水—土化學力學耦合作用研究進展

楊國寶

摘 要：巖土介質的水-土化學力學耦合作用問題是一些重大工程實踐中所必須解決的關鍵科學問題。文章分別從定性研究、定量研究以及本構關系模型三個方面闡述這一方向的研究現狀。經歸納總結：目前對有關水-土化學力學耦合作用的機理認識還存在一定的局限性；所建立的能考慮粒間物理化學作用力的有效應力公式不能充分考慮孔隙約束、顆粒表面吸附等巖土介質所特有的性質；基于此建立的本構關系模型在描述化學作用等環境荷載作用下巖土介質的本構行為特征也存在明顯的不足。

關鍵詞：巖土介質；水化學環境；水-土化學作用

1 概述

無論是自然沉積或是人工堆填的巖土介質都是由多種組份構成的，而且這種介質的固體骨架通常帶有剩余的電荷（即具有電性）。例如，對飽和粘性土，其骨架由不同的帶電礦物成份構成，當它與土中水充分接觸時，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-電系統間存在顯著的相互作用力[1，2]。在溫度變化、化學作用等環境荷載作用下，作為一種多相多組份孔隙材料的巖土介質表現出極為復雜的化學-力學耦合效應及工程力學行為。

例如，濱海地區因過度開采地下水，打破了咸淡水之間的平衡，引起海水倒灌，導致城市地面下沉；水庫蓄水水位周期變化，引起庫岸滑坡；垃圾填埋場中溶質遷移引起防護層的失效，導致二次污染等。因此，巖土體化學-力學耦合作用及其機理研究是近年來國際巖土工程領域探索的一個熱點。

2 研究進展

2.1 定性研究階段

因一系列的環境問題引發了接連不斷的工程問題，迫使國內外學者們從20世紀40年代初就開展了關于孔隙水化學環境變化對黏性土的化學-力學行為特性影響的研究[3，4]。主要針對以膨潤土和高嶺土為研究對象，開展了一系列孔隙溶液為無機鹽、酸和堿以及有機溶劑的液塑限、自由沉降、變形和強度等試驗研究。研究分析發現，水化學環境發生改變的情況下，黏性土內部組織物理化學成分和結構組成由于水化學作用而產生變化，從而引起黏土宏觀物理力學特性的改變。

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電，進而在其周圍形成電場，在靜電引力的作用下，吸附空隙溶液中的水分子偶極子、陽離子聚集在其周圍，形成雙電層，如圖1所示[1]。當外界條件的變化，如溶液成分、濃度、pH值等變化，從而改變了雙電層的性狀，最終導致土體持水性的改變。

水-土化學作用對土體力學特性的影響，主要包括變形和強度方面兩個方面。其作用機制，從微觀層面來看，主要是孔隙溶液成分變化使得顆粒間物理化學作用力發生了改變，進而使顆粒發生了重排。例如，當孔隙溶液濃度較低時，片狀礦物顆粒間表現為凈斥力，形成排列無規律的F-F分散結構。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，發生絮凝，形成以E-E接觸方式的絮凝結構，隨濃度繼續增加，最終過度到E-F絮凝結構。

從宏觀層面來看，是由于有效應力發生了改變。基于Terzaghi提出的有效應力原理

提出了能考慮粒間電化學作用力的有效應力公式[2]

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

2.2 定量研究階段

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

需要指出的是，式（3）在進行定量化研究進程中，具有一定進步意義，但也存在一定的局限性。因為但通過式（4）計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所特有的性質。

2.3本構關系模型

Homan和Shao[6]針對不同水化學溶液飽和情況下的白堊巖，開展了應力式三軸剪切試驗，并基于試驗結果，在彈塑性框架內利用雙屈服面模型來描述白堊巖的化學力學行為。受上述建立的能考慮水化學環境變化下水-土化學力學耦合作用本構關系模型的啟發，后續一大批本構關系模型被建立。

值得說明的是，這些模型只是基于特定背景下根據零散試驗結論而建立的，同時又鑒于建模時所采用的考慮粒間電化學作用力的有效應力公式是在原有的經典土力學理論的基礎上進行了物理化學作用效應的擴展，對傳統的有效應力進行了修正而得的。但因式（3）的局限性，故這些本構模型目前還不能充分地考慮化學-力學相互耦合作用效應。這充分說明，在建立能有效考慮化學-力學相互作用效應的理論框架，這方面還有很長的一段路要走。

3 結束語

本文立足于水-土化學力學耦合作用所引起的環境巖土工程問題，分別從定性研究、定量研究以及本構關系模型建立三個方面闡述了水化學環境變化下水-土化學力學耦合作用問題的研究現狀。經總結歸納發現，目前對有關水-土化學力學耦合作用的機理認識存在一定的局限性；對傳統的經典土力學理論進行了物理化學作用效應的擴展，所建立的能考慮粒間物理化學作用力的有效應力公式不能充分考慮孔隙約束、顆粒表面吸附等巖土介質所特有的性質；基于此建立的本構關系模型在描述化學作用等環境荷載作用下巖土介質的本構行為特征也存在明顯的不足。故有關水-土化學力學耦合作用研究目前還處于研究的初始階段，為達到服務工程實踐的目標，還需要有很長的一段路要走。

參考文獻

[1]李廣信.高等土力學[M].北京：清華大學出版社，2004.

[2]Mitchell J K， Soga K. Fundamentals of Soil Behavior[M].New York： Wiley，1976.

[3]Winterkorn H F， Moorman R B B. A study of changes in physical properties of Putnam soil induced by ionic substitution[C]//Highway Research Board Proceedings.1941， 21： 415-434.

[4]Bolt G H. Physico-chemical analysis of the compressibility of pure clays[J].Geotechnique， 1956， 6（2）： 86-93.

[5]Rao S M， Thyagaraj T. Role of direction of salt migration on the swelling behaviour of compacted clays[J].Applied Clay Science， 2007， 38（1）： 113-129.

[6]Homand S， Shao J F. Mechanical behaviour of a porous chalk and water/chalk interaction. Part 2：Numerical modelling[J].Oil & Gas Science and Technology，2000，55（6）：599-609.