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饱和蒙脱土高压力学特性基本机制多尺度研究

作　者: 况联飞
导　师: 周国庆
学　校: 中国矿业大学
专　业: 岩土工程
关键词: 蒙脱土力学特性机制分子模拟耗散粒子动力学扩散双电层
分类号: TU43
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

深部矿井建设及深地质核废料埋藏工程对饱和粘土在高压条件下的力学特性研究提出了新的要求，已有研究成果对该特性进行了表观披露，但未就其控制机理作出合理解释。同时，粘土结构的多阶性决定了从单一尺度条件下对其特性进行描述将存在偏缺。为此，本文围绕饱和粘土（蒙脱土）高压力学特性的基本机制展开了微观、介观和宏观多尺度层面上的系统研究。首先，采用分子动力学方法对钠、钙和铯三种水化蒙脱石体系在常温常压以及埋深温压条件下的微观结构和力学特性进行了模拟。模拟定量刻画出了土中结合水的原子分子层次上的赋存状态和活动特性，结果显示结合水的聚合程度明显高于自由水，同时离子的水化配位也要大于相应的体相溶液数值，且不同离子间差异明显。进一步考察埋深温压条件下的结合水特性得出，2km埋深条件下层间结合水的结构与常温常压差别很小，且其主要影响因素为温度。在此基础上，模拟还定量获得了水化蒙脱石体系的刚度矩阵，其纳观力学特性表现为垂直矿物平面方向上的拉压强度明显低于矿物平面内的成键连结强度，呈明显的各向异性。同时，层间结合水具有一定的抗剪强度，进一步的剪切模拟则揭露出该抗剪强度发挥的根源在于结合水的粘度远远高于自由水溶液。该系列的研究全面给出了结合水的最底层面描述，同时不同离子的水化差异揭露为宏观不同粘土的高压力学特性差异解释奠定了基础。其次，采用耗散粒子动力学手段对水化蒙脱石体系在实际单一晶片物理尺度条件下的介观结构和力学响应进行了模拟。通过非键结合能实现了微观分子模拟与介观尺度的递阶关联，同时增大蒙脱石珠子数目并作固壁冻结处理的策略使得耗散粒子动力学模拟在土-水体系中得到了首次成功应用。介观模拟结果表明，78.4%含水量蒙脱石中水的结构虽略异于自由水，但其扩散系数和粘度活动性参数均表明该条件下的水主要表现为自由水特性。而介观K0压缩模拟则得出，随着垂直矿物平面应变的增大，竖向应力呈非线性抛物线增大，侧向应力则为线性增大，由此使得介观K0非线性。再次，基于水化斥力考虑，改进了传统扩散双电层理论并对饱和粘土的高压压缩特性进行了宏观理论分析。改进理论考虑了介电饱和及离子体积排斥效应，其计算获得的颗粒板间介电系数变化较其他模型均更为光滑合理，且小间距条件下的板间电势要高于传统双电层理论，即对应为短程水化斥力的发挥。而对范德华力的定量计算结果则得出高压压缩必须考虑板间引力作用。为此，综合引、斥力定量计算结果获得了粘土高压压缩理论e~logP曲线，同时一并分析其压缩性的各因素影响。最后，基于微、介观模拟及宏观理论对饱和蒙脱土高压压缩和剪切的基本机制进行了综合分析。结果显示附加考虑水化斥力的改进理论能够很好地描述饱和蒙脱土高压压缩的双折线试验结果，其定量计算数值得出40MPa压力范围内蒙脱土层间将部分脱水，但又不至于完全脱附。而基于微观分子模拟和介观模拟获得了自由水向结合水转化的板间距对应数值，进一步按宏观理论得到的该板间距范围内的压力大小与试验e~logP曲线拐弯压力能够很好地吻合，从而揭露出饱和蒙脱土高压压缩的颗粒板间距将朝基本晶层距发展，排出水的特性将由自由水向结合水过渡，也即控制饱和蒙脱土高压压缩的基本机制在于土中结合水的部分脱附，而不同离子蒙脱土的高压压缩性差异则在于离子的水化能不同。而对于高压剪切的基本机制则认为随着压力的增大存在矿物间摩擦向层间结合水抗剪转化的过程，并据此解释了深土高压直剪测定的内摩擦角在高压条件下要小于低压约9左右的试验事实。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-7
Abstract  7-9
Extended Abstract  9-13
目录  13-18
图清单  18-23
表清单  23-25
变量注释表  25-27
1 绪论  27-55
  1.1 课题研究背景  27-28
  1.2 研究目的及意义  28-29
  1.3 国内外研究现状  29-53
    1.3.1 深土物理力学特性  29-34
    1.3.2 膨润土高压力学特性  34-42
    1.3.3 Non-DLVO 微观结构力  42-45
    1.3.4 分子动力学模拟  45-50
    1.3.5 耗散粒子动力学模拟  50-53
  1.4 研究内容、方法及技术路线  53-55
    1.4.1 研究内容  53
    1.4.2 研究方法  53-54
    1.4.3 技术路线  54-55
2 蒙脱石微观尺度分子动力学模拟  55-104
  2.1 分子动力学模拟  56-63
    2.1.1 基本原理  56-57
    2.1.2 系综  57-58
    2.1.3 温度和压力的控制  58-59
    2.1.4 周期性边界条件  59-60
    2.1.5 力场  60-63
    2.1.6 软件选取  63
  2.2 蒙脱石三维全原子结构建模  63-66
    2.2.1 基本参数  63-64
    2.2.2 建模过程  64-66
  2.3 常温常压条件下蒙脱石-水-离子体系分子动力学模拟  66-87
    2.3.1 模拟细节  66-68
    2.3.2 蒙脱石膨胀特性  68-73
    2.3.3 层间阳离子及水分子结构  73-84
    2.3.4 离子和水分子扩散特性  84-87
  2.4 埋深温压条件下蒙脱石-水-离子体系分子动力学模拟  87-90
    2.4.1 模拟细节  87-88
    2.4.2 层间离子、水分子结构及扩散特性  88-90
  2.5 蒙脱石微观尺度力学特性  90-102
    2.5.1 计算原理  90-93
    2.5.2 线弹性特征  93-100
    2.5.3 约束剪切粘度  100-102
  2.6 本章小结  102-104
3 蒙脱石介观尺度耗散粒子动力学模拟  104-126
  3.1 耗散粒子动力学  104-108
    3.1.1 基本原理  104-107
    3.1.2 数值积分方法  107
    3.1.3 耗散力、随机噪声和排斥参数的选择  107-108
  3.2 粗粒化及建模  108-110
    3.2.1 粗粒化策略  108-109
    3.2.2 介观建模  109-110
  3.3 MD 模拟结果与 DPD 输入参数的转化  110-114
    3.3.1 MD 计算非键结合能  110-112
    3.3.2 DPD 输入参数的确定  112-114
  3.4 蒙脱石-水-离子体系 DPD 模拟  114-120
    3.4.1 模拟细节  114-115
    3.4.2 介观结构  115-119
    3.4.3 扩散特性  119-120
  3.5 介观压缩特性  120-123
    3.5.1 计算原理  120-121
    3.5.2 应力-应变  121-123
  3.6 剪切粘度  123-124
  3.7 本章小结  124-126
4 饱和蒙脱土高压力学特性理论分析  126-148
  4.1 新扩散双电层理论  126-135
    4.1.1 基本假设  127
    4.1.2 介电饱和效应  127-129
    4.1.3 离子体积排斥效应  129
    4.1.4 改进 PBE 方程  129-130
    4.1.5 传统 PBE 方程  130-131
    4.1.6 分析比较  131-135
  4.2 渗透力模型  135-139
    4.2.1 渗透力产生机制  135-137
    4.2.2 渗透力大小计算  137-139
  4.3 压缩性分析  139-146
    4.3.1 理论压缩曲线  139-142
    4.3.2 影响因素分析  142-146
  4.4 本章小结  146-148
5 饱和蒙脱土高压力学特性基本机制综合分析  148-165
  5.1 粘土结构及孔隙分阶划分  148-151
  5.2 不同尺度力的发挥  151-152
  5.3 高压压缩及剪切过程定性描述  152-154
  5.4 高压压缩  154-162
    5.4.1 高压压缩试验  154-156
    5.4.2 试验结果分析  156-161
    5.4.3 土的弹模分析  161-162
  5.5 高压剪切  162-164
    5.5.1 高压剪切试验  162-163
    5.5.2 试验结果分析  163-164
  5.6 本章小结  164-165
6 结论及展望  165-169
  6.1 结论  165-167
  6.2 展望  167-169
参考文献  169-189
附录 1  189-191
附录 2  191-195
作者简历  195-198
学位论文数据集  198

饱和蒙脱土高压力学特性基本机制多尺度研究

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