武汉岩土所建立了岩土介质化学-力学耦合的新理论

　　岩土介质均含有多种组份，通常具有带电性。在温度变化、化学作用、物理扰动等环境荷载作用下，这类介质表现出强烈的化学-力学耦合效应以及复杂的工程力学行为，有效模拟这些复杂效应与行为是解决许多重大科学和工程问题所面临的关键难题之一。在发生物理化学作用的情况下，传统THMC理论在描述岩土介质的行为特性时存在明显局限性。主要表现在：1）无法有效描述多相流动和多组分扩散；2）无法定义低含水量下孔隙水压力；3）无法描述水膜流动；4）无法准确定义有效应力或颗粒间应力；5）无法解释某些岩土介质的水弱化现象；6）无法有效表述相变条件；7）无法有效描述冻胀现象；8）无法解释深部地层的超孔压现象。 

　　中科院武汉岩土力学研究所韦昌富研究员基于多孔介质混合物理论与经典Gibbs 热动力学，建立了岩土介质化学-力学耦合的新理论，并提出组份电化学势的一般表达式以及能考虑土颗粒间电化学作用的有效应力公式。该理论首次将微观化学过程及其效应纳入到了连续介质力学理论范畴，实现了在统一框架上对热传导、变形、液体流动（包括Darcy流、微细观流动和水膜流动）、物质扩散、化学反应、压力溶解、相变等多种物理-化学耦合过程的理论描述；亦即，理论上统一了岩土介质中温度-水力学-力学-化学等物理化学场，有效解决了传统理论无法描述的问题。该研究成果以封面报道的形式发表在著名国际杂志Vadose Zone Journal (IF=2.7)上。 

　　目前，该理论已经得到了以下应用：阐明了地表非饱和土层孔压的分布规律，指出传感器测量到的孔压与真实孔压不同，并提出了考虑物理化学作用力的粒间应力表达式；给出了严格孔隙水冻-融条件，即广义的Clapeyron方程；冻土土水特征关系测试中存在的陷阱问题，结果表明温度对测试结果有重要的影响，发展新的测试方法是当务之急。 

　　上述工作得到国家自然科学基金重点（51239010）及面上等项目（41572293，11372078）的资助。  

　　论文信息：Changfu Wei, A theoretical framework for modeling the chemomechanical behavior of unsaturated soils, Vadose Zone Journal, 2014, 31(9): 1-21. doi:10.2136/vzj2013.07.0132. 

　　论文链接 

　　渗透压现象的示意图