地质库的混合缓冲/回填材料在高温-高压-高吸力条件下的力学特性及其应用

膨润土-砂混合料是核电站和军工核设施的高水平放射性废物的深地质处置库中的缓冲/回填材料，长期在高温（100℃左右）、高压（10MPa左右）和高吸力(几十到几百MPa)的"三高"条件下工作。探讨在如此复杂工作条件下混合料的力学特性规律是国际上广泛重视的科学课题，关系到地质处置库的安全运行、国家能源发展战略和环境安全。本项目以我国高庙子膨润土和石英砂的混合料为对象，以非饱和土力学与混合物理论为基础，以高温-高压-高吸力三轴仪和高温-高吸力-高膨胀压力三向胀缩仪为主要工具，辅以CT扫描、环境扫描电境等微细观研究手段，系统深入地研究该混合料在"三高"条件下的力学特性及其规律，建立相应的土水特征曲线、强度公式、本构模型和热-力-水-气-汽-变形耦合分析模型，并将研究成果初步应用于高放废物处置库的性状分析。

以非饱和土力学、热力学与混合物理论为基础，以高温-高压-高吸力三轴仪和三向胀缩仪为主要工具，并利用温度-盐溶液吸力控制设备和三轴渗气仪，系统深入地研究了膨润土-石英砂混合料在高温-高压-高吸力条件下的力学特性及其规律，取得的主要成果如下：①发现持水能力随温度升高而降低，不同温度下的持水曲线基本上都呈互相平行的直线，进而应用吸附热力学和Le Chatelier原理导出了考虑温度影响的持水特性的理论公式，预测结果与国内外多种缓冲材料试验资料相当一致；②试样具有各向异性，其竖向膨胀力大于水平膨胀力，基于体积率的膨润土干密度的概念，建立了膨润土及其混合料在不同干密度下三向膨胀力的预测模型；③不排水三轴抗剪强度随温度、含砂率和含水率的增大而降低，试样的破坏形式随围压增大由脆性破坏逐渐变到塑性破坏；④ 当三轴试验温度高于20℃时，试样发生较大的体积膨胀，即使在低密度和高围压条件下亦如此，说明温度引起土颗粒和土骨架发生膨胀；⑤ 偏应力-轴应变曲线可近似用双曲线非线性模型描述；⑥ 缓冲材料的渗气性符合Darcy定律；⑦以混合物理论为基础，构建了其热-力-水-气-汽-变形耦合分析模型，其控制方程包含 6个方程求解6个未知量（即3个土骨架位移、水压力、气压力及温度），充分反映了热膨胀、热渗流、水的相变、气体溶解及土骨架变形等多种现象的耦合过程；设计了名为THMCAD 的分析软件，用其计算分析了西班牙高放废物处置库的大型模型试验资料，取得了良好的结果。.发表学术论文39篇，其中SCI收录1篇，EI收录23篇。.成功举办了第一届全国非饱和土与特殊土力学及土工程学术会议，参会学者387人，大会报告59个。.陈正汉教授在国际学术会议作特邀报告1次，在全国学术会议作特邀报告9次。培养博士4名，硕士3名。获重庆市2011年度优秀硕士学位论文1篇，重庆市2010年度和2012年度优秀博士学位论文各1篇，中国岩石力学与工程学会2012年度优秀博士学位论文一篇。