含施工接缝的非饱和膨润土缓冲材料热-水-力耦合过程及愈合效应

发布时间：2020-10-25 18:41

　　 核能的发展伴随着大量放射性核废料的产生,目前国际上普遍的处理方法是建立地质处置库,通过工程屏障将核废料隔离在远离人类生活圈的地质体中。缓冲材料是工程屏障中的重要一环,一般以高压实膨润土砌块拼接的形式回填在废物罐周围,罐体、砌块、围岩之间的缝隙通过接缝材料进行填充,缓冲材料会经历热(thermal)水(hydraulic)力(mechanical)溶质运移(migration)共同作用的过程。本文研究了接缝对缓冲材料工作性能产生的影响及接缝的愈合效应,对膨润土本构模型方程和计算方法进行改进,以更好地通过数值计算分析各因素间的影响关系。主要研究内容包括:(1)针对缓冲材料的物理力学特性,以及存在施工接缝的情况,利用非饱和土的相关理论,建立非饱和土的热-水-力耦合及溶质运移模型。该模型可研究土体的传热、渗流、蒸发/凝结、溶质运移、吸湿膨胀、热膨胀、压缩变形等问题。利用多场耦合有限元软件进行求解,以核工业北京地质研究院进行的China-Mock-up试验为算例,将数值计算的结果与监测数据进行比较分析,验证了模型的可靠性。(2)通过计算完整的三维砌块-接缝模型,分析了缓冲材料工作过程中砌块和接缝的多物理场演化规律,结果表明在饱和过程中,砌块会产生较大的膨胀力将接缝材料压缩,产生愈合效应,改善缓冲材料的工作性能。研究了接缝设计参数,如接缝的类型、数量、宽度、拼接形式、干密度等,对缓冲材料整体导热系数、渗透率、扩散系数和膨胀力等性能指标的影响,发现缓冲材料饱和后的工作性能主要受平均干密度影响,而与砌块的拼接形式关系不大,可为缓冲材料的设计提供参考。(3)在膨润土砌块多场耦合的计算中,为解决目前有限元软件不便计算的某些问题,研究光滑粒子法(SPH)在热-水-蒸汽迁移等传导类问题中的应用,可作为数值计算中的辅助性手段。为此提出了新的核函数形式,用于求解抛物线形数理方程,相比于传统的高斯型核函数具有更高的精度和更快的求解速度。以膨润土砌块为主要研究对象,利用该核函数研究了非饱和土在热-水-蒸汽迁移过程中,蒸发效应对渗流的影响和渗流对传热的影响,结果表明蒸发效应会增强温度梯度对水分迁移的影响。渗流对传热的影响与流速有关,低渗透性粘土中的渗流对传热影响可以忽略。对膨润土砌块的饱和过程进行计算,发现膨润土的饱和速率与外界水压和热源温度成正相关。(4)针对非饱和土热驱动引起的干湿循环问题,提出了一个新的土水特征曲线滞回模型,编写了可处理非饱和土干湿循环下的热-水耦合过程计算的SPH算法程序。设计了相应的土柱试验,研究了非饱和粘土在升降温的作用下,温度场及含水率分布的动态响应,发现土体的水分迁移有明显的滞后作用,利用新的滯回模型可以较好地反映滞后作用的影响。
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：X771
【部分图文】：

Ｆｉｇ．?１－３?Ｖｅｒｔｉｃａｌ?ｍｅａｓｕｒｅｄ?ａｎｄ?ｍｏｄｅｌｌｅｄ?ｐｒｏｆｉｌｅｓ?ｉｎ?ｔｈｅ?ｂｅｎｔｏｎｉｔｅ：?（ａ）?ｆｏｒ?ｔｈｅ?ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ?ａｆｔｅｒ?５０００??ｈ?（ｃｉｒｃｌｅｓ?ａｎｄ?ｆｕｌｌ?ｌｉｎｅｓ）；?（ｂ）?ｆｏｒ?ｔｈｅ?ｒｅｌａｔｉｖｅ?ｈｕｍｉｄｉｔｙ?ａｆｔｅｒ?５０００?ｈ?（ｃｉｒｃｌｅｓ?ａｎｄ?ｆｕｌｌ?ｌｉｎｅｓ）?ａｎｄ?ａｆｔｅｒ??２０，０００?ｈ?（ｔｒｉａｎｇｌｅｓ?ａｎｄ?ｄｏｔｔｅｄ?ｌｉｎｅｓ）；?（ｃ）?ｔｈｅ?ｍｏｄｅｌｌｅｄ?ｗａｔｅｒ?ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ?ａｆｔｅｒ?５０００?ｈ?（ｆｏｉｌ?ｌｉｎｅｓ）?ａｎｄ??ａｆｔｅｒ?２０，０００?ｈ?（ｄｏｔｔｅｄ?ｌｉｎｅｓ）??１．２．３高庙子膨润土的特性研究??膨润土由于具有较好的导热性能、低级的渗透率和极强的阳离子交换能力，能??有效保护废物罐，阻止核素扩散，可以作为良好的缓冲材料［６１］。我国经过广泛的考??察，选定内蒙古高庙子（ＧＭＺ）的钠基膨润土［６２］或膨润土－石英砂混合物［６３］作为地质??处置库的缓冲／回填材料。??８??

??的影响。质量含水率与基质吸力的关系压泵试验结果如图１－５，该曲线可通过ＶＧ??模型ｔ６８］进行拟合。??３０?ｒ??２５?喝??容?－％．??＾?２０?－?１??？?１５?－??＿?１０?－?Ｈ??赔?％，??５?－??０??１?１?１?１?１??０．０１?０．１?１?１０?１００?１０００??吸力／ＭＰａ??图１－５压泵试验得到的ＧＭＺ膨润土?ＳＷＣＣ关系［６６］??Ｆｉｇ．?１－５?ＳＷＣＣ?ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ?ｆｒｏｍ?ＭＩＰｔｅｓｔ?ｒｅｓｕｌｔｓ?ｏｆ?ＧＭＺ?ｂｅｎｔｏｎｉｔｅ??（４）渗透特性??Ｙｅ等（２００７）［６９］采用瞬时截面法对侧限状态下干密度为１．７０ｇ／ｃｍ３的ＧＭＺ膨润??土的非饱和渗透系数进行了测量。叶为民等（２０１０）［７（）］采用瞬时截面法对自由膨胀状??态下干密度为１．７〇ｇ／ｃｍ３的ＧＭＺ膨润土的渗透特性进行了测量，指出透系数在??ｌ．ＯｘＨＴ１２？ｌ．〇ｘｌ〇－ｉ５ｍ／ｓ之间变化，且主要集中在附近，并得出ＧＭＺ??膨润土的相对渗透率为有效饱和度的４次方。??孙文静等（２０１５）［７｜］对钙基高庙子膨润土膨润土的饱和渗透系数和固结系数进??行了试验测量，指出随着竖向应力的增大，膨润土渗透系数减小。渗透系数的对数??与孔隙比近似成线性相关，关系见图１－６，对于低渗性粘土，利用孔隙比间接推算??渗透系数是可行的。??Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ??＋?ｘ??１．４?－?－??＋?－??－?Ｖ?＿??■??０．８?－?＋?＃?－??°－６ｂｉＬ＿ｊ?Ｉ?｜?Ｉ?￣??ｉｏ

??的影响。质量含水率与基质吸力的关系压泵试验结果如图１－５，该曲线可通过ＶＧ??模型ｔ６８］进行拟合。??３０?ｒ??２５?喝??容?－％．??＾?２０?－?１??？?１５?－??＿?１０?－?Ｈ??赔?％，??５?－??０??１?１?１?１?１??０．０１?０．１?１?１０?１００?１０００??吸力／ＭＰａ??图１－５压泵试验得到的ＧＭＺ膨润土?ＳＷＣＣ关系［６６］??Ｆｉｇ．?１－５?ＳＷＣＣ?ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ?ｆｒｏｍ?ＭＩＰｔｅｓｔ?ｒｅｓｕｌｔｓ?ｏｆ?ＧＭＺ?ｂｅｎｔｏｎｉｔｅ??（４）渗透特性??Ｙｅ等（２００７）［６９］采用瞬时截面法对侧限状态下干密度为１．７０ｇ／ｃｍ３的ＧＭＺ膨润??土的非饱和渗透系数进行了测量。叶为民等（２０１０）［７（）］采用瞬时截面法对自由膨胀状??态下干密度为１．７〇ｇ／ｃｍ３的ＧＭＺ膨润土的渗透特性进行了测量，指出透系数在??ｌ．ＯｘＨＴ１２？ｌ．〇ｘｌ〇－ｉ５ｍ／ｓ之间变化，且主要集中在附近，并得出ＧＭＺ??膨润土的相对渗透率为有效饱和度的４次方。??孙文静等（２０１５）［７｜］对钙基高庙子膨润土膨润土的饱和渗透系数和固结系数进??行了试验测量，指出随着竖向应力的增大，膨润土渗透系数减小。渗透系数的对数??与孔隙比近似成线性相关，关系见图１－６，对于低渗性粘土，利用孔隙比间接推算??渗透系数是可行的。??Ｉ?Ｉ?Ｉ?Ｉ??＋?ｘ??１．４?－?－??＋?－??－?Ｖ?＿??■??０．８?－?＋?＃?－??°－６ｂｉＬ＿ｊ?Ｉ?｜?Ｉ?￣??ｉｏ
【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 陈佩佩;白冰;;基于SPH-FDM耦合算法的非饱和岩土介质中瞬态导热问题数值模拟[J];应用基础与工程科学学报;2015年05期

2 蔡二伟;徐力;祁佚飞;范鹏;;核废料处置库膨润土膨胀变形研究[J];低温建筑技术;2015年06期

3 陈佩佩;白冰;;内含圆柱域热源的非饱和土介质水热耦合作用的SPH数值模拟[J];岩土工程学报;2015年06期

4 孙文静;刘仕卿;孙德安;方雷;;饱和高庙子膨润土的渗透特性[J];地下空间与工程学报;2015年01期

5 周浪;张虎元;陈航;闫铭;;Eu(Ⅲ)在膨润土–砂混合物中的迁移试验研究[J];岩石力学与工程学报;2014年S2期

6 岳萍;庹先国;宿吉龙;刘明哲;冷阳春;;~(239)Pu在膨润土中的吸附和迁移实验研究[J];科学技术与工程;2014年08期

7 赵宏刚;王驹;刘月妙;苏锐;;HLW竖直处置热分析[J];世界核地质科学;2013年01期

8 陈宝;陈建琴;曹永超;;接缝对高压实膨润土工程屏障自封闭性能的影响[J];岩石力学与工程学报;2012年03期

9 姚仰平;牛雷;杨一帆;崔文杰;胡贺祥;;考虑温度影响的非饱和土本构模型[J];岩土力学;2011年10期

10 蔡国庆;赵成刚;刘艳;李舰;;考虑温度影响的非饱和土变形特性[J];科学通报;2011年18期

相关博士学位论文 前1条

1 蔡国庆;基于多孔介质理论的土体多场耦合模型及其在非饱和土本构建模中的应用[D];北京交通大学;2012年

相关硕士学位论文 前2条

1 陈皓;高放废物地质库缓冲材料在高温高压下的变形强度特性研究[D];广西大学;2015年

2 闫铭;混合型缓冲回填材料砌块接缝渗透特性研究[D];兰州大学;2015年

本文编号：2855810