水—土化學(xué)力學(xué)耦合作用研究進(jìn)展

楊國(guó)寶

摘 要：巖土介質(zhì)的水-土化學(xué)力學(xué)耦合作用問(wèn)題是一些重大工程實(shí)踐中所必須解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。文章分別從定性研究、定量研究以及本構(gòu)關(guān)系模型三個(gè)方面闡述這一方向的研究現(xiàn)狀。經(jīng)歸納總結(jié)：目前對(duì)有關(guān)水-土化學(xué)力學(xué)耦合作用的機(jī)理認(rèn)識(shí)還存在一定的局限性；所建立的能考慮粒間物理化學(xué)作用力的有效應(yīng)力公式不能充分考慮孔隙約束、顆粒表面吸附等巖土介質(zhì)所特有的性質(zhì)；基于此建立的本構(gòu)關(guān)系模型在描述化學(xué)作用等環(huán)境荷載作用下巖土介質(zhì)的本構(gòu)行為特征也存在明顯的不足。

關(guān)鍵詞：巖土介質(zhì)；水化學(xué)環(huán)境；水-土化學(xué)作用

1 概述

無(wú)論是自然沉積或是人工堆填的巖土介質(zhì)都是由多種組份構(gòu)成的，而且這種介質(zhì)的固體骨架通常帶有剩余的電荷（即具有電性）。例如，對(duì)飽和粘性土，其骨架由不同的帶電礦物成份構(gòu)成，當(dāng)它與土中水充分接觸時(shí)，由于黏土顆粒與水分子均存在不平衡的電荷分布，加之土體孔隙水中包含著各種離子，使得在黏粒-水-電系統(tǒng)間存在顯著的相互作用力[1，2]。在溫度變化、化學(xué)作用等環(huán)境荷載作用下，作為一種多相多組份孔隙材料的巖土介質(zhì)表現(xiàn)出極為復(fù)雜的化學(xué)-力學(xué)耦合效應(yīng)及工程力學(xué)行為。

例如，濱海地區(qū)因過(guò)度開(kāi)采地下水，打破了咸淡水之間的平衡，引起海水倒灌，導(dǎo)致城市地面下沉；水庫(kù)蓄水水位周期變化，引起庫(kù)岸滑坡；垃圾填埋場(chǎng)中溶質(zhì)遷移引起防護(hù)層的失效，導(dǎo)致二次污染等。因此，巖土體化學(xué)-力學(xué)耦合作用及其機(jī)理研究是近年來(lái)國(guó)際巖土工程領(lǐng)域探索的一個(gè)熱點(diǎn)。

2 研究進(jìn)展

2.1 定性研究階段

因一系列的環(huán)境問(wèn)題引發(fā)了接連不斷的工程問(wèn)題，迫使國(guó)內(nèi)外學(xué)者們從20世紀(jì)40年代初就開(kāi)展了關(guān)于孔隙水化學(xué)環(huán)境變化對(duì)黏性土的化學(xué)-力學(xué)行為特性影響的研究[3，4]。主要針對(duì)以膨潤(rùn)土和高嶺土為研究對(duì)象，開(kāi)展了一系列孔隙溶液為無(wú)機(jī)鹽、酸和堿以及有機(jī)溶劑的液塑限、自由沉降、變形和強(qiáng)度等試驗(yàn)研究。研究分析發(fā)現(xiàn)，水化學(xué)環(huán)境發(fā)生改變的情況下，黏性土內(nèi)部組織物理化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)組成由于水化學(xué)作用而產(chǎn)生變化，從而引起黏土宏觀物理力學(xué)特性的改變。

首先在土體的持水性方面，黏土礦物和空隙溶液相互作用后，因黏粒的選擇性吸附，或表面分子自身的解離以及同晶替代作用，通常使黏粒表面吸附離子而帶負(fù)電，進(jìn)而在其周圍形成電場(chǎng)，在靜電引力的作用下，吸附空隙溶液中的水分子偶極子、陽(yáng)離子聚集在其周圍，形成雙電層，如圖1所示[1]。當(dāng)外界條件的變化，如溶液成分、濃度、pH值等變化，從而改變了雙電層的性狀，最終導(dǎo)致土體持水性的改變。

水-土化學(xué)作用對(duì)土體力學(xué)特性的影響，主要包括變形和強(qiáng)度方面兩個(gè)方面。其作用機(jī)制，從微觀層面來(lái)看，主要是孔隙溶液成分變化使得顆粒間物理化學(xué)作用力發(fā)生了改變，進(jìn)而使顆粒發(fā)生了重排。例如，當(dāng)孔隙溶液濃度較低時(shí)，片狀礦物顆粒間表現(xiàn)為凈斥力，形成排列無(wú)規(guī)律的F-F分散結(jié)構(gòu)。隨孔隙溶液濃度的增加，粒間凈引力增大，片狀顆粒相互吸引，發(fā)生絮凝，形成以E-E接觸方式的絮凝結(jié)構(gòu)，隨濃度繼續(xù)增加，最終過(guò)度到E-F絮凝結(jié)構(gòu)。

從宏觀層面來(lái)看，是由于有效應(yīng)力發(fā)生了改變。基于Terzaghi提出的有效應(yīng)力原理

提出了能考慮粒間電化學(xué)作用力的有效應(yīng)力公式[2]

式中：A是顆粒間的吸引力；是顆粒間的排斥力。R通過(guò)式（2）可知，隨孔隙溶液濃度增加，顆粒間吸引力增強(qiáng)，排斥力減小，促使有效應(yīng)力增強(qiáng)，進(jìn)而宏觀上表現(xiàn)為隨孔隙溶液濃度增加變形量增加，強(qiáng)度有所提高。

2.2 定量研究階段

為滿足實(shí)際工程需要，光是定性研究是不夠的，勢(shì)必要求進(jìn)行定量化研究。這實(shí)際就是回答式（2）中的A-R具體用什么來(lái)描述。一些學(xué)者[5]引入了滲透壓力？仔來(lái)表示，其計(jì)算公式如下

需要指出的是，式（3）在進(jìn)行定量化研究進(jìn)程中，具有一定進(jìn)步意義，但也存在一定的局限性。因?yàn)榈ㄟ^(guò)式（4）計(jì)算而得到的滲透壓力，是未充分考慮孔隙約束、顆粒表面吸附等巖土介質(zhì)所特有的性質(zhì)。

2.3本構(gòu)關(guān)系模型

Homan和Shao[6]針對(duì)不同水化學(xué)溶液飽和情況下的白堊巖，開(kāi)展了應(yīng)力式三軸剪切試驗(yàn)，并基于試驗(yàn)結(jié)果，在彈塑性框架內(nèi)利用雙屈服面模型來(lái)描述白堊巖的化學(xué)力學(xué)行為。受上述建立的能考慮水化學(xué)環(huán)境變化下水-土化學(xué)力學(xué)耦合作用本構(gòu)關(guān)系模型的啟發(fā)，后續(xù)一大批本構(gòu)關(guān)系模型被建立。

值得說(shuō)明的是，這些模型只是基于特定背景下根據(jù)零散試驗(yàn)結(jié)論而建立的，同時(shí)又鑒于建模時(shí)所采用的考慮粒間電化學(xué)作用力的有效應(yīng)力公式是在原有的經(jīng)典土力學(xué)理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行了物理化學(xué)作用效應(yīng)的擴(kuò)展，對(duì)傳統(tǒng)的有效應(yīng)力進(jìn)行了修正而得的。但因式（3）的局限性，故這些本構(gòu)模型目前還不能充分地考慮化學(xué)-力學(xué)相互耦合作用效應(yīng)。這充分說(shuō)明，在建立能有效考慮化學(xué)-力學(xué)相互作用效應(yīng)的理論框架，這方面還有很長(zhǎng)的一段路要走。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文立足于水-土化學(xué)力學(xué)耦合作用所引起的環(huán)境巖土工程問(wèn)題，分別從定性研究、定量研究以及本構(gòu)關(guān)系模型建立三個(gè)方面闡述了水化學(xué)環(huán)境變化下水-土化學(xué)力學(xué)耦合作用問(wèn)題的研究現(xiàn)狀。經(jīng)總結(jié)歸納發(fā)現(xiàn)，目前對(duì)有關(guān)水-土化學(xué)力學(xué)耦合作用的機(jī)理認(rèn)識(shí)存在一定的局限性；對(duì)傳統(tǒng)的經(jīng)典土力學(xué)理論進(jìn)行了物理化學(xué)作用效應(yīng)的擴(kuò)展，所建立的能考慮粒間物理化學(xué)作用力的有效應(yīng)力公式不能充分考慮孔隙約束、顆粒表面吸附等巖土介質(zhì)所特有的性質(zhì)；基于此建立的本構(gòu)關(guān)系模型在描述化學(xué)作用等環(huán)境荷載作用下巖土介質(zhì)的本構(gòu)行為特征也存在明顯的不足。故有關(guān)水-土化學(xué)力學(xué)耦合作用研究目前還處于研究的初始階段，為達(dá)到服務(wù)工程實(shí)踐的目標(biāo)，還需要有很長(zhǎng)的一段路要走。

參考文獻(xiàn)

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