武漢巖土所建立巖土介質化學力學耦合新理論

　　巖土介質均含有多種組份，通常具有帶電性。在溫度變化、化學作用、物理擾動等環境荷載作用下，這類介質表現出強烈的化學-力學耦合效應以及復雜的工程力學行為，有效模擬這些復雜效應與行為是解決許多重大科學和工程問題所面臨的關鍵難題之一。在發生物理化學作用的情況下，傳統THMC理論在描述巖土介質的行為特性時存在明顯局限性。主要表現在：1）無法有效描述多相流動和多組分擴散；2）無法定義低含水量下孔隙水壓力；3）無法描述水膜流動；4）無法準確定義有效應力或顆粒間應力；5）無法解釋某些巖土介質的水弱化現象；6）無法有效表述相變條件；7）無法有效描述凍脹現象；8）無法解釋深部地層的超孔壓現象。

　　中國科學院武漢巖土力學研究所研究員韋昌富基于多孔介質混合物理論與經典Gibbs 熱動力學，建立了巖土介質化學-力學耦合的新理論，并提出組份電化學勢的一般表達式以及能考慮土顆粒間電化學作用的有效應力公式。該理論首次將微觀化學過程及其效應納入到了連續介質力學理論范疇，實現了在統一框架上對熱傳導、變形、液體流動（包括Darcy流、微細觀流動和水膜流動）、物質擴散、化學反應、壓力溶解、相變等多種物理-化學耦合過程的理論描述；亦即，理論上統一了巖土介質中溫度-水力學-力學-化學等物理化學場，有效解決了傳統理論無法描述的問題。該研究成果以封面報道的形式發表在國際雜志Vadose Zone Journal上。

　　目前，該理論已經得到了以下應用：闡明了地表非飽和土層孔壓的分布規律，指出傳感器測量到的孔壓與真實孔壓不同，并提出了考慮物理化學作用力的粒間應力表達式；給出了嚴格孔隙水凍-融條件，即廣義的Clapeyron方程；凍土土水特征關系測試中存在的陷阱問題，結果表明溫度對測試結果有重要的影響，發展新的測試方法是當務之急。