微納米尺度飽和細(xì)粒土孔隙結(jié)構(gòu)及其宏觀力學(xué)效應(yīng)中文摘要

我國(guó)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(huì)存在排水通道淤堵、強(qiáng)度增長(zhǎng)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(xì)粒土的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)密切相關(guān)。為此，本項(xiàng)目將“飽和細(xì)粒土”作為研究對(duì)象，圍繞“微觀結(jié)構(gòu)”和“宏觀力學(xué)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(biāo)。通過過篩法和移液管法等技術(shù)制取飽和細(xì)粒土，綜合粒間吸力理論，考慮飽和細(xì)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(cè)量尺度，建立微納米孔隙的結(jié)構(gòu)特征數(shù)據(jù)元，并實(shí)現(xiàn)多種條件下力學(xué)強(qiáng)度與變形的監(jiān)測(cè)試驗(yàn)與量化分析，探討飽和細(xì)粒土排水固結(jié)的強(qiáng)度增長(zhǎng)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(rèn)識(shí)飽和細(xì)粒土固結(jié)機(jī)理，揭示不同尺度效應(yīng)的飽和細(xì)粒土微納米孔隙結(jié)構(gòu)及力學(xué)特征，探索擾動(dòng)狀態(tài)下孔隙發(fā)育過程的蠕變模型，完善細(xì)粒土微觀力學(xué)理論。

項(xiàng)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(duì)宏觀力學(xué)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(xué)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(duì)沿海地區(qū)的機(jī)場(chǎng)、地鐵、公路、鐵路、房屋等地基的危害極大，嚴(yán)重影響工程建設(shè)。 主要研究?jī)?nèi)容：本課題基于重塑的飽和細(xì)粒土進(jìn)行研究，針對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)效應(yīng)的科學(xué)問題，通過飽和細(xì)粒土的物理試驗(yàn)?zāi)M、物理力學(xué)性質(zhì)的室內(nèi)測(cè)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(jì)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(gè)數(shù)量級(jí)的尺度）細(xì)粒土的多物質(zhì)（孔隙、礦物、有機(jī)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(xì)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(xì)粒土宏觀力學(xué)特征與微觀參數(shù)特征的聯(lián)系、實(shí)現(xiàn)飽和細(xì)粒土原狀樣品的微觀結(jié)構(gòu)取樣技術(shù)、實(shí)現(xiàn)土體這類復(fù)雜材料的多物質(zhì)鑒別和定量定性分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多物質(zhì)-原生礦物、次生礦物和有機(jī)質(zhì)的三維定量結(jié)果，實(shí)現(xiàn)土體固結(jié)過程的結(jié)構(gòu)演化表征，實(shí)現(xiàn)土體多物質(zhì)材料組分的測(cè)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(xué)特征對(duì)比的avizo建模、DCM建模理論及方法等。 關(guān)鍵數(shù)據(jù)：擾動(dòng)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(xué)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(xué)微宏觀分析方法，為進(jìn)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

對(duì)于尺度的劃分，不同的研究機(jī)構(gòu)、不同研究領(lǐng)域的研究人員有不同的見解。材料學(xué)專家認(rèn)為：10-12m～10-9m 之間的尺度屬于量子力學(xué)研究范疇；1 -9m～10-6m之間的尺度屬于納觀力學(xué)研究范疇；10-6m～10-3m之間的尺度屬于介觀力學(xué)研究范疇；1-3m～10-0m之間的尺度屬于微觀力學(xué)研究范疇；大于10-0m的尺度屬于宏觀力學(xué)研究范疇。而機(jī)械加工學(xué)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(dá)到微米級(jí)。由此可見：材料學(xué)以研究對(duì)象的特征長(zhǎng)度作為尺度劃分的依據(jù)，機(jī)械加工領(lǐng)域以研究對(duì)象的加工精度作為尺度的劃分依據(jù)，從而把機(jī)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(jì)算和實(shí)驗(yàn)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(xì)觀力學(xué)模型-對(duì)偶團(tuán)簇模型及其擴(kuò)展形式；并揭示了非線性演化系統(tǒng)（群體位錯(cuò)）漲落誘導(dǎo)無序-有序轉(zhuǎn)變的動(dòng)力學(xué)機(jī)制；研究了漲落效應(yīng)和非局部效應(yīng)對(duì)非均勻介質(zhì)系統(tǒng)有效性能和應(yīng)力強(qiáng)度因子表征的影響，建立了基于細(xì)觀力學(xué)的二階應(yīng)變梯度本構(gòu)關(guān)系。本項(xiàng)目的研究成果對(duì)于非經(jīng)典及統(tǒng)計(jì)連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和細(xì)觀力學(xué)的發(fā)展具有一定的理論意義，對(duì)于許多工程非均勻介質(zhì)如：復(fù)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(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 2100433B