膨胀土中应变耦合的热力学一致性模型构建及其在双孔隙结构分析中的应用

针对膨胀土微观结构重排与宏观塑性应变耦合机制不明确的问题，本研究基于多耗散过程的热力学框架，揭示了双孔隙系统中应变耦合函数f的普适性定义。通过Barcelona Expansive Model(BExM)和状态曲面法，证明耦合函数无需引入外部经验参数，仅由宏观-微观本构关系即可确定，为核废料地质处置工程屏障的长期性能预测提供了理论支撑。

　　

膨胀性黏土在核废料地质处置工程中扮演着关键角色，其独特的吸水膨胀特性既是工程屏障设计的优势，也是长期性能预测的难点。传统双孔隙模型虽能描述黏土的宏观-微观力学行为，但微观应变dε_m与宏观塑性应变dε_Mm-p的耦合机制长期依赖经验函数f_I/f_D，导致模型普适性不足。这一"黑箱"式处理使得耦合参数需针对不同材料、试验条件反复调整，严重制约了Barcelona Expansive Model(BExM)在复杂工况下的应用可靠性。

为破解这一难题，研究人员从热力学基本定律出发，创新性地构建了包含多耗散过程的Clausius-Duhem不等式体系。通过分离微观结构重排与宏观塑性耗散的能量贡献，推导出耦合函数f的解析表达式。研究发现，在等温条件下，耦合效应完全由微观化学势μ_V,m、宏观预固结应力p_O和膨胀压力π等本征参数决定，无需额外引入经验参数。这一理论突破使得耦合函数具有与材料模型无关的普适结构，成功解决了Alonso等学者提出的f_X函数"拟合困境"。

研究采用三项关键技术：1)基于Barcelona Basic Model(BBM)的宏观本构建模，通过椭圆屈服面表征p_O与p_S的演化；2)微观状态曲面法描述e_m-π关系，数据来源于Wyoming膨润土(88wt%蒙脱石)的膨胀压测试；3)多尺度热力学耦合框架，将Ziegler冻结弹性能概念扩展至双孔隙系统。

【研究结果】

1. 热力学约束下的耦合机制
   通过分解式(21)中的能量耗散项，证明微观-宏观应变耦合必须满足dD_Mm=(?D_I/?ε^V_p-(p+s_MSr_M))dε^V_Mm-p，首次建立了化学势梯度与塑性功的定量关系。

2. 普适性耦合函数推导
   结合式(31)的化学势平衡条件，导出关键公式(32)：f=-(s_M-e_mdπ/de_m)/[1/2(p_O+p_S)+(p+s_MSr_M)sgn(de_m)]，该函数自动满足膨胀时f递减、收缩时f递增的物理规律。

3. 实际材料验证
   基于图2所示的e_m-π状态曲面，模拟50次干湿循环(10-40MPa)后，成功复现了Dif等观察到的累积体积收缩现象，验证了模型预测长期循环效应的能力。

【结论与意义】
该研究通过严格的热力学演绎，将应变耦合这一经验性难题转化为可计算的本构关系。其核心价值在于：1)揭示耦合本质是微观自由能与宏观耗散竞争的必然结果；2)建立与BBM框架的无缝衔接，使双孔隙模型具备真正的预测(非拟合)能力；3)为高放废物处置库的千年尺度性能评估提供理论工具。正如作者指出，当微观结构膨胀(de_m>0)时，增大围压p+s_MSr_M会自然抑制耦合应变，这一发现为工程中控制缓冲材料变形提供了量化依据。论文发表于《Geomechanics for Energy and the Environment》，标志着土力学本构理论向热力学严格性迈出关键一步。