杨楠 于明鑫 冯颖

摘要：国际上普遍用来处置高放废物的方法是深地质埋藏法，其中高压实膨润土作为缓冲回填材料发挥了重要作用。高压实膨润土的粘结滑移性能是高放廢物处置场长期安全性的关键因素。文章在圆饼状高压实膨润土外侧布置滑移传感器和电阻应变片，被别对在轴力和反复水平载荷作用下的圆饼状高压实膨润土的粘结滑移性能进行了试验研究。经过一系列试验后可以得到相栽荷一滑移滞回等曲线，根据这些试验结果可以看出，在载荷的上升阶段，粘结应力的最大值为时间的中部位置，并且有中部向两端呈递减趋势，沿着圆饼柱高呈现抛物线状分布，在载荷的下降阶段，粘结应力的最大值则会向圆饼高压实膨润土的柱顶偏移，柱根部位的粘结应力则会减小为零，观察整个加栽过程，不难发现柱根部位的滑移量最大，并且向柱顶方向逐渐减小。试件粘结应力随着荷载循环次数增加而减小，滑移量增大，进而会出现粘结退化现象，试件本身出现损伤。

关键词：高压实膨润土;粘结滑移性能;粘结强度;粘结应力;损伤耗能

中图分类号：TU443;TU398⁺.9 文献标识码：A 文章编号：1001—5922（2021）01—0093—04

随着现代科学技术的不断发展进步，我国的核科学取得了一定的发展成就，核能在工业，国防，医学及农业等领域都得到了十分广泛的应用，核能的广泛应用极大的促进了国家的经济建设发展。但是，利用核能给生活生产带来便利的同时也产生了大量的高放射废弃物，从人们生活环境的安全考虑，需要将这些高放射废弃物妥善西处置。国际上普遍使用深地质埋藏法来对高放废物进行处置，最常使用的是双重屏障系统，该系统是开挖竖井和水平巷道，然后在距离地表500～1000m深的合适岩体中埋藏高放废物，同时为了防止放射性核素向外泄露和扩散会设置双重屏障，实现高放废物和人类生存环境的有效隔离，以此达到安全处置的目的。该系统中的双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质体，人工屏障的构成则是废物包装容器，高放废物玻璃固化体以及缓冲回填材料组成，从以往的许多研究结果都可以看出，以蒙脱石为主要成分的高压实膨润土是最佳的缓冲回填材料，其具有较高的膨胀性，较强的吸附能力以及很低的渗透性，因此作为缓冲回填的材料最为合适。

高放废物深地质处置场的最后一层人工屏障就是缓冲层，这就要求高压实膨润土具有较好的力学强度以及延展性。此外在荷载的作用下，缓冲层同高放废物容器和固化体产生相对滑移翻，该滑移的产生会使得高压实膨润土的工作性能，同时会影响整个构件的承载力，因此必须对高压实膨润土粘结滑移性能进行更加深入的研究。

1试验

1.1试验材料

这里我们选择内蒙古高庙子膨润土作为试验材料，其主要成分是蒙脱石，含量达70%一80%，主要化学成分有H2O、Al2O3以及SiO2，表1是其基本的物理性质。

1.2粘结应力测试方法

根据日常生活中的力学常识可知，高压实膨润土与与之相连的构件界面上某一点的粘结应力同该处的高压实膨润土的应力变化相关，粘结应力与高压实膨润土的应力满足异一阶导数关系。在试验过程中，实验开始前布置好的滑移感应器和电阻应变片会帮助测得相应位置的应力分布，可以得到相应的应力分布函数，在对其进行求导，这样就可以确定试件的粘结应力。

1.3滑移测试方法

粘结滑移性能研究中最关键的问题之一就是高压实膨润土同围岩界面上的相对滑移测量，试验过程中，我们会在试件内部安装电子滑移传感器，通过这些电子滑移传感器就能够有效测得高压实膨润土的滑移距离。

1.4试验试件和参数设计

试验中选用10个试件，各个试件的参数设计如下表所示，选用的高压膨润土直径为50mm，高度分别为12mm、24mm、36mm以及50mm。

1.4试验加载方法

在整个试验过程中，我们会针对试验对象进行抗震性能试验方法进行试验，首先在试件的轴向通过千斤顶和荷载传感器施加荷载，并且使其达到某个恒定的稳定值，然后保持轴向载荷不变，进行水平方向施加拖拉荷载，试验中所用装置简图如图2所示：

1.5合理布置传感器

在试验开始之前，将传感器布置在试件一侧的根部，中部以及顶部位置，这是因为在贩毒加载时，试件两侧在装置每次推拉过程中都会分别经历拉和压的状态，因此，之用在试件的一方安装传感器即可测得相应应力状态的的滑移。

2试验结果

2.1荷载一滑移滞回曲线

由事先安装在试件上的电子滑移传感器，可以得到其在不同状态下的滑移，根据这些测得的这些数据就能够绘制相应的荷载一滑移滞回曲线，根据试验数据结果可以得到试件的荷载一滑移滞回曲线，如图3所示。

从图中可以总结一下4点。

1）当水平荷载在60%极限荷载以下时，试件只会发生很小的滑移量，从图中可以看出此时的荷载和加载曲线基本呈直线状态，并且当荷载为零时，滑移自然恢复。但是当所施加荷载大于极限荷载的60%之后，试件的滑移就会逐渐增大，荷载的加载曲线就会发生偏离，不会再是直线，并且当荷载为零时，试件的滑移不会恢复，这是由于试件会受到反向摩擦力的影响，只有在对试件反向加载一定量时，其滑移才能够恢复。如果继续增加荷载，滑移则会朝着反向不断增大，其反向卸载曲线同前半循环类似，同样当卸载至零时也会有残余滑移。当所施加的荷载超过极限荷载之后，荷载一滑移滞回曲线的卸载及加载曲线没有发生较大变化，滑移量明显地大幅度增长，但是滑移刚度则会不断减小，这种状态下即使施加的荷载极小也会使得滑移量成倍的加大。

2）从图中还可以看出，滑移性能会受到水平荷载循环次数的严重影响，即当保持同一水平位移，对事件循环加载3次，并且保持相同的加载规律，结果却会发现第2、3次加载时试件的滑移量更大，而滑移刚度减小的趋势较为明显。

3）高压实膨润土试件在受到拉应力和压应力时的滑移规律基本是一样的，但是其受到压应力时的滑移要略大一些，这是由于在受到拉应力和压应力时试件的应力水平。

4）随着试件滑移量的增加，荷载一滞回曲线会变得越来越丰满，同时在加载过程中也没有明显的捏拢现象。这是由于高压实膨润土不同于其他构件的粘接机理不同所致。

2.2粘结应力试验结果

高压实膨润土试件在不同的荷载水平下会产生不同的应力，而这些应力可以由事先安装在试件上的应变片测得，然后根据测得的结果进行统计回归就可以获得试验试件的应变分布函数，则粘结应力的分布规律曲线就可以经过对应变函数求导获得，经过分析高压实膨润土的粘结应力有3个方面的特点。

1）试验试件的粘结应力会对着水平荷载的增加而增大，但是在实际的试验过程中也会存在个别试的水平荷载达到极限荷载的60%～70%时，其粘结应力就达到了最大值，并且之后随着水平荷载的增加，粘结应力会逐渐减小。

2）在对试件进行水平加载的过程中，粘结应力的最大值位于试件的中部，并且由中部向两边逐渐递减，沿着柱高的方向是呈现的抛物线状分布。这与以往的推出试验结果是不同的，这表明试件的粘结应力分布受到试件受力状态的影响，不同的受力状态会导致不同的粘结应力分布。

3）在对试件施加水平推和水平拉荷载时，试件的粘结应力的反向剛好相反，同时试验装置会对试件根部有一定的约束力，因此，爱试件根部一定的范围内，某个区域存在一定的反粘结应力，这个区域没得粘结应同试件其他部位的粘结应力反向正好相反。

3反复荷载下粘结应力的退化

3.1荷载循环次数对粘结应力的影响

根据上面粘结性能的试验结果可以看出，试件的粘结性能会对着荷载的反复作用而逐渐降低，其粘结强度也不断减小，同时粘结刚度不断下降。这种现象同样存在于圆饼状的高压实膨润土中，下图是荷载循环次数与粘结应力的关系曲线图，从试验结果可以看到，试验试件不同界面的粘结应力会随着加载循环次数的增加而不断增加，这也间接说明试件出现了粘结退化现象，即试件出现了耗能损伤。

4结语

经过一系列的试验，可以得出我们的实验结果，在同时对圆饼状高压实膨润土施加水平荷载和轴向荷载时，试件的滑移沿着柱高呈基本的指数分布，从试验结果可知，滑移量最大的是试件的底部，并且越往顶部其滑移量越小，高压实膨润土的荷载一滑移滞回曲线比较丰满，且整个加载过程不会出现明显捏拢现象;在水平荷载的加载过程中，试件的粘结应力分布状态是沿着试件柱高呈现抛物线的形态，沿着两边递减;当荷载的循环次数增加时，试件的粘结应力会减小，其滑移增大，出现粘结退化现象，粘结退化率与加载次数满足负指数曲线分布。现阶段，对高压实膨润土的粘结滑移性能的研究还不够深入，但是高压实膨润土对在高放废物的处置中发挥着十分重要的作用，所以未来对其粘结滑移性能和耗能损失应该进行进一步的研究。