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(1.桂林理工大學 土木與建筑工程學院，廣西 桂林 541004； 2.長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司， 武漢 430010； 3.中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222；4.中鐵大橋局集團 武漢置業(yè)發(fā)展有限公司，武漢 430050)

1 研究背景

水化學環(huán)境變異是指由于人為或是自然氣候原因導致的孔隙水組分、濃度發(fā)生改變，這種孔隙水性質的變異打破了原本平衡的水-土化學、力學狀態(tài)，從而使巖土介質的力學特性發(fā)生改變，這種水化學環(huán)境的變異主要涉及到酸、堿、鹽3個方面的組分或是濃度的改變[1-4]。這種由于水化學環(huán)境變異引起的巖土工程問題廣泛地存在于自然界內，特別是存在于有關能源、環(huán)境保護、極端氣候下地質災害等相關巖土工程的問題中，并且逐漸發(fā)展為一個不可忽視的問題。特別著名的一個例子是北海Ekofisk區(qū)域由于石油開采引起的海底地表沉降，相關的石油公司試圖通過海水回灌的方法來阻止海底地表的沉降，最終的結果是海水回灌并沒有阻止沉降反而加快了沉降[5-7]，這是一個典型的水化學環(huán)境變異引起的巖土工程問題。除此以外，在各種鉆探過程中，護壁泥漿會改變原有孔隙水的組分以及濃度，導致井壁的力學性質發(fā)生改變引起變形，變形又會引起滲流、濃度變化，這些相互影響可能導致井壁失穩(wěn)坍塌；垃圾填埋場中溶質的遷移引起孔隙水組分的改變，會導致防護層滲流和變形特性發(fā)生變化，最后可能導致有害物質的滲漏；核廢料處置庫中核素等溶質遷移引起孔隙水組分、濃度的變化，改變緩沖材料的力學性質，導致原有評估的失效，甚至有可能發(fā)生泄露；水庫周期性的水位升降必然會引起孔隙水溶質的動態(tài)變化，從而改變了庫岸土體的力學特性，為庫岸滑坡提供了可能性條件[8]；在極端氣候頻現(xiàn)的今天，長時間的干旱和洪澇會使巖土介質中孔隙溶液的溶質濃度發(fā)生很大的改變，這種改變會對巖土介質的力學特性產生不可忽視的影響，使土體發(fā)生開裂、滑坡等地質災害。這些例子都生動地說明了水化學環(huán)境變異對巖土介質力學特性影響必須引起足夠的重視，并開展相應的研究。

水化學環(huán)境變異對巖土物理力學特性的影響研究始于20世紀40年代(Winterkorn & Moorman, 1941; Bolt, 1956)[1, 9]，但是發(fā)展較為緩慢，一方面的原因是由于社會背景需求不大；二是巖土工程、化學工程學科的分離，各領域的專家很難綜合利用化學作用和力學作用相結合的辦法來考慮。然而，隨著近些年來環(huán)境能源領域中巖土工程問題的日益突出，既有經(jīng)典的土力學理論有很難解決這些問題，很多學者意識到這些工程問題必須把化學-力學相互結合起來進行綜合考慮才能解決。為此，國內外的相關學者已經(jīng)開始了化學-力學相互耦合的研究，但尚處于初始階段。針對于以上情況，本文通過收集、閱讀、歸納整理，介紹了目前水化學環(huán)境變異對巖土介質的物理力學特性影響研究的研究現(xiàn)狀，指出了目前亟待解決的關鍵科學問題，并整理出了此課題后期研究的方向。

2 物理力學試驗研究進展

大量的試驗研究表明，水化學環(huán)境變異對巖土介質的物理力學性質具有重要的影響[10-19]。然而，揭示水化學環(huán)境變異對巖土介質的物理特性和力學特性的影響規(guī)律，進行系統(tǒng)的試驗研究是唯一途徑。因此，目前國內外相關學者對于水化學環(huán)境變異下巖土介質的物理力學行為的響應展開了不少研究，但主要集中在液塑限、壓縮性、強度等方面。

在水化學環(huán)境發(fā)生改變的情況下，黏土內部組織物理化學成分和結構組成由于水化學作用而產生變異，從而引起黏土宏觀物理力學特性的改變。湯連生把這種水化學作用分為3種，分別是溶蝕作用、沉淀作用或結晶作用和陽離子的交換吸附作用[14]。由于水化學作用強度與礦物成分和組成存在很大的聯(lián)系，對于由蒙脫石、高嶺土、伊利石綜合組成的一般黏土，水化學作用機制也存在不同，繼而產生的外部物理力學響應也不同，所以一般黏性土對水化學環(huán)境狀態(tài)變化的物理力學響應相當復雜。由于蒙脫石和高嶺土在微觀物理結構上具有較大的差距，而伊利石處于二者之間，因此目前關于水化學環(huán)境變異對黏性土物理力學行為的影響研究，主要針對于主要成分為蒙脫石的膨潤土以及高嶺土進行試驗研究。下面本文主要針對于膨潤土、高嶺土的研究狀態(tài)進行梳理。

2.1 膨潤土

膨潤土主要是一種以蒙脫石為主要成分的黏性土，由于作為垃圾填埋場和核廢料處置場的防護層而成為了研究的熱點。蒙脫土黏土礦物是2∶1型膨脹性層狀硅酸鹽黏土礦物，它的結構單位由2層硅氧四面體夾一層鋁氫氧(或鋁氧)八面體組成。由于自身的結構性，蒙脫土具有強烈的吸水性，在濕潤狀態(tài)下具有較強的黏滯性和可塑性，而在脫水時則會發(fā)生劇烈的收縮。當然，蒙脫土的這種脹縮性也與層間陽離子的種類有關[20]。同時，蒙脫土的這些礦物組分和結構組成也造就了蒙脫土對化學環(huán)境變異的敏感性。

液塑限指標是反映土體內部礦物和結構組成的物理參數(shù)。R.J.Petrov等[21](1997)在試驗中采用NaCl溶液飽和土體，研究NaCl溶液對蒙脫土液限的影響，發(fā)現(xiàn)隨著溶液濃度度從0 mol/L上升到2.0 mol/L，蒙脫土的液限從530下降到96。J.M.Lee等[22](2005)研究了不同濃度CaCl2溶液對蒙脫土液塑限的影響，也發(fā)現(xiàn)蒙脫土的液限有所下降。S.Arasan等[23](2008)測試了4種不同的化學溶液下高塑性土(主要成分膨潤土)的液塑性，結果表明液限隨著濃度的增大而降低，塑限在低鹽分濃度時，隨著濃度增加而降低，而在高濃度隨著濃度增大而升高。M.Calvello等[15]采用不同的溶質溶液對蒙脫土進行飽和后測試液限，發(fā)現(xiàn)化學組分和濃度均會對液限產生不可忽視的影響。圖1給出了不同濃度NaCl溶液對液限的影響示意圖，圖2給出了不同化學組分在不同濃度情況下對商業(yè)蒙脫土液限的影響。這些類似的研究也有很多學者涉及，并且得出了相對一致的結論[11, 24]，即隨著鹽類溶液濃度增大，液限降低，塑限先降后増。這種改變是由于鹽溶液改變了吸附雙電子層的厚度以及土顆粒產生了凝聚，從而改變了土體的液塑限。

圖1 不同濃度NaCl溶液制備膨潤土的液限

圖2 不同化學溶液對商業(yè)蒙脫土液限的影響

壓縮性和強度是工程應用中一個不可或缺的力學指標，因此進行壓縮試驗和剪切試驗是土力學研究的一個必備手段。C.Di Maio等[10](1994)采用NaCl溶液飽和膨潤土后進行強度測試，發(fā)現(xiàn)膨潤土的殘余強度對于化學溶液濃度非常敏感。為了明確化學溶液對膨潤土的影響機理，C.Di Maio[11](1996)進一步地進行了直剪試驗和排水固結試驗，并且采用X衍射技術來分析蒙脫土的吸附雙電子層結構。試驗發(fā)現(xiàn)任何一種化學溶液的加入，都會導致變形的降低以及強度的增加，同時X衍射技術分析證實了這是由于吸附雙電子層厚度在化學溶液的作用下通過離子交換、吸附等化學作用下變薄，雙電子層厚度變薄增加了土顆粒之間的摩擦，導致強度的提高。C.Di Maio等[25]研究了孔隙溶液化學濃度對壓縮性的影響，發(fā)現(xiàn)孔隙溶液濃度的增加會降低膨潤土的壓縮性，并且蒙脫土含量越高，這種效應越是明顯；同時采用高濃度鹽溶液飽和膨潤土試樣的壓縮性類似于高嶺土試樣，對鹽溶液濃度改變并不敏感，這也是由于鹽分改變了雙電子層的厚度的結果。M.Calvello等[15]研究了酸、鹽對蒙脫土的壓縮性和殘余強度的影響，發(fā)現(xiàn)可以利用介電常數(shù)對溶液進行描述，建立介電常數(shù)和這些力學指標之間的關系，但是這些結論只是初步的揭示二者之間的聯(lián)系，并沒有系統(tǒng)驗證。

從目前的研究來看，化學溶液對蒙脫土物理力學特性影響機制的核心是通過影響土顆粒表面的吸附水雙電子層的厚度來體現(xiàn)。蒙脫土中的蒙脫石含量非常豐富，具有相當發(fā)育的雙電子擴散層，因此具有很強烈的吸水性，所以液塑限一般較高。但在孔隙水中添加了化學溶質后，通過鹽離子的替換吸附作用，是內部靜電場重新構成，同時鹽離子的加入會降低孔隙水的活度，吸附水也會轉化為自由水。因此導致吸附水雙電子層厚度降低，從而降低了液限；在壓縮過程中，吸附水轉化為自由水排出，導致了土體進一步的壓縮；在雙電子層變薄的過程中，土體顆粒之間變得粗糙，增加了摩擦強度，提高了強度[3, 15, 26-29]。但是對于土體黏聚力的影響，目前還需要進一步的研究。

2.2 高嶺土

相對于蒙脫土，高嶺土由于自身結構的差異性對水化學環(huán)境場的變化展現(xiàn)出不同的物理力學響應。J.Park等[30](2006)在水化學環(huán)境為表面活性劑和NaPO3，CaCl2溶液情況下對高嶺土、高嶺土-砂混合土進行了液塑限測試，發(fā)現(xiàn)溶液對于液限的影響很小，而降低了高嶺土的塑限；而S.Arasa等[23]通過研究孔隙鹽溶液對低塑性土的影響發(fā)現(xiàn)隨著鹽溶液濃度的提高，液塑限均有較為明顯的提高；P.V.Sivapullaiah等[31](2005) 通過液塑限試驗分析認為由于孔隙NaOH溶液的水-高嶺土土化學作用生產了新的物質導致了液限的增加。Moore(1991)研究了水化學環(huán)境為NaCl，CaCl2溶液對主要以高嶺石礦物為主的土的力學強度影響，發(fā)現(xiàn)濃度從0.2～1.0 g/L增大，強度有明顯的提高[17]；而C.Di Miao等[10](1994)采用NaCl溶液飽和試樣研究了水土化學-力學作用對強度影響，認為高嶺土強度受孔隙鹽溶液影響不大；R.W.W.Anson等[12](1998)通過試驗發(fā)現(xiàn)較高的鈣離子溶液會稍微的提升高嶺土的強度；A.Anandarajah等[32](2000)利用甲酰胺、乙醇、乙酸、三乙胺和庚烷溶液淋濾高嶺土試樣后進行不排水三軸試驗，試驗結果表明這些有機溶液可以使正常固結高嶺土展現(xiàn)出超固結土的性質，并且認為這些差異是由于物理化學特性的改變所導致的。A.S.Wahid等(2011)利用商業(yè)高嶺土研究了酸、堿、鹽溶液對液塑限、壓縮性、強度的影響，認為高嶺土的物理力學特性受鹽溶液影響并不敏感，但是酸、堿溶液對于高嶺土的物理力學特性影響明顯并且復雜，同時認為在酸堿溶液環(huán)境下，高嶺土宏觀物理力學特性受離子交換吸附改變雙電子層厚度效應和礦物酸堿侵蝕溶解效應2種水土化學-力學作用的綜合影響，從而出現(xiàn)了在水化學環(huán)境恢復時，高嶺土展現(xiàn)的可逆行為和不可逆行為[18-19]。

從以上針對于膨潤土和高嶺土的試驗研究現(xiàn)狀可以得知，目前關于膨潤土的物理力學特性在水化學環(huán)境變下受水土化學-力學作用的影響已得出了一致的規(guī)律，離子交換吸附改變雙電子層厚度效應可以用來解釋蒙脫土對水化學環(huán)境發(fā)生改變的物理力學響應；而對于高嶺土，雖然試驗研究較多，但是試驗結果較為零散而不系統(tǒng)，不同水化學環(huán)境下受水土化學-力學作用影響后的物理力學特性一致性差，有的甚至相互矛盾，因此目前也沒有形成較為統(tǒng)一的機理解釋,需要進一步的進行研究探索。

2.3 一般性黏土

除了垃圾填埋場、核廢料處置場中的隔離層是采用比較純的蒙脫土，大部分工程所涉及的巖土介質都是一般性黏土，也就說是蒙脫石、高嶺土、伊利石的混合體。因而在一般性工程中，巖土介質受水化學作用影響而展現(xiàn)出來的物理力學響應就更為復雜。針對于具體的工程需求背景，很多學者也做了不少的研究。為了評價酸堿溶液對巖土介質的物理力學特性的影響，以淤泥質黏土作為研究背景，劉漢龍等[33]分析了不同濃度的酸堿對巖土介質基本物理性質的影響，包括對有機質含量、土粒相對密度、粒度成分和液塑限的影響，并且得出了以下結論：酸降低了有機質含量、土顆粒相對密度和液限，提高了塑限；堿則可以增加土顆粒相對密度、液塑限，但還是降低了有機質含量。隨后，朱春鵬等[17](2008)又采用淤泥質黏土進行了壓縮試驗，研究不同濃度酸堿污染土的壓縮變形性質，并且分析了酸、堿作用黏土的壓縮性質的影響因素。近期，朱春鵬等[34-35]又采用直剪試驗和三軸試驗研究了影響酸堿污染淤泥質黏土的變形、強度特性的外部因素，試驗表明：污染土的應力-應變曲線隨酸濃度的增大，軟化特性越顯著；堿濃度越大，軟化特性越不明顯，呈現(xiàn)塑性破壞。但遺憾的是作者沒有給出相應的機理解釋，僅在分析試驗結果的基礎上建立了酸堿污染土總應力強度與濃度的關系式

(σ1-σ2)max=2q=

2ξ+2μnc+2αP+2βncP。

(1)

式中:ξ，μ，α和β為擬合參數(shù);q為土體受到的最大剪應力;p表示土樣在試驗時所受的圍壓，nc表示酸溶液的濃度。王洋等[16](2007)研究了殘積紅黏土特殊的物理化學性質及結構特征，紅黏土的力學性質隨著周圍水化學環(huán)境的變化而發(fā)生變異，其中C,φ值和pH值呈現(xiàn)很良好地線性關系，水化學作用的物性變異導致了紅黏土力學性質的變化具有雙面性，可以使土的強度降低，也可以使土體的力學強度變大；N.Shariatmadari等[36](2011)研究了CaCl2溶液和NaCl溶液飽和對蒙脫土-石英砂混合土的液塑限指標和不排水強度的影響，以尋求垃圾填埋場防護層的工程設計上的理論支持；I.Gratchev等[37]研究了日本海洋自然土后酸污染后的壓縮性的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)酸會使土的結構性破壞使壓縮性變大，而酸使電子擴散層的變薄卻會使壓縮性變小。除此以外，目前還有很多類似的研究[21, 30, 38-39]。

綜合分析目前關于水化學環(huán)境變異對黏土物理力學特性的試驗研究，可以看出這些研究只是零散地對單個礦物成分進行物理力學性質的研究，分析酸、堿、鹽對黏土物理力學性質的影響，并不能系統(tǒng)地揭示出水化學環(huán)境變異下黏土的物理力學響應規(guī)律，當然也沒有比較完善的機理解釋。

3 理論模型研究進展

對于一個科學問題，提出相應的理論對其進行描述，對相應的邊界值問題進行模擬、預測，繼而對工程實踐具有評估、指導的作用，這是科學研究的目的。因此，形成一套理論能夠對水化學環(huán)境變異下黏性土的物理力學響應進行描述非常重要。但是，由于水化學環(huán)境變異下黏性土的物理力學特性很難利用原有經(jīng)典土力學的基礎上進行修改后進行描述，必須把化學和力學進行綜合考慮來解決水-土化學力學相互耦合的問題，所以建立能夠描述這一科學問題的理論顯得比較困難。

S.Homand等[6-7]利用不同化學溶液飽和白堊巖進行應力式三軸剪切試驗，基于試驗結果，在彈塑性框架內利用雙屈服面模型來描述白堊巖的化學力學行為, 無疑這一模型的建立對于考慮水化學環(huán)境變異下水土化學-力學作用的理論模型具有很大的啟發(fā)性。B.Loret等[40](2002)考慮固相為土顆粒、吸附水、鹽分；液相為自由水和鹽分，同時自由水和鹽分能在兩相之間轉化，在基于化學勢平衡理論，建立了考慮化學-力學相互作用的均質膨脹土的彈塑性本構模型，該模型能很好地模擬鈉基膨脹土的化學固結行，并且很好的描述在化學溶液恢復后土體的體積恢復。A.Gajo等[41](2002)對Loret等人提出的本構模型進行了修正，使其能更好地模擬自然非均質膨脹土的一般力學行為。然而，考慮到目前很多化學溶液都不是中性的，而是帶有酸性或是堿性的，pH值會很大程度上影響膨脹土[42]或是高嶺土的內部結構以及形狀排布[19]，因此，在模型中必須考慮PH值對化學力學行為的影響。A.Gajo等[42](2007)在原來模型的基礎上，考慮酸化、堿化環(huán)境對離子交換、水化作用的影響，建立了能描述酸堿環(huán)境中離子交換、水化作用對力學行為影響的理論模型，但是該模型忽略了酸堿溶液中溶蝕和聚沉作用。值得說明的是，這些模型只是基于特定背景下根據(jù)零散試驗結論而建立的，又鑒于基礎理論的限制，模型的建立沒有很明確的規(guī)律、機理依據(jù)，更沒有考慮水化學-力學的微細觀-宏觀作用相互耦合的效應。

由于越來越多的學者認識到傳統(tǒng)的經(jīng)典土力學理論難以直接應用到化學-力學耦合的巖土工程問題中，并且一致認為在考慮力學效應的同時必須考慮物理化學效應，把二者進行綜合考慮才能解決類似的環(huán)境巖土工程問題。近年來，一些學者在原有的經(jīng)典土力學理論的基礎上進行了物理化學類的擴展，主要是針對于有效應力的適用范圍的討論和修正。S.J.Goncalves等[43]研究分析了頁巖層中孔隙壓力的意義，認為在表面帶負電的礦物之間的靜電作用會產生一個所謂的“楔裂壓”應力，這種應力實際上是具有同樣位勢孔隙水和大體積水之間的壓力差，這種壓力差受孔隙水化學成分影響顯著，通常我們所說的“膨脹力”就是這種應力的宏觀體現(xiàn)。

(2)

基于以上對有效應力的擴展以及提出的廣義滲透壓力的表達式，韋昌富和馮夏庭還進一步建立了考慮多孔介質化學-力學耦合效應的本構理論框架，這一框架為模擬水化學環(huán)境變異下黏性土的水化學-力學行為提供了重要的理論基礎。然而，所提出有效應力的基本表達式以及本構理論框架并沒有進行具體的應用模擬，還需要進行試驗上的驗證。

從以上的分析來看，目前關于在水化學環(huán)境變異下考慮化學-力學耦合作用的巖土工程學問題研究還處于起步階段，主要的原因是由于化學-力學相互作用的機理尚未明確，很難建立能有效考慮化學-力學相互作用效應的理論框架，這方面還有很長的一段路要走。

4 亟待解決的問題及后期研究方向

從以上論述的研究現(xiàn)狀來看，目前關于水化學環(huán)境變異下水化學-力學相互作用的巖土力學問題的研究還處于起步階段，主要以探索水化學-力學的相互作用機制為主，也有少數(shù)學者嘗試著建立考慮水化學-力學耦合的理論框架。但是目前仍存在幾個關鍵問題亟待解決：① 水化學環(huán)境-微細觀結構-物理性質的相互影響機理仍不完善，仍需進行進一步的探究形成共識；② 水化學環(huán)境變化對宏觀力學特性影響規(guī)律不清楚，未建立宏觀物理力學指標-水化學環(huán)境之間的定量表述；③ 尚未建立具有明確水化學-力學相互影響規(guī)律、機理依據(jù)，同時考慮水化學-力學跨尺度耦合效應的本構關系模型。為了解決以上的幾個關鍵問題，必須從以下幾個研究內容入手：① 外界化學環(huán)境變化對巖土介質化學系統(tǒng)狀態(tài)的影響；② 巖土介質化學狀態(tài)與微細觀結構的耦合關系；③ 化學狀態(tài)變化對土顆粒間相互力學作用的微觀影響；④ 巖土介質化學狀態(tài)與力學特性參數(shù)之間的定量關系；⑤ 本構模型的建立及工程應用模擬。

5 結 論

本文立足于水化學環(huán)境變異引起的環(huán)境巖土工程問題，分別從試驗分析和理論描述上分析了水化學環(huán)境變異下化學-力學相互作用耦合問題的研究現(xiàn)狀。

經(jīng)過總結歸納，發(fā)現(xiàn)目前大部分的研究主要單單地針對于蒙脫石含量為主的膨潤土和高嶺石為主的高嶺土受水化學環(huán)境變異的物理力學效應(液塑限、強度、壓縮性等)的影響，對于一般性黏土研究較少。對于以蒙脫石含量為主的膨潤土的研究較為透徹，得出了較為一致的變化規(guī)律并且揭示了其影響機理，認為水化學環(huán)境的變化引起了土顆粒周圍的雙電子層的厚度的變化，從而進一步影響其物理力學特性；而對于高嶺土和一般性黏土，由于缺乏系統(tǒng)、完整的試驗，目前并沒有形成較為統(tǒng)一的機理解釋,需要進一步的進行研究探索。

為了評估水化學環(huán)境變異對巖土地層的變形、強度等力學問題的影響，建立一套理論能夠對水化學環(huán)境變異下黏性土的物理力學響應進行描述非常重要。由于化學-力學耦合作用的機理的缺失，目前的工作也只是嘗試性的建立考慮化學-力學耦合巖土力學理論，并且這些理論也沒有經(jīng)過系統(tǒng)的試驗驗證和應用，因此如若要建立能有效考慮化學-力學相互作用效應的理論框架，還需要有很長的一段路要走。最后，對本研究方向的需要解決的問題和科學問題進行了總結和歸納，以便參考。

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