高放废物深层地质处置工程和垃圾填埋场工程中亟需研究膨润土掺砂混合物的渗透特性、浸水膨胀特性及水力－力学耦合特性，并对其进行预测。 本项目对高压实非饱和高庙子膨润土及其与砂混合物进行室内试验，研究了膨润土及其与砂混合物的水力特性、力学特性及水力－力学耦合特性，具体包括：对饱和试样进行了压缩试验，研究其饱和状态下的变形特性和渗透特性；对非饱和试样进行了膨胀变形、膨胀力以及湿化压缩试验，研究掺砂膨润土的膨胀特性；对非饱和及饱和试样进行了直剪快剪试验及含水率不变的等向三轴压缩剪切试验，研究在不排水状态下试样的应力－应变关系及孔压的变化规律；用蒸汽平衡法量测了膨润土压实试样在不同饱和盐溶液密封容器中的吸力，得到了相同压实样脱湿和吸湿过程的土水特征曲线，分析了高吸力下初始干密度、应力路径、孔隙结构、吸力路径、干湿循环及孔隙比对膨润土土水特性及水力－力学耦合特性的影响，同时，由饱和度与孔隙比的线性关系，得到由孔隙比变化引起的饱和度变化量，即而可由常规试验测得的不同孔隙比下的土水特性得到常孔隙比下的土水特征曲线。 在系统地研究了膨润土及其与砂混合物的水力特性和力学特性的基础上，引入蒙脱石孔隙比、砂骨架孔隙比、起偏应力及临界掺砂率的概念，提出了一个可以统一预测膨胀量及饱和渗透系数的模型，该模型改进了以往仅能预测低掺砂率膨润土混合物浸水膨胀量的预测模型，将其适用范围扩展至整个掺砂率范围，在不添加任何参数的情况下，通过掺砂率与应力分配比例系数间的关系得到试样中蒙脱石与砂颗粒骨架分别承担的竖向荷载，进而可以预测不同掺砂率下膨润土混合物由非饱和状态经浸水达到最终饱和状态的膨胀量，同时，由饱和渗透系数与蒙脱石孔隙比间的线性关系可以定量的计算给定初始干密度下不同掺砂率膨润土与砂混合物对应的饱和渗透系数。通过对比不同掺砂率混合物的膨胀试验、渗透试验结果与预测结果，证实了该预测方法的正确性。 研究成果将为我国高放废物深层地质处置工程、城市垃圾卫生填埋场工程及其它与膨胀性非饱和土有关的工程提供科学依据。 2100433B

高放废物深层地质处置工程亟需解决工程屏障材料在不排水状态、超固结状态或干湿循环状态下的水力、力学及两者间耦合特性的预测问题。本项目计划对高压实非饱和高庙子膨润土及其与砂混合物进行室内试验，分别研究膨润土及其与砂混合物在不排水状态下孔隙比、饱和度和吸力的变化规律，在超固结状态下的变形、强度和水力特性，以及在干湿循环状态下的膨胀力和变形的变化规律及水力-力学耦合特性。在系统地研究膨润土及其与砂混合物水力、力学及两者间耦合特性的基础上，考虑饱和度对应力应变关系的影响及变形对土水特性的影响，对申请人等用宏观方法初步建立的膨胀性非饱和土水力-力学耦合弹塑性模型进行改进，用简单的单元试验获得模型参数，使模型能够分别预测排水/不排水状态、超固结状态及干湿循环状态下膨胀性非饱和土的强度、变形和水力-力学耦合特性。研究成果将为我国高放废物深层地质处置工程及其它与膨胀性非饱和土有关的工程提供有价值的参考。

关于非饱和土的研究主要可分为两大类∶一类是对其水分特性进行研究并提出各种水分特性曲线的模型，这类研究通常假定非饱和土是不变形的；另一类是对非饱和土的变形和强度特性进行研究并用非线性弹性或弹塑性本构关系模拟其力学性质，此类研究通常不考虑水分特性。而实际中非饱和土的水分特性与力学特性是相互关联的，即水分的变化影响着非饱和土的力学性质,非饱和土的变形也影响着水分特性。近两三年，国际上已经有人用弹塑性模型的手法来模拟水分和力学特性的耦合，但这类研究只是初步的，所提出的模型是概念性的，不够具体，只适用于等向应力状态下的性质。本研究计划研制吸力控制的非饱和土三轴仪，用该仪器进行非饱和土的试验，同时量测非饱和土的水分和力学性质，对由变形引起的非饱和土的水分特性变化进行试验研究，提出能考虑水分和力学性质的耦合弹塑性模型。该模型不仅考虑吸力对非饱和土的变形强度和水分的影响,而且可以考虑变形对水分特性的影响。 2100433B

本书以非饱和土为主要研究对象，开展了非饱和土水-力全耦合本构模型、数值模拟与应用方面的研究，主要创新点如下：(1) 从土体细观结构及其演化特征出发，在热力学框架下建立了非饱和土水力全耦合模型，揭示了土体湿陷/膨胀等变形与非饱和渗流的耦合机制；(2) 发展了非饱和土弹塑性本构积分的隐式-折返算法，研发了水/气渗流-弹塑性变形全耦合分析软件(F2Mus3D)并进行了算例验证；(3) 基于F2Mus3D研究了土质边坡在降雨入渗过程中剪切带萌生、形成、发展直至贯通的全过程，揭示了暴雨诱发滑坡的渐进破坏机制。 2100433B