核能的发展伴随着大量放射性核废料的产生,目前国际上普遍的处理方法是建立地质处置库,通过工程屏障将核废料隔离在远离人类生活圈的地质体中。缓冲材料是工程屏障中的重要一环,一般以高压实膨润土砌块拼接的形式回填在废物罐周围,罐体、砌块、围岩之间的缝隙通过接缝材料进行填充,缓冲材料会经历热(thermal)水(hydraulic)力(mechanical)溶质运移(migration)共同作用的过程。本文研究了接缝对缓冲材料工作性能产生的影响及接缝的愈合效应,对膨润土本构模型方程和计算方法进行改进,以更好地通过数值计算分析各因素间的影响关系。主要研究内容包括:(1)针对缓冲材料的物理力学特性,以及存在施工接缝的情况,利用非饱和土的相关理论,建立非饱和土的热-水-力耦合及溶质运移模型。该模型可研究土体的传热、渗流、蒸发/凝结、溶质运移、吸湿膨胀、热膨胀、压缩变形等问题。利用多场耦合有限元软件进行求解,以核工业北京地质研究院进行的China-Mock-up试验为算例,将数值计算的结果与监测数据进行比较分析,验证了模型的可靠性。(2)通过计算完整的三维砌块-接缝模型,分析了缓冲材料工作过程中砌块和接缝的多物理场演化规律,结果表明在饱和过程中,砌块会产生较大的膨胀力将接缝材料压缩,产生愈合效应,改善缓冲材料的工作性能。研究了接缝设计参数,如接缝的类型、数量、宽度、拼接形式、干密度等,对缓冲材料整体导热系数、渗透率、扩散系数和膨胀力等性能指标的影响,发现缓冲材料饱和后的工作性能主要受平均干密度影响,而与砌块的拼接形式关系不大,可为缓冲材料的设计提供参考。(3)在膨润土砌块多场耦合的计算中,为解决目前有限元软件不便计算的某些问题,研究光滑粒子法(SPH)在热-水-蒸汽迁移等传导类问题中的应用,可作为数值计算中的辅助性手段。为此提出了新的核函数形式,用于求解抛物线形数理方程,相比于传统的高斯型核函数具有更高的精度和更快的求解速度。以膨润土砌块为主要研究对象,利用该核函数研究了非饱和土在热-水-蒸汽迁移过程中,蒸发效应对渗流的影响和渗流对传热的影响,结果表明蒸发效应会增强温度梯度对水分迁移的影响。渗流对传热的影响与流速有关,低渗透性粘土中的渗流对传热影响可以忽略。对膨润土砌块的饱和过程进行计算,发现膨润土的饱和速率与外界水压和热源温度成正相关。(4)针对非饱和土热驱动引起的干湿循环问题,提出了一个新的土水特征曲线滞回模型,编写了可处理非饱和土干湿循环下的热-水耦合过程计算的SPH算法程序。设计了相应的土柱试验,研究了非饱和粘土在升降温的作用下,温度场及含水率分布的动态响应,发现土体的水分迁移有明显的滞后作用,利用新的滯回模型可以较好地反映滞后作用的影响。