劉 平，趙 亮，焦大丁，王家杰，楊鴻銳

(1.蘭州大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，蘭州 730000； 2.西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(蘭州大學(xué))，蘭州 730000； 3.西京學(xué)院 土木工程學(xué)院,西安 710123)

深部地質(zhì)處置是目前國(guó)際上廣泛采用的高放廢物工程處置方法。深部地質(zhì)處置庫(kù)是一個(gè)多重屏障體系，緩沖材料作為處置庫(kù)中多重屏障體系的重要組成部分，也是最后一道人工屏障，對(duì)處置庫(kù)的安全和穩(wěn)定起著關(guān)鍵性保障作用。在處置庫(kù)運(yùn)行期間，高放廢物長(zhǎng)時(shí)間衰變放熱，引起緩沖層溫度升高。由于受限于地下洞室限制，緩沖層內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力和應(yīng)變，從而影響緩沖材料性能，進(jìn)而影響處置庫(kù)的安全穩(wěn)定性。

研究表明，膨潤(rùn)土低滲透性、高膨脹性、較強(qiáng)的吸附性最符合高放廢物處置庫(kù)中緩沖/回填材料的要求，而通過向膨潤(rùn)土中添加一定比例的石英砂，在不顯著降低膨潤(rùn)土自身性能的情況下，提高其導(dǎo)熱性能，從而在一定程度上降低了溫度對(duì)膨潤(rùn)土阻隔功效的不利影響。

國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)混合型緩沖層的熱-力耦合特性展開了研究，并取得了相關(guān)研究成果。試驗(yàn)研究方面，劉月妙等[1]進(jìn)行了緩沖材料多場(chǎng)耦合條件下室內(nèi)大型試驗(yàn)臺(tái)架研究，揭示了耦合作用條件下緩沖材料行為特征的變化規(guī)律；劉偉等[2]對(duì)高壓實(shí)膨潤(rùn)土進(jìn)行熱濕耦合試驗(yàn)?zāi)M，發(fā)現(xiàn)含水率、干密度和加熱功率是影響溫度場(chǎng)平衡的重要因素；曹勝飛等[3]進(jìn)行膨潤(rùn)土熱-水-力耦合性能試驗(yàn)，得出膨潤(rùn)土溫度隨濕度的增大以及加熱器的升高而增加；Long NguvenTuan和ROMERO等[4-5]通過實(shí)驗(yàn)裝置開展了熱-水-力實(shí)驗(yàn)，為高放廢物深地質(zhì)處置數(shù)值模擬和評(píng)價(jià)緩沖回填材料的安全穩(wěn)定性提供了重要依據(jù)。上述試驗(yàn)研究，對(duì)緩沖材料熱-力耦合條件下的性能及影響因素等進(jìn)行了討論研究，但未能基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)相關(guān)特征規(guī)律給予定量描述和相關(guān)數(shù)值模擬。數(shù)值模擬方面，研究學(xué)者[6-10]基于FLAC3D、ANSYS和ABAQUS等數(shù)值模擬軟件，對(duì)處置庫(kù)進(jìn)行熱-力及熱-水-力耦合模擬，研究其溫度、應(yīng)力、位移的分布及變化，為處置庫(kù)建造提供參考依據(jù)。上述研究利用有限元或有限差分軟件，對(duì)緩沖層熱-力耦合進(jìn)行了數(shù)值模擬，但模擬結(jié)果卻缺少相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比和驗(yàn)證。

基于上述狀況，本文采用按比例縮小后的試樣進(jìn)行研究，假定在緩沖砌塊拼接并經(jīng)過后期愈合后，形成完整緩沖層的情況下，模擬高放廢物衰變放熱時(shí)緩沖層溫度場(chǎng)變化狀態(tài)，使用設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置測(cè)量不同試樣在不同時(shí)刻的溫度值，分析影響溫度變化的因素。由于針對(duì)中部緩沖層的研究，本研究課題組已經(jīng)進(jìn)行過試驗(yàn)及模擬分析，故本文將重點(diǎn)對(duì)頂?shù)撞烤彌_層進(jìn)行軸向熱傳導(dǎo)試驗(yàn)，并采用數(shù)值模擬計(jì)算熱-力耦合條件下不同參數(shù)緩沖材料的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)的變化特征，初步得到在熱源條件下頂?shù)撞烤彌_層的熱力學(xué)特征，這將為地下處置庫(kù)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行時(shí)熱-力耦合行為預(yù)測(cè)提供理論參考。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)裝置

本研究設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置示于圖1。該裝置包括：加熱系統(tǒng)、感溫系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)和數(shù)顯系統(tǒng)。通過特制模具制得中部緩沖層圓柱狀完整壓實(shí)樣(φ102 mm×50 mm)，中心孔洞直徑20 mm。將發(fā)熱管置于孔洞中模擬高放廢物放射性衰變放熱，然后再分別壓制相同直徑、厚度分別為40 mm和30 mm的圓柱狀完整試樣作為頂部緩沖層和底部緩沖層(根據(jù)國(guó)家對(duì)處置室的設(shè)計(jì)，以廢物罐為中心，其頂部緩沖層高于底部緩沖層)。在頂部緩沖層外周每隔120°沿高度方向等間距(8 mm)插入4根熱感探針，3列共12根，在底部緩沖層外周每隔120°沿高度方向等間距(8 mm)插入3根熱感探針，3列共9根，探針直徑1 mm，長(zhǎng)度100 mm，插入試樣中深度均為25 mm，采用溫控裝置控制試樣中心溫度保持在設(shè)定的溫度，通過每根探針連接的TES-1310溫度表顯示讀取溫度。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Sketch of test equipment

1.2 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)使用產(chǎn)于我國(guó)內(nèi)蒙古興和縣高廟子地區(qū)的鈉基膨潤(rùn)土(GMZ001)，主要礦物為蒙脫石，其性能滿足高放廢物處置庫(kù)緩沖回填材料所需條件[11-12]。試驗(yàn)中石英砂產(chǎn)自甘肅永登縣，粒度0.5～1.0 mm，相對(duì)密度2.65，硅石含量99.45%。

1.3 試驗(yàn)方法

采用控制變量法設(shè)置不同試樣參數(shù)，將其從A～I(xiàn)排序，頂部緩沖層編號(hào)為AT～I(xiàn)T，底部緩沖層編號(hào)為AB～I(xiàn)B，各測(cè)點(diǎn)通過在編號(hào)右下角加角標(biāo)的形式區(qū)分，如圖2所示。根據(jù)以往的混合型緩沖材料配比研究結(jié)果[13-14]，本試驗(yàn)選取不同摻砂率Rs分別為10%、20%、30%，不同含水率ω分別為0%、10%、20%，不同干密度ρd分別為1.3 g/cm3、1.5 g/cm3、1.7 g/cm3，試樣參數(shù)列于表1。

圖2 各測(cè)點(diǎn)編號(hào)圖Fig.2 Number of each measuring point

將膨潤(rùn)土和石英砂放入105 ℃烘箱中烘干至恒重。計(jì)算并稱取各試樣所需烘干的膨潤(rùn)土和石英砂質(zhì)量，混合后攪拌均勻，用噴霧法將所需水量均勻多次噴灑到混合物中。將混合土樣放入保濕器密封靜置24 h。倒入模具中靜力壓制成含中心孔洞的圓柱狀試樣(φ102 mm×50 mm)，再分別壓制直徑102 mm，高分別為40 mm和30 mm的完整圓柱狀試樣作為頂部緩沖層和底部緩沖層。

將組合試樣放至隔熱底座上，試樣各部分間接縫用膨潤(rùn)土干粉密封[15](參考處置庫(kù)砌塊的接縫密封方案)。發(fā)熱管固定到試樣中心孔中，控制發(fā)熱管溫度為100 ℃(不同國(guó)家對(duì)處置庫(kù)的許可溫度有所不同，本文采用緩沖材料的限制溫度100 ℃作為設(shè)置溫度)。從初始溫度開始，每隔10 min記錄全部21個(gè)位置的溫度。

表1 試樣物理參數(shù)Tab.1 Physical parameters of specimens

2 熱傳導(dǎo)試驗(yàn)結(jié)果

2.1 干密度對(duì)熱傳導(dǎo)性的影響

不同干密度試樣，頂?shù)撞烤彌_層各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化情況示于圖3。由圖3可見，各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間呈上升狀態(tài)，初始時(shí)刻頂?shù)撞烤彌_層一二位置測(cè)點(diǎn)溫度上升較快，而頂部緩沖層三四位置測(cè)點(diǎn)與底部緩沖層第三位置測(cè)點(diǎn)升溫緩慢。20～60 min時(shí)緩沖層各測(cè)點(diǎn)溫度持續(xù)較快上升，60 min后溫度上升平緩。干密度為1.3 g/cm3的試樣各測(cè)點(diǎn)在120 min時(shí)達(dá)到穩(wěn)定，相比干密度1.5 g/cm3與1.7 g/cm3的試樣各測(cè)點(diǎn)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)間較早。因?yàn)楦擅芏鹊偷脑嚇用軐?shí)度低，孔隙較多，導(dǎo)致熱阻增大[16]，各時(shí)刻對(duì)應(yīng)點(diǎn)位的溫度較低，且加熱過程中，易產(chǎn)生裂隙[17]。在開放性室內(nèi)試驗(yàn)條件下，干密度1.3 g/cm3的試樣熱量散失較快，從而影響熱量傳遞，隨著時(shí)間推移，較快地達(dá)到平衡。而干密度較大的試樣密實(shí)度高，孔隙少，熱量散失較慢，相比而言達(dá)到穩(wěn)定較慢。

同一試樣各測(cè)點(diǎn)溫度在初始0 min時(shí)相同，加熱后，距熱源越近的測(cè)點(diǎn)溫度越高且升溫快，隨距離增大依次遞減。干密度1.7 g/cm3試樣與1.3 g/cm3和1.5 g/cm3試樣相比，各時(shí)刻對(duì)應(yīng)位置測(cè)點(diǎn)溫度最高，整體溫度變化最大。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著試樣干密度增大其熱傳導(dǎo)性增強(qiáng)。

2.2 含水率對(duì)熱傳導(dǎo)性的影響

不同含水率試樣，頂?shù)撞烤彌_層各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化情況示于圖4。圖4顯示初始時(shí)刻越靠近熱源測(cè)點(diǎn)溫度上升越快，反之越慢。隨時(shí)間增大，各測(cè)點(diǎn)溫度持續(xù)較快上升而后緩慢變化，到180 min時(shí)達(dá)到平衡。

在初始0 min時(shí)同一試樣各測(cè)點(diǎn)溫度相同，加熱到120 min后各測(cè)點(diǎn)溫度變化幅度最小，曲線斜率接近水平，靠近熱源的位置溫度高，沿軸向逐漸降低。含水率20%試樣與0%和10%的試樣相比，各時(shí)刻對(duì)應(yīng)位置測(cè)點(diǎn)溫度值最大，整體溫度上升最快。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著試樣含水率增大，其熱傳導(dǎo)性能增強(qiáng)。

2.3 摻砂率對(duì)熱傳導(dǎo)性的影響

不同摻砂率試樣，頂?shù)撞烤彌_層各測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化情況示于圖5。圖5(a)表明初始階段頂部緩沖層1、2位置測(cè)點(diǎn)增幅較一致，3、4位置測(cè)點(diǎn)增幅較一致，熱傳導(dǎo)10 min后，各測(cè)點(diǎn)增幅均比較一致，且1、2位置測(cè)點(diǎn)溫度較高。圖5(b)表明初始階段底部緩沖層1、2位置測(cè)點(diǎn)增幅較一致，10 min后各測(cè)點(diǎn)增幅均比較一致，180 min時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

初始0 min時(shí)同一試樣各測(cè)點(diǎn)溫度相同，加熱后，測(cè)點(diǎn)溫度與距熱源的軸向距離成反比，即隨測(cè)點(diǎn)距中心熱源的距離增大而降低，且各時(shí)刻靠近熱源位置的測(cè)點(diǎn)溫度隨距離增大降低趨勢(shì)相對(duì)明顯。試樣摻砂率為30%時(shí)，相比10%和20%的試樣，各時(shí)刻對(duì)應(yīng)位置測(cè)點(diǎn)溫度最高。摻砂率試驗(yàn)表明，隨著摻砂率增大，其熱傳導(dǎo)性能增強(qiáng)。

圖3 不同干密度頂?shù)撞烤彌_層各測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線Fig.3 Temperature curves of test points at top and bottom buffer layers with different dry densities

圖4 不同含水率頂?shù)撞烤彌_層各測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線Fig.4 Temperature curves of test points at top and bottom buffer layers with different water contents

圖5 不同摻砂率頂?shù)撞烤彌_層各測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線Fig.5 Temperature curves of test points at top and bottom buffer layers with different sand contents

3 計(jì)算模型

由于高放廢物放熱將引起緩沖材料溫度升高，升高的幅度與廢物的釋熱溫度以及緩沖材料的干密度、含水率、摻砂率有關(guān)。在一定的處置庫(kù)結(jié)構(gòu)型式下，填充的緩沖材料參數(shù)不同，對(duì)溫度的影響也不同，在不顯著影響膨潤(rùn)土本身性能的情況下，需要增強(qiáng)其導(dǎo)熱性能及力學(xué)強(qiáng)度。因此，合理的參數(shù)是保證緩沖材料長(zhǎng)久保持穩(wěn)定性能，處置庫(kù)安全運(yùn)行的重要條件之一。

對(duì)不同參數(shù)下的緩沖層進(jìn)行溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合的瞬態(tài)數(shù)值模擬，計(jì)算高放廢物衰變放熱時(shí)，頂?shù)撞烤彌_層的溫度、應(yīng)力和應(yīng)變隨時(shí)間的變化過程。采用軸對(duì)稱模型分析，示于圖6。該計(jì)算模型長(zhǎng)120 mm，寬51 mm，頂?shù)撞烤彌_層高分別為40 mm和30 mm，并顯示各計(jì)算結(jié)果輸出點(diǎn)的位置，沿軸向分布。模型左右邊界定義水平方向位移約束，熱源強(qiáng)度一定，邊界初始溫度為室溫。表2和表3為緩沖層參數(shù)，彈性模量和泊松比參考核工業(yè)北京地質(zhì)研究院研究結(jié)果[18]，熱傳導(dǎo)系數(shù)參考陳航等[19]的緩沖材料導(dǎo)熱性能研究結(jié)果。溫度變化對(duì)熱傳導(dǎo)系數(shù)是有影響的，主要是基于溫度變化時(shí)，材料參數(shù)(如含水率等)發(fā)生了變化，從而影響其熱傳導(dǎo)系數(shù)。本文在模擬時(shí)假定不同參數(shù)緩沖層熱傳導(dǎo)系數(shù)是保持恒定的，針對(duì)熱傳導(dǎo)系數(shù)變化狀態(tài)下的模擬，后續(xù)開展進(jìn)一步研究。

表2 緩沖材料的特性參數(shù)Tab.2 Characteristic parameters of buffer materials

圖6 結(jié)果輸出點(diǎn)位置圖(mm)Fig.6 Positions of output points of calculation results

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 溫度場(chǎng)

模型以廢物罐為中心呈近似對(duì)稱，因此在分析時(shí)，取頂部緩沖層作為研究對(duì)象，計(jì)算并輸出其溫度、應(yīng)力及應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線。不同影響因素下，溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化結(jié)果示于圖7～圖9。

表3 緩沖層熱傳導(dǎo)系數(shù)Tab.3 Thermal conductivity coefficients of buffer materials

圖7 不同干密度頂部緩沖層各測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線Fig.7 Temperature curves of test points at top buffer layer with different dry densities

不同參數(shù)頂部緩沖層試樣，隨著熱傳導(dǎo)時(shí)間的增加，溫度從中心熱源處向外邊界傳遞且呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，距離越遠(yuǎn)整體溫度變化越小。溫度升高使緩沖層原始的溫度梯度發(fā)生變化，距離越遠(yuǎn)受影響程度越小[9]。不同干密度和含水率試樣，溫度增幅變化較大，不同摻砂率試樣，溫度增幅較一致。干密度為1.7 g/cm3、含水率為20%和摻砂率為30%時(shí)，各測(cè)點(diǎn)溫度從初始到最終穩(wěn)定時(shí)刻時(shí)變化最大，相比較低參數(shù)的試樣，各時(shí)刻對(duì)應(yīng)位置測(cè)點(diǎn)溫度值最高。初始階段靠近熱源位置的測(cè)點(diǎn)溫度上升較快，隨后變化平緩直至穩(wěn)定。不同變量的頂部緩沖層試樣測(cè)點(diǎn)溫度值排列表現(xiàn)為：C>B>A,F>E>D,I>H>G，因此，熱傳導(dǎo)性隨干密度、含水率和摻砂率增大而增強(qiáng)。

從圖中看出，溫度場(chǎng)模擬結(jié)果與對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果相比，具有較高的一致性，說明了選用參數(shù)的合理性。以此為基礎(chǔ)，進(jìn)行膨潤(rùn)土-砂混合物緩沖層熱-力耦合數(shù)值模擬，得到應(yīng)力場(chǎng)與變形場(chǎng)的變化結(jié)果，詳見下列4.2與4.3節(jié)。

圖8 不同含水率頂部緩沖層各測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線Fig.8 Temperature curves of test points at top buffer layer with different water contents

圖9 不同摻砂率頂部緩沖層各測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線Fig.9 Temperature curves of test points at top buffer layer with different sand contents

4.2 應(yīng)力場(chǎng)

不同影響因素下，應(yīng)力場(chǎng)隨時(shí)間的變化結(jié)果示于圖10～圖12。緩沖層溫度場(chǎng)變化產(chǎn)生熱應(yīng)力，本研究數(shù)值模擬為了對(duì)試驗(yàn)部分進(jìn)行驗(yàn)證以及得到相應(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果，模型的建立與試驗(yàn)部分相符，對(duì)緩沖層部分進(jìn)行了建模及分析，未包含回填材料和圍巖部分，所以緩沖材料受熱膨脹時(shí)不受外界束縛，沒有表現(xiàn)為膨脹壓應(yīng)力，而是拉應(yīng)力，以熱膨脹應(yīng)力為主?？拷鼰嵩刺帨y(cè)點(diǎn)應(yīng)力值較大，隨軸向距離增大，應(yīng)力值降低，且不同位置測(cè)點(diǎn)應(yīng)力差值較大，3和4位置測(cè)點(diǎn)受溫度影響小，各自產(chǎn)生的應(yīng)力較為接近，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力較早的達(dá)到平衡，與已有研究成果[8,9]對(duì)比，結(jié)果較為吻合。相比而言，含水率為20%時(shí)，測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值變化最大，其達(dá)到穩(wěn)定時(shí)各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值分別為2 174.96 Pa、985.461 Pa、258.527 Pa、46.2 807 Pa，表現(xiàn)為熱膨脹應(yīng)力。不同摻砂率情況下，由于各測(cè)點(diǎn)溫度增幅比較一致，受溫度變化影響，距熱源相同距離的測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值較為接近。不同參數(shù)試樣各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力隨熱傳導(dǎo)時(shí)間增大而降低，隨后逐漸平緩直至穩(wěn)定。溫度沿軸向方向不均勻傳遞，因此應(yīng)力變化規(guī)律受溫度影響較大。

圖10 不同干密度頂部緩沖層各測(cè)點(diǎn)軸向應(yīng)力變化曲線Fig.10 Axial stress curves of test points at top buffer layer with different dry densities

圖11 不同含水率頂部緩沖層各測(cè)點(diǎn)軸向應(yīng)力變化曲線Fig.11 Axial stress curves of test points at top buffer layer with different water contents

圖12 不同摻砂率頂部緩沖層各測(cè)點(diǎn)軸向應(yīng)力變化曲線Fig.12 Axial stress curves of test points at top bufferlayer with different sand contents

4.3 變形場(chǎng)

不同影響因素下，變形場(chǎng)隨時(shí)間的變化結(jié)果示于圖13～圖15。溫度變化導(dǎo)致熱膨脹，使緩沖層產(chǎn)生應(yīng)變。初始時(shí)刻各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變變化較大，應(yīng)變隨溫度升高而逐漸增大，離熱源處越近應(yīng)變?cè)酱?，沿軸向方向距離增大應(yīng)變減小。不同干密度條件下，干密度為1.7 g/cm3時(shí)，各時(shí)刻對(duì)應(yīng)點(diǎn)位應(yīng)變最大，而干密度1.3 g/cm3試樣各測(cè)點(diǎn)溫度相對(duì)較低，故受溫度影響產(chǎn)生的應(yīng)變較低。不同含水率條件下，含水率為20%時(shí)，各時(shí)刻對(duì)應(yīng)點(diǎn)位應(yīng)變值最大，其與含水率0%在180 min時(shí)對(duì)應(yīng)點(diǎn)位差值依次為：3.54×10-5、3.17×10-5、2.81×10-5、2.44×10-5，受熱應(yīng)力影響變化明顯。不同摻砂率條件下，應(yīng)變隨熱傳導(dǎo)緩慢增大，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變?cè)龇^一致。測(cè)點(diǎn)G各時(shí)刻對(duì)應(yīng)點(diǎn)位應(yīng)變最小，變化值依次是：6.33×10-5、5.92×10-5、5.5×10-5、5.09×10-5，測(cè)點(diǎn)I各時(shí)刻對(duì)應(yīng)點(diǎn)位應(yīng)變最大，變化值依次是：6.54×10-5、6.17×10-5、5.79×10-5、5.41×10-5。

圖13 不同干密度頂部緩沖層各測(cè)點(diǎn)軸向應(yīng)變曲線Fig.13 Axial strain curves of test points at top buffer layer with different dry densities

圖14 不同含水率頂部緩沖層各測(cè)點(diǎn)軸向應(yīng)變曲線Fig.14 Axial strain curves of test points at top buffer layer with different water contents

圖15 不同摻砂率頂部緩沖層各測(cè)點(diǎn)軸向應(yīng)變曲線Fig.15 Axial strain curves of test points at top buffer layer with different sand contents

5 分析與討論

在高放廢物處置庫(kù)中，高放廢物衰變放熱引起溫度場(chǎng)的改變，溫度的變化導(dǎo)致緩沖材料內(nèi)應(yīng)力、應(yīng)變的重分布，將對(duì)應(yīng)力場(chǎng)、變形場(chǎng)產(chǎn)生較大影響，威脅著處置庫(kù)的穩(wěn)定性和安全性?？紤]溫度的影響因素并結(jié)合熱-力耦合結(jié)果，給出溫度場(chǎng)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)、變形場(chǎng)的影響效果。

5.1 影響溫度的因素

通過增大試樣的干密度、含水率和摻砂率，各測(cè)點(diǎn)溫度與初始值相比均增大，說明不同參數(shù)會(huì)影響緩沖層熱傳導(dǎo)性能。試驗(yàn)得出：試樣熱傳導(dǎo)性隨干密度、含水率和摻砂率增大而增強(qiáng)。干密度增大，膨潤(rùn)土-砂混合材料間的孔隙減少，即空氣減少，膨潤(rùn)土和砂的熱傳導(dǎo)性大于空氣，熱量傳遞更快；當(dāng)試樣含水率較低時(shí)，試樣中孔隙由空氣填充，同時(shí)孔隙影響水分吸力，從而影響含水率變化[20]，熱傳導(dǎo)性相對(duì)較低。隨著含水率增大，一方面，試樣孔隙中水分增多，空氣減少，水的熱傳導(dǎo)性大于空氣；另一方面，由于膨潤(rùn)土遇水膨脹，孔隙進(jìn)一步減少，因此熱傳導(dǎo)性增強(qiáng)；已有資料表明，石英砂的熱傳導(dǎo)系數(shù)大于膨潤(rùn)土，因此當(dāng)混合型緩沖材料中摻砂率增加時(shí)，試樣熱傳導(dǎo)性增強(qiáng)[19]，并且摻砂率增大時(shí)，緩沖材料最大干密度也會(huì)增大[21]，有利于傳熱。但在高溫情況下，過大的摻砂率會(huì)導(dǎo)致緩沖層發(fā)育裂隙，且影響膨潤(rùn)土自身性能，當(dāng)摻砂率在20%～30%時(shí)，在不顯著降低膨潤(rùn)土性能的同時(shí)，可使緩沖材料性能得到改善。因此摻砂率選用20%～30%較為合適。

5.2 溫度對(duì)應(yīng)力的影響

結(jié)合圖10、圖11和圖12進(jìn)行分析，緩沖材料溫度升高產(chǎn)生熱膨脹應(yīng)力，不同干密度試樣初始階段應(yīng)力有所降低，而后上升直至穩(wěn)定；而不同含水率和摻砂率試樣應(yīng)力呈現(xiàn)降低而后平穩(wěn)的趨勢(shì)，反映了各影響因素下溫度升高對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的不同影響，在靠近熱源的位置受溫度的影響較大，主要以熱應(yīng)力直接影響為主。軸向應(yīng)力整體表現(xiàn)為拉應(yīng)力，因?yàn)楸狙芯繑?shù)值模擬考慮與試驗(yàn)部分相對(duì)應(yīng)，針對(duì)緩沖層進(jìn)行模型建立及分析，未包含回填材料及圍巖部分，故緩沖層熱膨脹不受外界束縛，沒有形成膨脹壓應(yīng)力，表現(xiàn)為拉應(yīng)力，且模擬選取縮小后的尺寸，其自重應(yīng)力小，不會(huì)產(chǎn)生較大壓應(yīng)力。而溫度較高，熱應(yīng)力得到發(fā)展，因此熱膨脹應(yīng)力大于壓應(yīng)力，隨著熱傳導(dǎo)時(shí)間的推移應(yīng)力趨于穩(wěn)定。溫度的影響表現(xiàn)為產(chǎn)生的熱應(yīng)力使緩沖材料軸向應(yīng)力的極值降低，縮短了軸向應(yīng)力達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間。這與蔡國(guó)慶等[8]研究結(jié)果較相吻合。

5.3 溫度對(duì)應(yīng)變的影響

結(jié)合圖13、圖14和圖15進(jìn)行分析，溫度升高時(shí)，軸向方向上各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值均增大，各影響因素應(yīng)變情況如下：不同干密度1位置測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變?cè)隽糠謩e為4.76×10-5、5.91×10-5、6.99×10-5；不同含水率1位置測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變?cè)隽糠謩e為5.53×10-5、6.54×10-5、7.14×10-5；不同摻砂率1位置測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變?cè)隽糠謩e為6.33×10-5、6.40×10-5、6.54×10-5。顯然，溫度效應(yīng)引起了應(yīng)變的增大，且溫度越高應(yīng)變?cè)酱?，溫度的影響使?yīng)變達(dá)到極值的時(shí)間縮短。應(yīng)變是一個(gè)累積增加的過程，所以隨著熱傳導(dǎo)時(shí)間的增大，應(yīng)變?cè)龃蟆?/p>

綜上分析，緩沖材料的導(dǎo)熱性能受干密度、含水率和摻砂率的影響，表現(xiàn)為不同的溫度變化，而溫度升高產(chǎn)生熱應(yīng)力，緩沖層發(fā)生膨脹，影響其力學(xué)特性。影響機(jī)理是：緩沖材料為固、液、氣(空氣和水氣)組成的三相體系，在熱源下，溫度梯度存在時(shí)，緩沖材料通過固體顆粒的相互接觸、水分、孔隙間的空氣及部分水蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣導(dǎo)熱，傳熱及傳質(zhì)過程發(fā)生變化[22]。溫度升高使固相顆粒膨脹，固、液、氣三相之間界面形成的界面現(xiàn)象使膨潤(rùn)土中兩種流體承受不同的壓力[23]。因此固相膨脹及氣相和水相的各種存在形態(tài)及受力后在土骨架中的運(yùn)移對(duì)力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生重大影響。溫度在影響變形的同時(shí)，變形也影響溫度的變化，反映了熱-力耦合的作用效果。

6 結(jié)論

通過試驗(yàn)與模擬分析得到以下結(jié)論：

(1)隨著干密度、含水率、摻砂率增大，熱傳導(dǎo)性增強(qiáng)。干密度較低時(shí)，溫度沿軸向方向傳遞較早的達(dá)到穩(wěn)定?？拷行臒嵩刺帨囟茸罡?，沿軸向方向向外逐漸降低。初始時(shí)刻溫度變化顯著，模擬結(jié)果與試驗(yàn)相吻合。

(2)溫度變化產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱源處溫度最高，熱應(yīng)力最大。受溫度影響，軸向應(yīng)力的極值降低，較早的達(dá)到平衡狀態(tài)。溫度沿軸向方向不均勻傳遞，同一試樣不同測(cè)點(diǎn)各時(shí)刻應(yīng)力值相差較大。

(3)緩沖層受熱膨脹產(chǎn)生應(yīng)變，沿軸向方向應(yīng)變逐漸減小，隨著干密度、含水率和摻砂率增大，受溫度影響隨熱傳導(dǎo)時(shí)間增大應(yīng)變?cè)龃蟆?/p>

(4)高放廢物處置庫(kù)應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)受溫度影響較大，熱-力耦合作用效果明顯，在處置庫(kù)設(shè)計(jì)時(shí)考慮此作用有助于其穩(wěn)定安全運(yùn)行。