微納米尺度飽和細粒土孔隙結(jié)構(gòu)及其宏觀力學效應(yīng)

項目背景：沿海地區(qū)飽和軟粘土產(chǎn)生的工程問題較多，但固結(jié)過程的微納米孔隙結(jié)構(gòu)引起蠕變變形對宏觀力學特性危害較大但常被忽視。傳統(tǒng)工程地質(zhì)環(huán)境及土力學性質(zhì)的研究中，如排水通道的淤堵、地基土的不均勻沉降和沉陷等變形破壞等，對沿海地區(qū)的機場、地鐵、公路、鐵路、房屋等地基的危害極大，嚴重影響工程建設(shè)。 主要研究內(nèi)容：本課題基于重塑的飽和細粒土進行研究，針對孔隙結(jié)構(gòu)與宏觀力學效應(yīng)的科學問題，通過飽和細粒土的物理試驗?zāi)M、物理力學性質(zhì)的室內(nèi)測試分析、微觀結(jié)構(gòu)樣品的制備和掃描、結(jié)構(gòu)模型的數(shù)值計算和分析等研究過程，研究多尺度（納米-微米-毫米等跨越6個數(shù)量級的尺度）細粒土的多物質(zhì)（孔隙、礦物、有機質(zhì)等3或4組物質(zhì)組分）結(jié)構(gòu)特性及微宏觀量化關(guān)系。 重要結(jié)果：獲得微納米尺度孔隙結(jié)構(gòu)的微宏觀特征、獲得飽和細粒土微納米孔隙與環(huán)境因素的量化關(guān)系、飽和土體孔隙水壓力的定量解析、飽和細粒土宏觀力學特征與微觀參數(shù)特征的聯(lián)系、實現(xiàn)飽和細粒土原狀樣品的微觀結(jié)構(gòu)取樣技術(shù)、實現(xiàn)土體這類復雜材料的多物質(zhì)鑒別和定量定性分析技術(shù)，實現(xiàn)多物質(zhì)-原生礦物、次生礦物和有機質(zhì)的三維定量結(jié)果，實現(xiàn)土體固結(jié)過程的結(jié)構(gòu)演化表征，實現(xiàn)土體多物質(zhì)材料組分的測試鑒別技術(shù)、多尺度結(jié)構(gòu)連通性研發(fā)技術(shù)、微宏觀力學特征對比的avizo建模、DCM建模理論及方法等。 關(guān)鍵數(shù)據(jù)：擾動樣品的三維模型數(shù)據(jù)源、基于DCM模型的聯(lián)通組分分析程序。 科學意義：本課題揭示了土體物質(zhì)組分、結(jié)構(gòu)和宏觀性質(zhì)的相互制約作用，形成了一套土力學微宏觀分析方法，為進一步揭示地質(zhì)體材料的微宏觀理論提供可行性的切入口。 2100433B

我國沿海地區(qū)飽和軟粘土分布較廣，無論吹淤造陸工程，還是地下空間改造利用，通常會存在排水通道淤堵、強度增長緩慢、地基土不均勻沉降或沉陷等工程問題或地質(zhì)災(zāi)害，這與其中含量較多的飽和細粒土的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)密切相關(guān)。為此，本項目將“飽和細粒土”作為研究對象，圍繞“微觀結(jié)構(gòu)”和“宏觀力學特征”兩部分內(nèi)容，將微小孔隙的“微納米尺度”特征作為探討目標。通過過篩法和移液管法等技術(shù)制取飽和細粒土，綜合粒間吸力理論，考慮飽和細粒土在不同尺度效應(yīng)和堆積方式中的微觀結(jié)構(gòu)，確定合理的微納米孔隙測量尺度，建立微納米孔隙的結(jié)構(gòu)特征數(shù)據(jù)元，并實現(xiàn)多種條件下力學強度與變形的監(jiān)測試驗與量化分析，探討飽和細粒土排水固結(jié)的強度增長過程中，微納米孔隙的發(fā)育規(guī)律與蠕變變形的量化關(guān)系，從微納米孔隙角度認識飽和細粒土固結(jié)機理，揭示不同尺度效應(yīng)的飽和細粒土微納米孔隙結(jié)構(gòu)及力學特征，探索擾動狀態(tài)下孔隙發(fā)育過程的蠕變模型，完善細粒土微觀力學理論。

對于尺度的劃分，不同的研究機構(gòu)、不同研究領(lǐng)域的研究人員有不同的見解。材料學專家認為：10-12m～10-9m 之間的尺度屬于量子力學研究范疇；1 -9m～10-6m之間的尺度屬于納觀力學研究范疇；10-6m～10-3m之間的尺度屬于介觀力學研究范疇；1-3m～10-0m之間的尺度屬于微觀力學研究范疇；大于10-0m的尺度屬于宏觀力學研究范疇。而機械加工學科常常以10-6m(1μm)為加工誤差尺度，傳統(tǒng)切削加工的誤差尺度多以絲來衡量(1絲=10μm)，精密加工的誤差尺度可達到微米級。由此可見：材料學以研究對象的特征長度作為尺度劃分的依據(jù)，機械加工領(lǐng)域以研究對象的加工精度作為尺度的劃分依據(jù)，從而把機械加工劃分普通加工、精密加工和超精密加工等，并沒有涉及到工件加工特征尺度的大小。

應(yīng)用理論分析、數(shù)值計算和實驗的方法研究了非均勻介質(zhì)的漲落效應(yīng)和非局部效應(yīng)。建立了綜合反映漲落效應(yīng)和非局部效應(yīng)以及它們耦合作用的細觀力學模型-對偶團簇模型及其擴展形式；并揭示了非線性演化系統(tǒng)（群體位錯）漲落誘導無序-有序轉(zhuǎn)變的動力學機制；研究了漲落效應(yīng)和非局部效應(yīng)對非均勻介質(zhì)系統(tǒng)有效性能和應(yīng)力強度因子表征的影響，建立了基于細觀力學的二階應(yīng)變梯度本構(gòu)關(guān)系。本項目的研究成果對于非經(jīng)典及統(tǒng)計連續(xù)介質(zhì)力學和細觀力學的發(fā)展具有一定的理論意義，對于許多工程非均勻介質(zhì)如：復合材料、混凝土、巖體和多孔介質(zhì)中的斷裂、變形局部化和應(yīng)力集中問題等具有實際應(yīng)用價值。 2100433B