微纳米尺度饱和细粒土孔隙结构及其宏观力学效应

项目背景：沿海地区饱和软粘土产生的工程问题较多，但固结过程的微纳米孔隙结构引起蠕变变形对宏观力学特性危害较大但常被忽视。传统工程地质环境及土力学性质的研究中，如排水通道的淤堵、地基土的不均匀沉降和沉陷等变形破坏等，对沿海地区的机场、地铁、公路、铁路、房屋等地基的危害极大，严重影响工程建设。 主要研究内容：本课题基于重塑的饱和细粒土进行研究，针对孔隙结构与宏观力学效应的科学问题，通过饱和细粒土的物理试验模拟、物理力学性质的室内测试分析、微观结构样品的制备和扫描、结构模型的数值计算和分析等研究过程，研究多尺度（纳米-微米-毫米等跨越6个数量级的尺度）细粒土的多物质（孔隙、矿物、有机质等3或4组物质组分）结构特性及微宏观量化关系。 重要结果：获得微纳米尺度孔隙结构的微宏观特征、获得饱和细粒土微纳米孔隙与环境因素的量化关系、饱和土体孔隙水压力的定量解析、饱和细粒土宏观力学特征与微观参数特征的联系、实现饱和细粒土原状样品的微观结构取样技术、实现土体这类复杂材料的多物质鉴别和定量定性分析技术，实现多物质-原生矿物、次生矿物和有机质的三维定量结果，实现土体固结过程的结构演化表征，实现土体多物质材料组分的测试鉴别技术、多尺度结构连通性研发技术、微宏观力学特征对比的avizo建模、DCM建模理论及方法等。 关键数据：扰动样品的三维模型数据源、基于DCM模型的联通组分分析程序。 科学意义：本课题揭示了土体物质组分、结构和宏观性质的相互制约作用，形成了一套土力学微宏观分析方法，为进一步揭示地质体材料的微宏观理论提供可行性的切入口。 2100433B

我国沿海地区饱和软粘土分布较广，无论吹淤造陆工程，还是地下空间改造利用，通常会存在排水通道淤堵、强度增长缓慢、地基土不均匀沉降或沉陷等工程问题或地质灾害，这与其中含量较多的饱和细粒土的结构和性质密切相关。为此，本项目将“饱和细粒土”作为研究对象，围绕“微观结构”和“宏观力学特征”两部分内容，将微小孔隙的“微纳米尺度”特征作为探讨目标。通过过筛法和移液管法等技术制取饱和细粒土，综合粒间吸力理论，考虑饱和细粒土在不同尺度效应和堆积方式中的微观结构，确定合理的微纳米孔隙测量尺度，建立微纳米孔隙的结构特征数据元，并实现多种条件下力学强度与变形的监测试验与量化分析，探讨饱和细粒土排水固结的强度增长过程中，微纳米孔隙的发育规律与蠕变变形的量化关系，从微纳米孔隙角度认识饱和细粒土固结机理，揭示不同尺度效应的饱和细粒土微纳米孔隙结构及力学特征，探索扰动状态下孔隙发育过程的蠕变模型，完善细粒土微观力学理论。

对于尺度的划分，不同的研究机构、不同研究领域的研究人员有不同的见解。材料学专家认为：10-12m～10-9m 之间的尺度属于量子力学研究范畴；1 -9m～10-6m之间的尺度属于纳观力学研究范畴；10-6m～10-3m之间的尺度属于介观力学研究范畴；1-3m～10-0m之间的尺度属于微观力学研究范畴；大于10-0m的尺度属于宏观力学研究范畴。而机械加工学科常常以10-6m(1μm)为加工误差尺度，传统切削加工的误差尺度多以丝来衡量(1丝=10μm)，精密加工的误差尺度可达到微米级。由此可见：材料学以研究对象的特征长度作为尺度划分的依据，机械加工领域以研究对象的加工精度作为尺度的划分依据，从而把机械加工划分普通加工、精密加工和超精密加工等，并没有涉及到工件加工特征尺度的大小。

应用理论分析、数值计算和实验的方法研究了非均匀介质的涨落效应和非局部效应。建立了综合反映涨落效应和非局部效应以及它们耦合作用的细观力学模型-对偶团簇模型及其扩展形式；并揭示了非线性演化系统（群体位错）涨落诱导无序-有序转变的动力学机制；研究了涨落效应和非局部效应对非均匀介质系统有效性能和应力强度因子表征的影响，建立了基于细观力学的二阶应变梯度本构关系。本项目的研究成果对于非经典及统计连续介质力学和细观力学的发展具有一定的理论意义，对于许多工程非均匀介质如：复合材料、混凝土、岩体和多孔介质中的断裂、变形局部化和应力集中问题等具有实际应用价值。 2100433B