水—土化学力学耦合作用研究进展

杨国宝

摘 要：巖土介质的水-土化学力学耦合作用问题是一些重大工程实践中所必须解决的关键科学问题。文章分别从定性研究、定量研究以及本构关系模型三个方面阐述这一方向的研究现状。经归纳总结：目前对有关水-土化学力学耦合作用的机理认识还存在一定的局限性；所建立的能考虑粒间物理化学作用力的有效应力公式不能充分考虑孔隙约束、颗粒表面吸附等岩土介质所特有的性质；基于此建立的本构关系模型在描述化学作用等环境荷载作用下岩土介质的本构行为特征也存在明显的不足。

关键词：岩土介质；水化学环境；水-土化学作用

1 概述

无论是自然沉积或是人工堆填的岩土介质都是由多种组份构成的，而且这种介质的固体骨架通常带有剩余的电荷（即具有电性）。例如，对饱和粘性土，其骨架由不同的带电矿物成份构成，当它与土中水充分接触时，由于黏土颗粒与水分子均存在不平衡的电荷分布，加之土体孔隙水中包含着各种离子，使得在黏粒-水-电系统间存在显著的相互作用力[1，2]。在温度变化、化学作用等环境荷载作用下，作为一种多相多组份孔隙材料的岩土介质表现出极为复杂的化学-力学耦合效应及工程力学行为。

例如，滨海地区因过度开采地下水，打破了咸淡水之间的平衡，引起海水倒灌，导致城市地面下沉；水库蓄水水位周期变化，引起库岸滑坡；垃圾填埋场中溶质迁移引起防护层的失效，导致二次污染等。因此，岩土体化学-力学耦合作用及其机理研究是近年来国际岩土工程领域探索的一个热点。

2 研究进展

2.1 定性研究阶段

因一系列的环境问题引发了接连不断的工程问题，迫使国内外学者们从20世纪40年代初就开展了关于孔隙水化学环境变化对黏性土的化学-力学行为特性影响的研究[3，4]。主要针对以膨润土和高岭土为研究对象，开展了一系列孔隙溶液为无机盐、酸和碱以及有机溶剂的液塑限、自由沉降、变形和强度等试验研究。研究分析发现，水化学环境发生改变的情况下，黏性土内部组织物理化学成分和结构组成由于水化学作用而产生变化，从而引起黏土宏观物理力学特性的改变。

首先在土体的持水性方面，黏土矿物和空隙溶液相互作用后，因黏粒的选择性吸附，或表面分子自身的解离以及同晶替代作用，通常使黏粒表面吸附离子而带负电，进而在其周围形成电场，在静电引力的作用下，吸附空隙溶液中的水分子偶极子、阳离子聚集在其周围，形成双电层，如图1所示[1]。当外界条件的变化，如溶液成分、浓度、pH值等变化，从而改变了双电层的性状，最终导致土体持水性的改变。

水-土化学作用对土体力学特性的影响，主要包括变形和强度方面两个方面。其作用机制，从微观层面来看，主要是孔隙溶液成分变化使得颗粒间物理化学作用力发生了改变，进而使颗粒发生了重排。例如，当孔隙溶液浓度较低时，片状矿物颗粒间表现为净斥力，形成排列无规律的F-F分散结构。随孔隙溶液浓度的增加，粒间净引力增大，片状颗粒相互吸引，发生絮凝，形成以E-E接触方式的絮凝结构，随浓度继续增加，最终过度到E-F絮凝结构。

从宏观层面来看，是由于有效应力发生了改变。基于Terzaghi提出的有效应力原理

提出了能考虑粒间电化学作用力的有效应力公式[2]

式中：A是颗粒间的吸引力；是颗粒间的排斥力。R通过式（2）可知，随孔隙溶液浓度增加，颗粒间吸引力增强，排斥力减小，促使有效应力增强，进而宏观上表现为随孔隙溶液浓度增加变形量增加，强度有所提高。

2.2 定量研究阶段

为满足实际工程需要，光是定性研究是不够的，势必要求进行定量化研究。这实际就是回答式（2）中的A-R具体用什么来描述。一些学者[5]引入了渗透压力？仔来表示，其计算公式如下

需要指出的是，式（3）在进行定量化研究进程中，具有一定进步意义，但也存在一定的局限性。因为但通过式（4）计算而得到的渗透压力，是未充分考虑孔隙约束、颗粒表面吸附等岩土介质所特有的性质。

2.3本构关系模型

Homan和Shao[6]针对不同水化学溶液饱和情况下的白垩岩，开展了应力式三轴剪切试验，并基于试验结果，在弹塑性框架内利用双屈服面模型来描述白垩岩的化学力学行为。受上述建立的能考虑水化学环境变化下水-土化学力学耦合作用本构关系模型的启发，后续一大批本构关系模型被建立。

值得说明的是，这些模型只是基于特定背景下根据零散试验结论而建立的，同时又鉴于建模时所采用的考虑粒间电化学作用力的有效应力公式是在原有的经典土力学理论的基础上进行了物理化学作用效应的扩展，对传统的有效应力进行了修正而得的。但因式（3）的局限性，故这些本构模型目前还不能充分地考虑化学-力学相互耦合作用效应。这充分说明，在建立能有效考虑化学-力学相互作用效应的理论框架，这方面还有很长的一段路要走。

3 结束语

本文立足于水-土化学力学耦合作用所引起的环境岩土工程问题，分别从定性研究、定量研究以及本构关系模型建立三个方面阐述了水化学环境变化下水-土化学力学耦合作用问题的研究现状。经总结归纳发现，目前对有关水-土化学力学耦合作用的机理认识存在一定的局限性；对传统的经典土力学理论进行了物理化学作用效应的扩展，所建立的能考虑粒间物理化学作用力的有效应力公式不能充分考虑孔隙约束、颗粒表面吸附等岩土介质所特有的性质；基于此建立的本构关系模型在描述化学作用等环境荷载作用下岩土介质的本构行为特征也存在明显的不足。故有关水-土化学力学耦合作用研究目前还处于研究的初始阶段，为达到服务工程实践的目标，还需要有很长的一段路要走。

参考文献

[1]李广信.高等土力学[M].北京：清华大学出版社，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.