澳门新匍京客户端下载:武汉岩土所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。

在岩土介质的多相多场耦合问题中,研究最多的是THM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。

在北海油田,白垩岩是一种主要的石油储集层。石油被开采之后,孔隙压力降低,导致储油层压缩。为了阻止沉降,将海水注入储油层恢复孔隙压力,但是这种方法反而使得海底沉降进一步加剧。通过室内试验发现,白垩岩的强度与饱和流体的性质有较大的关系,油饱和的白垩岩比水饱和的白垩岩强度高很多。目前最流行的做法是考虑毛细作用,将非饱和土的方法应用在白垩岩中。但是试验证明将油换成乙二醇和甲醇时,同样会增大白垩岩的强度,这两种流体均与水混溶,不存在毛细作用,所以毛细效应并不能完全解释这种行为。

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。

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。

中国科学院武汉岩土力学研究所土动力学组研究员韦昌富及其研究团队提出了一个考虑微观物理化学作用力的白垩岩的本构模型,充分解释了白垩岩的化学流体敏感性。该模型考虑了两种水弱化机理:毛细作用、白垩岩和饱和流体之间的物理化学作用。模型采用修正剑桥模型为基础,以粒间应力作为本构变量。该粒间应力是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。为了考虑白垩岩和孔隙流体的相互作用,引入粒间压力作为额外的硬化变量来表示微观的物理化学作用力对前期屈服应力的硬化作用。通过对试验数据进行模拟,证明了该模型可以采用同一套参数来模拟不同流体饱和的白垩岩的化学-力学耦合特性。

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。

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。

上述工作发表在Géotechnique杂志上,得到国家自然科学基金青年基金及面上项目的资助。

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