古近纪蒙脱石黏土加卸载过程中微观结构变化与滞回效应的岩石物理建模研究

为解决丹麦基础设施建设中高塑性黏土的可逆变形机制难题，研究人员通过岩石物理建模方法，结合声波测井数据解释技术，揭示了蒙脱石黏土在加卸载循环中滞回现象的微观机制。研究发现，黏土颗粒表面水合离子吸附层的可逆合并与分离是产生滞回效应的关键，该成果为理解黏土弹性行为提供了电化学视角的理论框架，对工程地质实践具有重要指导意义。

　　

古近纪蒙脱石黏土在丹麦基础设施建设中频繁引发工程挑战，这类被称为"高塑性黏土"的材料在自然固结或实验室条件下表现出显著的可逆变形特征，但传统弹性模型无法解释其加卸载循环中出现的滞回现象。过去的研究曾提出颗粒间机械滑动或化学键断裂等假设，但均未能完整描述微观机制。随着北欧地区重大工程如费马恩海峡隧道项目的推进，亟需从微观尺度揭示黏土变形规律以指导工程设计。

针对这一科学难题，来自丹麦技术大学等机构的研究团队创新性地将岩石物理学方法引入黏土力学研究，通过分析R?sn?s黏土和比利时Ypresian黏土的固结试验数据，建立了连接宏观力学响应与微观电化学过程的理论模型。相关成果发表于《Applied Clay Science》，为理解黏土弹性行为提供了全新视角。

研究采用三项关键技术：1）基于恒应变速率（CRS）和增量加载（IL）的固结试验获取应力-应变曲线；2）利用脉冲传输技术测量200kHz弹性P波速度（V_P）推导P波模量（M）；3）应用等框架（Isoframe, IF）模型量化微观结构变化。通过Gassmann方程进行流体替换分析，结合Hashin-Shtrikman边界理论计算颗粒接触面积变化。

3.1 基础数据分析
固结试验显示卸载-重载循环（URL）存在显著滞回环，孔隙度（?）变化呈现可逆特征。弹性波速度测量表明P波模量（M）比固结模量（E_oed）高5-50倍，证实仅应力路径反转时黏土表现为真实弹性连续体。

3.2 流体替换分析
通过Gassmann方程将未排水模量（M_undrained）转换为排水模量（M_drained），发现矿物模量（K_solid=100GPa, G_solid=50GPa）选择对结果影响有限，验证了模型稳健性。

3.3 等框架建模
IF值分析揭示：重载初期IF值快速下降反映克服电斥力过程，后期随应力增加而上升对应水合离子层合并；卸载初期高IF值表明共享离子层分离需要额外能量。IF值在应力反转时的突变（2×10^-4-0.05范围）证实了电化学过程的迟滞特性。

4.1 微观结构解释
研究提出"按扣"机制创新理论：黏土颗粒表面的水合阳离子吸附层（电双层内层）在压缩时合并为共享层（snap-fastener闭合），卸载时需额外能量重新分离（snap-fastener开启）。该过程解释了滞回环能量耗散源于离子在共享层与自由孔隙水间的迁移。

4.2 固体弹性模量的意义
研究论证了是否计入6.2?厚吸附水层会导致IF值26.5倍的系统缩放，但应力依赖性模式保持一致。这解决了黏土矿物模量实验值（约10GPa）与理论值（180GPa）的长期争议，证实吸附层实质改变了有效矿物模量。

4.3 吸附层共享机制
通过对比原子力显微镜数据，验证了10^-3 mN接触力下蒙脱石颗粒间水合离子层合并的可行性，理论计算接触面积（10^-4-10^-2μm²）与岩石物理模型预测相符。

该研究建立了首个定量描述黏土滞回效应的电化学-力学耦合模型，证实传统认为的"弹性"变形实质包含吸附层重构的耗散过程。理论突破在于：1）阐明IF值变化对应吸附层状态转变；2）确立矿物模量选择的标准化方法；3）提出无需假设颗粒滑动的滞回机制。成果为高塑性黏土地基设计提供了微观理论基础，对隧道、港口等重大工程的长期变形预测具有重要应用价值。后续研究可拓展至不同离子浓度、温度条件下的吸附层行为建模。