圓餅狀高壓實膨潤土粘結滑移性能及損傷耗能試驗研究

楊楠 于明鑫 馮穎

摘要：國際上普遍用來處置高放廢物的方法是深地質埋藏法，其中高壓實膨潤土作為緩沖回填材料發揮了重要作用。高壓實膨潤土的粘結滑移性能是高放廢物處置場長期安全性的關鍵因素。文章在圓餅狀高壓實膨潤土外側布置滑移傳感器和電阻應變片，被別對在軸力和反復水平載荷作用下的圓餅狀高壓實膨潤土的粘結滑移性能進行了試驗研究。經過一系列試驗后可以得到相栽荷一滑移滯回等曲線，根據這些試驗結果可以看出，在載荷的上升階段，粘結應力的最大值為時間的中部位置，并且有中部向兩端呈遞減趨勢，沿著圓餅柱高呈現拋物線狀分布，在載荷的下降階段，粘結應力的最大值則會向圓餅高壓實膨潤土的柱頂偏移，柱根部位的粘結應力則會減小為零，觀察整個加栽過程，不難發現柱根部位的滑移量最大，并且向柱頂方向逐漸減小。試件粘結應力隨著荷載循環次數增加而減小，滑移量增大，進而會出現粘結退化現象，試件本身出現損傷。

關鍵詞：高壓實膨潤土;粘結滑移性能;粘結強度;粘結應力;損傷耗能

中圖分類號：TU443;TU398⁺.9 文獻標識碼：A 文章編號：1001—5922（2021）01—0093—04

隨著現代科學技術的不斷發展進步，我國的核科學取得了一定的發展成就，核能在工業，國防，醫學及農業等領域都得到了十分廣泛的應用，核能的廣泛應用極大的促進了國家的經濟建設發展。但是，利用核能給生活生產帶來便利的同時也產生了大量的高放射廢棄物，從人們生活環境的安全考慮，需要將這些高放射廢棄物妥善西處置。國際上普遍使用深地質埋藏法來對高放廢物進行處置，最常使用的是雙重屏障系統，該系統是開挖豎井和水平巷道，然后在距離地表500～1000m深的合適巖體中埋藏高放廢物，同時為了防止放射性核素向外泄露和擴散會設置雙重屏障，實現高放廢物和人類生存環境的有效隔離，以此達到安全處置的目的。該系統中的雙重屏障指的是人工屏障和天然屏障，天然屏障即指天然的地質體，人工屏障的構成則是廢物包裝容器，高放廢物玻璃固化體以及緩沖回填材料組成，從以往的許多研究結果都可以看出，以蒙脫石為主要成分的高壓實膨潤土是最佳的緩沖回填材料，其具有較高的膨脹性，較強的吸附能力以及很低的滲透性，因此作為緩沖回填的材料最為合適。

高放廢物深地質處置場的最后一層人工屏障就是緩沖層，這就要求高壓實膨潤土具有較好的力學強度以及延展性。此外在荷載的作用下，緩沖層同高放廢物容器和固化體產生相對滑移翻，該滑移的產生會使得高壓實膨潤土的工作性能，同時會影響整個構件的承載力，因此必須對高壓實膨潤土粘結滑移性能進行更加深入的研究。

1試驗

1.1試驗材料

這里我們選擇內蒙古高廟子膨潤土作為試驗材料，其主要成分是蒙脫石，含量達70%一80%，主要化學成分有H2O、Al2O3以及SiO2，表1是其基本的物理性質。

1.2粘結應力測試方法

根據日常生活中的力學常識可知，高壓實膨潤土與與之相連的構件界面上某一點的粘結應力同該處的高壓實膨潤土的應力變化相關，粘結應力與高壓實膨潤土的應力滿足異一階導數關系。在試驗過程中，實驗開始前布置好的滑移感應器和電阻應變片會幫助測得相應位置的應力分布，可以得到相應的應力分布函數，在對其進行求導，這樣就可以確定試件的粘結應力。

1.3滑移測試方法

粘結滑移性能研究中最關鍵的問題之一就是高壓實膨潤土同圍巖界面上的相對滑移測量，試驗過程中，我們會在試件內部安裝電子滑移傳感器，通過這些電子滑移傳感器就能夠有效測得高壓實膨潤土的滑移距離。

1.4試驗試件和參數設計

試驗中選用10個試件，各個試件的參數設計如下表所示，選用的高壓膨潤土直徑為50mm，高度分別為12mm、24mm、36mm以及50mm。

1.4試驗加載方法

在整個試驗過程中，我們會針對試驗對象進行抗震性能試驗方法進行試驗，首先在試件的軸向通過千斤頂和荷載傳感器施加荷載，并且使其達到某個恒定的穩定值，然后保持軸向載荷不變，進行水平方向施加拖拉荷載，試驗中所用裝置簡圖如圖2所示：

1.5合理布置傳感器

在試驗開始之前，將傳感器布置在試件一側的根部，中部以及頂部位置，這是因為在販毒加載時，試件兩側在裝置每次推拉過程中都會分別經歷拉和壓的狀態，因此，之用在試件的一方安裝傳感器即可測得相應應力狀態的的滑移。

2試驗結果

2.1荷載一滑移滯回曲線

由事先安裝在試件上的電子滑移傳感器，可以得到其在不同狀態下的滑移，根據這些測得的這些數據就能夠繪制相應的荷載一滑移滯回曲線，根據試驗數據結果可以得到試件的荷載一滑移滯回曲線，如圖3所示。

從圖中可以總結一下4點。

1）當水平荷載在60%極限荷載以下時，試件只會發生很小的滑移量，從圖中可以看出此時的荷載和加載曲線基本呈直線狀態，并且當荷載為零時，滑移自然恢復。但是當所施加荷載大于極限荷載的60%之后，試件的滑移就會逐漸增大，荷載的加載曲線就會發生偏離，不會再是直線，并且當荷載為零時，試件的滑移不會恢復，這是由于試件會受到反向摩擦力的影響，只有在對試件反向加載一定量時，其滑移才能夠恢復。如果繼續增加荷載，滑移則會朝著反向不斷增大，其反向卸載曲線同前半循環類似，同樣當卸載至零時也會有殘余滑移。當所施加的荷載超過極限荷載之后，荷載一滑移滯回曲線的卸載及加載曲線沒有發生較大變化，滑移量明顯地大幅度增長，但是滑移剛度則會不斷減小，這種狀態下即使施加的荷載極小也會使得滑移量成倍的加大。

2）從圖中還可以看出，滑移性能會受到水平荷載循環次數的嚴重影響，即當保持同一水平位移，對事件循環加載3次，并且保持相同的加載規律，結果卻會發現第2、3次加載時試件的滑移量更大，而滑移剛度減小的趨勢較為明顯。

3）高壓實膨潤土試件在受到拉應力和壓應力時的滑移規律基本是一樣的，但是其受到壓應力時的滑移要略大一些，這是由于在受到拉應力和壓應力時試件的應力水平。

4）隨著試件滑移量的增加，荷載一滯回曲線會變得越來越豐滿，同時在加載過程中也沒有明顯的捏攏現象。這是由于高壓實膨潤土不同于其他構件的粘接機理不同所致。

2.2粘結應力試驗結果

高壓實膨潤土試件在不同的荷載水平下會產生不同的應力，而這些應力可以由事先安裝在試件上的應變片測得，然后根據測得的結果進行統計回歸就可以獲得試驗試件的應變分布函數，則粘結應力的分布規律曲線就可以經過對應變函數求導獲得，經過分析高壓實膨潤土的粘結應力有3個方面的特點。

1）試驗試件的粘結應力會對著水平荷載的增加而增大，但是在實際的試驗過程中也會存在個別試的水平荷載達到極限荷載的60%～70%時，其粘結應力就達到了最大值，并且之后隨著水平荷載的增加，粘結應力會逐漸減小。

2）在對試件進行水平加載的過程中，粘結應力的最大值位于試件的中部，并且由中部向兩邊逐漸遞減，沿著柱高的方向是呈現的拋物線狀分布。這與以往的推出試驗結果是不同的，這表明試件的粘結應力分布受到試件受力狀態的影響，不同的受力狀態會導致不同的粘結應力分布。

3）在對試件施加水平推和水平拉荷載時，試件的粘結應力的反向剛好相反，同時試驗裝置會對試件根部有一定的約束力，因此，愛試件根部一定的范圍內，某個區域存在一定的反粘結應力，這個區域沒得粘結應同試件其他部位的粘結應力反向正好相反。

3反復荷載下粘結應力的退化

3.1荷載循環次數對粘結應力的影響

根據上面粘結性能的試驗結果可以看出，試件的粘結性能會對著荷載的反復作用而逐漸降低，其粘結強度也不斷減小，同時粘結剛度不斷下降。這種現象同樣存在于圓餅狀的高壓實膨潤土中，下圖是荷載循環次數與粘結應力的關系曲線圖，從試驗結果可以看到，試驗試件不同界面的粘結應力會隨著加載循環次數的增加而不斷增加，這也間接說明試件出現了粘結退化現象，即試件出現了耗能損傷。

4結語

經過一系列的試驗，可以得出我們的實驗結果，在同時對圓餅狀高壓實膨潤土施加水平荷載和軸向荷載時，試件的滑移沿著柱高呈基本的指數分布，從試驗結果可知，滑移量最大的是試件的底部，并且越往頂部其滑移量越小，高壓實膨潤土的荷載一滑移滯回曲線比較豐滿，且整個加載過程不會出現明顯捏攏現象;在水平荷載的加載過程中，試件的粘結應力分布狀態是沿著試件柱高呈現拋物線的形態，沿著兩邊遞減;當荷載的循環次數增加時，試件的粘結應力會減小，其滑移增大，出現粘結退化現象，粘結退化率與加載次數滿足負指數曲線分布。現階段，對高壓實膨潤土的粘結滑移性能的研究還不夠深入，但是高壓實膨潤土對在高放廢物的處置中發揮著十分重要的作用，所以未來對其粘結滑移性能和耗能損失應該進行進一步的研究。