样的初 始含水量或饱和度以及初始密度关系不大。卸载时曲线的斜率数值约为 0 0 2 7 ； 3 ) n o 1 、n o 2 、n o 3 试样初始含水量分别为1 9 3 、1 9 2 和1 8 3 ，可认 为具有相同的初始含水量，n o 4 、n o 5 的初始含水量为2 9 7 、2 8 6 ， 也可认为具有相同的初始含水量。由图2 3 可见，对于初始含水量相同的 试验，在高应力范嗣，其p 1 0 9 c r 。曲线非常接近。也就是说，在高应力范 围的压缩曲线，与试样的初始密度关系不大，而主要取决于试样的含水量 ( 实验过程，试样的含水量保持不变) 。 由表2 2 可知，n o 1 、n o 2 和n o 3 试样最终的饱和度接近，说明试样的吸 力亦非常接近，同样，n o 4 和n o 5 试样最终的饱和度接近，试样的吸力亦可 认为较为接近。a l o n s o 等假定在等吸力条件f ，土体孔隙比与应力的关系可表 示为直线4 4 1 。因此，在较高的竖向应力范围，相同含水量的击实膨润上试样吸 力趋于相等，相应的p 1 0 9 6 。曲线也趋于一致。同时，在较高的竖向应力范围， 含水量较小一组( n o 1 、n o 2 和n o 3 ) 的p - i o g c y 。直线的斜率小于含水量较大一 1 6 上海大学硕士学位论文 组( n o 4 和n o 5 ) 的p - l o g o 。直线的斜率，即含水量较小的试样刚度要大于含水 量较大的试样。这主要是因为含水量较小，饱和度较低，相应的土样的吸力较 高，在相同的竖向荷载作用下，土样较不容易发生竖向压缩变形，试样的刚度 较大。 2 4 2 压缩过程水平例向力与竖向总应力关系 图2 - 5 试验过程1 3 。- o 。关系曲线( 省略卸载过程) 图2 - 6n o 1 试验6 。一6 ，关系曲线 1 7 上海人学硕士学位论文 图2 - 5 是五次试验得到的水平侧向总应力( o 。) 与竖向总应力( g ，) 关系图( 省 略中间卸载过程) ，图2 - 6 为n o 1 试验完整的6 。6 。图。图2 - 5 中，同样的o 。值 下，初始含水量高的试样，其水平应力相应也较高。尤其在加载后期，同样的o 。 值下，含水量较高的一组( n o 4 和n o 5 ) 的水平应力明显大于含水量较小一组 ( n o 1 、n o 2 和n o 3 ) 的水平应力。且在含水量较高的n o 4 和n o 5 这一组中， 含水量略高的n o 4 试样的水平应力大于n o 5 的水平应力，同一现象亦可在含 水量较小一组( n o 1 、n o 2 和n o 3 ) 中发现。产生这种现象的原因是试样含水量 较高，所以相应吸力较小，在竖向力作用下，较易产生竖向变形，从而水平应 力会相应变大。 图2 - 6 中，同样的o ，值下，卸载过程时的o 。值l i q j l l 载过程的要大，再加载 过程时的6 。值比卸载过程的要小，而比加载过程的要大。这是因为，通过对图 2 3 和图2 _ 4 分析发现，图2 - 6 中卸载点对应的试样已发生了屈服，即试样发生 了塑性变形。因此同样的a 。值下卸载过程对应试样的体应变大于加载过程的体 应变，从而卸载过程和再加载过程对应的水平应力大于加载过程的水平应力。 而同样的仉值下卸载过程对应水平应力大于再加载过程的水平应力是因为：在 冉加载的过程中对应土体密度要大于卸载过程对应的上体密度，其土体刚度要 大于卸