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膨胀土膨胀机理及细观膨胀模型研究

贾景超  
【摘要】: 目前对膨胀土宏观膨胀特性的试验、理论和数值研究都较常见,但是对于膨胀土的细观膨胀机理并没有较深入系统的研究,在运用描述膨胀机理的模型时还存在一些不当之处,因此在当前相关学科研究基础上更系统客观地揭示膨胀土的膨胀机理是本文的一项主要研究内容;另一方面,在掌握膨胀土的细观膨胀机理之后,如何通过适当的方法将细观膨胀计算结果转化至宏观尺度是本文的另一研究重点。主要研究内容包括以下几个方面: 1.建立了晶层膨胀模型来描述蒙脱石矿物晶层间晶层膨胀(或短程膨胀)。模型包括:阳离子水合力、晶层表面水合力、晶层间静电斥力、渗透压力等四种斥力,以及阳离子对晶层的引力、范德华力等两种引力。基于静电场的基本理论导出了阳离子对晶层引力的表达式,以及晶层之间的静电斥力表达式;根据电荷守恒原理,由晶层表面电荷密度导出了晶层间离子浓度,进而建立了渗透压力表达式;根据MSA方程重新推导了阳离子水合力以及晶层表面水合力。利用此模型对影响晶层膨胀的几个因素:晶层表面电荷密度、晶层内部电荷位置、层间阳离子大小、溶液浓度进行了分析,理论结果与试验结果一致,从而说明该模型在短程膨胀阶段运用是合理的。 2.探讨了Gouy-Chapman双电层模型在蒙脱石矿物晶层长程膨胀阶段的适用性。首先对Gouy-Chapman模型与其几种简化模型进行了比较,结果表明,恒电势条件下的简化模型与原模型最接近,其他模型都有各自的使用条件;发展了蒸馏水环境下的Gouy-Chapman双电层模型;用Gouy-Chapman模型对晶层间的长程膨胀力试验数据进行拟合,虽然理论值与试验值接近,但Gouy-Chapman模型不能解释晶层表面Stern层的存在,所以只用双电层理论描述长程膨胀并不符合实际。 3.研究了蒙脱石晶层长程膨胀的机理并建立了长程膨胀模型。计算结果表明,Gouy-Chapman-Stern-Grahame(GCSG)模型能够解释由于阳离子吸附产生的Stern层的存在,基于此模型建立了GCSG双电层斥力模型,但与试验结果对比表明,长程阶段的膨胀力中双电层力只占一小部分,甚至微不足道,起主要作用的是水合力。本文认为,此阶段的水合力是由于表面电荷形成的电场致使氢键破坏导致自由能增大而产生的,而决定水合力大小的是扩散层表面电荷产生电场的电场强度和晶层间距的比值,将此比值定义为准自由能增量线密度,水合力与此比值在双对数坐标系中呈线性关系,将水合力线性关系式、GCSG双电层斥力模型以及范得华力结合建立了长程膨胀模型。该模型计算结果与试验值基本吻合,证明了所建模型的正确性,进而证明本文提出的准自由能增量线密度决定水合力大小这一假设是合理的。 4.建立了细观膨胀模型。基于复合材料细观力学基本原理,将取向相同的颗粒看作同一相材料,引入指数型概率密度函数描述颗粒取向分布,由此建立的细观膨胀模型能够将晶层间产生的膨胀力转化为宏观土体的膨胀力,并且可以计算得到侧向膨胀力;对于膨胀应变试验,将膨胀变形稳定时的状态作为研究对象,选取干密度描述此时的状态,从而将膨胀应变转化为干密度的函数,进而从膨胀压力的角度建立了简化膨胀应变模型;并基于这种思想建立了一维和二维的细观膨胀本构模型,利用两种模型对金尼克条件进行了验证。 5.探讨了溶液浓度对膨胀土膨胀特性的影响。试验研究了溶液浓度对膨胀力以及膨胀应变的影响,重点探讨了当制样所用溶液浓度不同于浸泡试样的溶液浓度时,对膨胀特性的影响。


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