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(zhì)埋藏法，其中高壓實膨潤土作為緩沖回填材料發(fā)揮了重要作用。高壓實膨潤土的粘結(jié)滑移性能是高放廢物處置場長期安全性的關(guān)鍵因素。文章在圓餅狀高壓實膨潤土外側(cè)布置滑移傳感器和電阻應(yīng)變片，被別對在軸力和反復(fù)水平載荷作用下的圓餅狀高壓實膨潤土的粘結(jié)滑移性能進行了試驗研究。經(jīng)過一系列試驗后可以得到相栽荷一滑移滯回等曲線，根據(jù)這些試驗結(jié)果可以看出，在載荷的上升階段，粘結(jié)應(yīng)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(xiàn)拋物線狀分布，在載荷的下降階段，粘結(jié)應(yīng)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(jié)應(yīng)力則會減小為零，觀察整個加栽過程，不難發(fā)現(xiàn)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(jié)應(yīng)力隨著荷載循環(huán)次數(shù)增加而減小，滑移量增大，進而會出現(xiàn)粘結(jié)退化現(xiàn)象，試件本身出現(xiàn)損傷。

關(guān)鍵詞：高壓實膨潤土;粘結(jié)滑移性能;粘結(jié)強度;粘結(jié)應(yīng)力;損傷耗能

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

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展進步，我國的核科學(xué)取得了一定的發(fā)展成就，核能在工業(yè)，國防，醫(yī)學(xué)及農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域都得到了十分廣泛的應(yīng)用，核能的廣泛應(yīng)用極大的促進了國家的經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展。但是，利用核能給生活生產(chǎn)帶來便利的同時也產(chǎn)生了大量的高放射廢棄物，從人們生活環(huán)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(zhì)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(tǒng)，該系統(tǒng)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(shè)置雙重屏障，實現(xiàn)高放廢物和人類生存環(huán)境的有效隔離，以此達(dá)到安全處置的目的。該系統(tǒng)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(zhì)體，人工屏障的構(gòu)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(jié)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(zhì)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(xué)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(chǎn)生相對滑移翻，該滑移的產(chǎn)生會使得高壓實膨潤土的工作性能，同時會影響整個構(gòu)件的承載力，因此必須對高壓實膨潤土粘結(jié)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(nèi)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(dá)70%一80%，主要化學(xué)成分有H2O、Al2O3以及SiO2，表1是其基本的物理性質(zhì)。

1.2粘結(jié)應(yīng)力測試方法

根據(jù)日常生活中的力學(xué)常識可知，高壓實膨潤土與與之相連的構(gòu)件界面上某一點的粘結(jié)應(yīng)力同該處的高壓實膨潤土的應(yīng)力變化相關(guān)，粘結(jié)應(yīng)力與高壓實膨潤土的應(yīng)力滿足異一階導(dǎo)數(shù)關(guān)系。在試驗過程中，實驗開始前布置好的滑移感應(yīng)器和電阻應(yīng)變片會幫助測得相應(yīng)位置的應(yīng)力分布，可以得到相應(yīng)的應(yīng)力分布函數(shù)，在對其進行求導(dǎo)，這樣就可以確定試件的粘結(jié)應(yīng)力。

1.3滑移測試方法

粘結(jié)滑移性能研究中最關(guān)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(nèi)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(shù)設(shè)計

試驗中選用10個試件，各個試件的參數(shù)設(shè)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(dá)到某個恒定的穩(wěn)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(cè)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(cè)在裝置每次推拉過程中都會分別經(jīng)歷拉和壓的狀態(tài)，因此，之用在試件的一方安裝傳感器即可測得相應(yīng)應(yīng)力狀態(tài)的的滑移。

2試驗結(jié)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(tài)下的滑移，根據(jù)這些測得的這些數(shù)據(jù)就能夠繪制相應(yīng)的荷載一滑移滯回曲線，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)結(jié)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(jié)一下4點。

1）當(dāng)水平荷載在60%極限荷載以下時，試件只會發(fā)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(tài)，并且當(dāng)荷載為零時，滑移自然恢復(fù)。但是當(dāng)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(fā)生偏離，不會再是直線，并且當(dāng)荷載為零時，試件的滑移不會恢復(fù)，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(fù)。如果繼續(xù)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(huán)類似，同樣當(dāng)卸載至零時也會有殘余滑移。當(dāng)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(fā)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(tài)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(huán)次數(shù)的嚴(yán)重影響，即當(dāng)保持同一水平位移，對事件循環(huán)加載3次，并且保持相同的加載規(guī)律，結(jié)果卻會發(fā)現(xiàn)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(yīng)力和壓應(yīng)力時的滑移規(guī)律基本是一樣的，但是其受到壓應(yīng)力時的滑移要略大一些，這是由于在受到拉應(yīng)力和壓應(yīng)力時試件的應(yīng)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(xiàn)象。這是由于高壓實膨潤土不同于其他構(gòu)件的粘接機理不同所致。

2.2粘結(jié)應(yīng)力試驗結(jié)果

高壓實膨潤土試件在不同的荷載水平下會產(chǎn)生不同的應(yīng)力，而這些應(yīng)力可以由事先安裝在試件上的應(yīng)變片測得，然后根據(jù)測得的結(jié)果進行統(tǒng)計回歸就可以獲得試驗試件的應(yīng)變分布函數(shù)，則粘結(jié)應(yīng)力的分布規(guī)律曲線就可以經(jīng)過對應(yīng)變函數(shù)求導(dǎo)獲得，經(jīng)過分析高壓實膨潤土的粘結(jié)應(yīng)力有3個方面的特點。

1）試驗試件的粘結(jié)應(yīng)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(dá)到極限荷載的60%～70%時，其粘結(jié)應(yīng)力就達(dá)到了最大值，并且之后隨著水平荷載的增加，粘結(jié)應(yīng)力會逐漸減小。

2）在對試件進行水平加載的過程中，粘結(jié)應(yīng)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(xiàn)的拋物線狀分布。這與以往的推出試驗結(jié)果是不同的，這表明試件的粘結(jié)應(yīng)力分布受到試件受力狀態(tài)的影響，不同的受力狀態(tài)會導(dǎo)致不同的粘結(jié)應(yīng)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(jié)應(yīng)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(nèi)，某個區(qū)域存在一定的反粘結(jié)應(yīng)力，這個區(qū)域沒得粘結(jié)應(yīng)同試件其他部位的粘結(jié)應(yīng)力反向正好相反。

3反復(fù)荷載下粘結(jié)應(yīng)力的退化

3.1荷載循環(huán)次數(shù)對粘結(jié)應(yīng)力的影響

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

4結(jié)語

經(jīng)過一系列的試驗，可以得出我們的實驗結(jié)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(shù)分布，從試驗結(jié)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(xiàn)明顯捏攏現(xiàn)象;在水平荷載的加載過程中，試件的粘結(jié)應(yīng)力分布狀態(tài)是沿著試件柱高呈現(xiàn)拋物線的形態(tài)，沿著兩邊遞減;當(dāng)荷載的循環(huán)次數(shù)增加時，試件的粘結(jié)應(yīng)力會減小，其滑移增大，出現(xiàn)粘結(jié)退化現(xiàn)象，粘結(jié)退化率與加載次數(shù)滿足負(fù)指數(shù)曲線分布。現(xiàn)階段，對高壓實膨潤土的粘結(jié)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(fā)揮著十分重要的作用，所以未來對其粘結(jié)滑移性能和耗能損失應(yīng)該進行進一步的研究。