碱-热条件下膨润土缓冲材料导热系数演化及微观特征

碱-热条件下膨润土缓冲层材料的导热性能是核废物深地质处置库设计的一个关键因素。对MX80膨润土粉末进行不同碱-热工况预处理,采用热针法探讨碱-热条件下膨润土缓冲材料导热系数的演化规律;选取代表试样分别进行X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、压汞(MIP)和热重分析(TGA)等试验,揭示出碱-热作用对膨润土试样矿物成分、微观形貌、孔隙结构和结合水形态等演化特征的影响机制,阐释碱-热条件下膨润土缓冲材料导热系数演化的微观机理。试验结果表明:碱-热条件下,膨润土试样的导热系数λ随碱液p H值的递增而减小,随环境温度T的升高而增大,在高碱性溶液(pH=13.0~14.0)和高温环境(T=60℃~90℃)中这一特性表现得尤为显著;根本原因在于试样中原有矿物成分在碱液作用下发生不同程度的溶蚀现象,表现为蒙脱石和石英含量的减少、方沸石含量的增加,导致试样中固体成分减少、孔隙率增加、表观干密度减小、吸水性能变弱,而环境温度在该过程中起到良好的促进作用。

南阳重塑非饱和膨胀土的变形和含水率变化特性

为研究水-力作用下非饱和土变形和含水率变化特性,采用非饱和土三轴仪,对非饱和膨胀土开展了吸力平衡、等向固结和三轴剪切试验,实时监测土的变形和含水率变化,综合分析了水-力作用下土的变形和含水率随时间的变化规律,并以“双孔”模型为基础框架,揭示了水-力作用下土的变形和含水率变化机制。研究表明:在吸力平衡和等向固结过程,非饱和土的变形和含水率随时间变化规律不同,变形在相对较短时间内达到平衡,而含水率达到平衡耗时更长;在三轴剪切过程,剪缩变形量与孔隙水排出量随时间基本上呈线性变化。随着吸力增大,含水率达到平衡所需时间增长,但对变形达到稳定耗时影响不大。净围压增大会增长含水率达到平衡的时间,然而对变形达到稳定的耗时影响不大。改进“双孔”模型,外力基本上只影响集聚体间孔隙;含水率变化会引起土颗粒重新排列,进而影响集聚体间孔隙;集聚体间孔隙水迁移速率相对较大,颗粒间孔隙水迁移速率相对较小。

考虑时变污染源与土工膜破损的污染物二维迁移特性

土工膜常被用为填埋场中第一道衬垫来阻隔上部的渗沥液,从而避免有毒物质进入下伏土层。然而,土工膜在铺设或服役过程中很容易由于受到外力而破损,使其阻隔性能大大降低。鉴于此,在考虑污染源随时间变化的前提下,建立了污染物在通过破损土工膜进入土层的二维迁移模型。结合Laplace变换、Fourier变换及边界转换法,给出了污染物浓度随时间变化的半解析解。采用数值解与半解析解结果进行对比,验证了研究的正确性与可靠性。通过分析不同参数下污染物浓度随时间变化及空间分布的规律,研究污染物透过破损的土工膜后在土层中的迁移特性。研究结果表明,土工膜破损率越大,污染物迁移越快,且浓度变化敏感性随着破损率减小而提高;另外,假定浓度函数为指数函数时,土层中的污染物浓度存在峰值,具体表现为浓度参数越大,峰值越大且出现时间越晚。

高放废物处置库二维轴对称温度场模型构建及应用研究

高放废物处置库温度场长期演化特征是处置库缓冲层安全性能评估和设计、处置容器空间优化布局的重要依据之一。建立了处置单元二维轴对称双层热分析模型,以揭示处置库多重屏障系统近场温度演化规律。对传热控制方程应用拉普拉斯和有限傅里叶正弦变换,得到缓冲层和围岩层温度的拉普拉斯域解,借助Crump方法对拉普拉斯域解进行数值反演获得对应的时域解;通过与线热源解和数值解的对比验证了模型的正确性,分析了处置单元近场多屏障系统温度场的时空分布特征,探讨了不同参数对缓冲层峰值温度的影响;借助模型半解析解确定最小处置容器间距以及对原位试验结果进行预测。结果表明:①与线热源解相比,模型半解析解可以更准确地模拟缓冲层温度变化;②当处置隧道间距超过40m时,其对缓冲层峰值温度影响较小;③在处置隧道间距取40m时,最小处置容器间距为7.7m;④模型半解析解可以较好地预测原位试验结果。

非饱和土力学特性及本构模型

地表土几乎全是非饱和土,特别是在干旱和半干旱地区,用饱和土力学理论和实验手段不能正确解释和处理非饱和土工程问题。首先介绍用低吸力和高吸力分别描述土的非饱和程度;简单回顾饱和土力学理论之后介绍现在比较认可的非饱和土力学理论;介绍低吸力下非饱和土持水和力学性质的测试方法,重点说明因使用陶土板而需要注意事项与对策以及非饱和土三轴仪的体积测量方法;用吸力控制压缩试验、三轴试验和真三轴试验的实测结果说明非饱和土的典型力学性质;根据试验结果分析持水曲线的直接影响因素和持水与力学性质的耦合特性,用弹塑性方法建立非饱和土持水和力学特性耦合的本构模型,并用吸力控制或量测的等向压缩和三轴试验结果验证;开发高吸力范围内吸力控制三轴试验方法,用该方法获得广吸力范围内4种典型土的应力应变关系,并用其中两种广吸力范围内强度数据对各种非饱和土强度计算公式的适用性进行分析。

南宁膨胀土持水性能的温度效应及微观机制

采用蒸汽平衡法测定了4种温度(T=5、25、40、60℃)条件下Whatman No.42滤纸的率定曲线,建立了考虑温度影响的双线性率定曲线方程,发现滤纸的持水性能随温度升高而降低,且温度对率定曲线高吸力段滤纸持水性能的影响要弱于低吸力段。在此基础上,以南宁膨胀土为研究对象,使用滤纸法测定了不同温度作用下膨胀土试样的土-水特征曲线。试验结果表明,随着温度的升高,膨胀土持水性能下降,但温度的影响幅度会随着吸力的增大而减弱,当基质吸力达到40 MPa时,不同温度下试样的体积含水率并没有明显变化,即此时温度对膨胀土的持水性能变化几乎无影响。为解释上述宏观现象,选取部分试样进行了压汞试验和吸附结合水试验,并根据试验结果从土体中各相及各相界面相互耦合作用的物理机制角度阐述了南宁膨胀土持水性能的温度效应及微观机制。

基于拟动力法抗滑桩加固非饱和土边坡稳定性分析

基于极限分析上限原理和拟动力法,提出一种半解析改进水平片分法,计算具有非线性分布特征的非饱和土重力和地震惯性力所做外功率,将传统塑性理论扩展至非饱和土中以考虑基质吸力对桩侧阻力的提升作用,与解析解对比验证了该方法的合理性。通过算例分析,揭示了吸力对非饱和土边坡稳定性及抗滑桩加固效果的强化作用,探究了非饱和土边坡的地震响应规律,研究了抗滑桩布设参数对支挡结构边坡稳定性的影响规律。研究结果表明:吸力对边坡稳定性的提升效果可达20%~50%,吸力效应与地震动特性密切相关,在地震波达到峰值时显著增强;水平和竖向加速度系数以及土剪切模量对边坡地震稳定性影响较大;桩距D1/dp≤4时,抗滑桩加固效果较为显著并随摩擦角的增加得到强化,抗滑桩最佳桩位位于边坡中上部,且随摩擦角的增加逐渐减小,对应的加固效果也有所降低。

三维非饱和土边坡拟动力稳定性分析初探

边坡在地震作用下极易失稳破坏且通常伴随明显的三维破坏特征,增加边坡阶数并结合抗滑桩等加固措施可有效提高边坡的动稳定性,广泛用于滑坡灾害防治中。基于极限分析上限原理并结合拟动力法,将塑性变形理论扩展至非饱和土中,改进已提出的半解析水平片分法,计算具有非线性分布特征的非饱和土重力、地震惯性力和抗滑桩侧阻力所做外功率和表观黏聚力的功率耗散率,与解析解对比,验证了该方法的合理性。通过算例分析,探究了非饱和土边坡的地震响应规律,揭示了吸力对边坡地震稳定性及抗滑桩加固效果的强化作用。结果表明:吸力对边坡稳定性的贡献可达15%~30%,且与地震动特性密切相关,地震波达到峰值时,吸力效应得到显著加强;水平加速度系数和土体剪切模量对边坡地震稳定性影响较大;地震作用下边坡将出现明显的“浅层”滑动现象。

干湿过程中膨胀土抗拉强度及其预测

膨胀土由于亲水性矿物的存在,在吸水与失水时具有胀缩特性.当干缩过程中产生的收缩应力大于压应力与抗拉强度之和时,土体将会产生裂缝,从而对膨胀土工程的稳定性产生重要影响.为了研究干湿过程中膨胀土抗拉强度的特性,采用了自制的拉伸试验仪对原状土与南阳膨胀土压实样进行单轴拉伸试验,测量其在干湿过程中的抗拉强度.探究了在一个干湿过程中原状土与压实膨胀土抗拉强度的变化,并制备直接压实样与压实脱湿样对照,分析了不同的制样方法对抗拉强度的影响.试验结果表明:原状样与压实样在脱湿过程中随着含水率的下降,抗拉强度、干密度增大,而压实样增长幅度更大;在吸湿过程中,原状样与压实样抗拉强度迅速下降并趋于稳定.根据原状样与压实样在脱湿与吸湿过程中的土水特征曲线,考虑吸力和饱和度的影响,提出了干湿过程中抗拉强度的预测公式.

土体导热系数温度效应及其预测模型

考虑环境温度变化对土体导热系数的影响,对于地下热工项目的优化设计和安全评价是必要的。利用热探针法测试了不同温度下红黏土、粉土、软土和膨润土的导热系数,分析了土体导热系数的温度效应及其影响因素,建立了考虑导热系数温度效应的加权几何平均模型,并与传统的预测模型进行对比分析。试验结果表明:土体导热系数随温度的增加而增大,其温度效应随干密度的增大而减小,温度对非饱和土体导热系数的影响较大,对于干燥和饱和土体导热系数的影响较微弱。温度对土体导热系数的影响可能取决于水汽潜热传输作用的变化,土中可提供潜热传输的水分和水汽运移通道越多,土体导热系数的温度效应越显著。模型计算结果表明,提出的加权几何平均模型预测性能良好,且较好预测了含水率和干密度对土体导热系数温度效应的影响,而Tarnawski模型、Gori模型、Leong模型预测精度均低于加权几何平均模型。

基于荷载结构法和强度折减法的人防工程安全性评估方法

科学有效地对既有人防工程结构进行安全评估,已成为保证城市地下安全的关键。为了克服现有安全评估方法的不足,提出了基于荷载结构法和强度折减法的安全评估方法。利用荷载结构法,将土体对人防工程衬砌的作用转化为荷载以及地基弹簧作用,采用混凝土损伤塑性模型模拟衬砌结构损伤情况,通过荷载增大法和刚度折减法得到衬砌的安全系数值K1;采用强度折减法对土体-衬砌进行有限元建模分析,得到结构或围岩土体破坏时的安全系数值K2。结构的整体安全系数K为两者的较小值。利用上述方法分析了裂缝工况、水位变化等不同因素对结构安全系数的影响。结果表明:荷载结构法和强度折减法均可用于人防工程结构的安全评估;结构的安全系数主要受裂缝和水位的影响,裂缝越深,对结构的安全越不利,安全等级越低;当地下水位高于结构底部且内部渗水时,水位越高,结构越安全;结构内部不渗水时,水位越高,结构安全系数越小。人防工程结构安全的定量评估有利于工程后续处置,研究成果为地下结构安全评估提供了新途径。

超高性能混凝土工作性与流变性的关系研究

研究了水胶比、粉煤灰和硅灰掺量、钢纤维对新拌超高性能混凝土(UHPC)工作性的影响,并对UHPC流变性进行了研究。结果表明:UHPC的流动性与流变性呈反比;增大水胶比和粉煤灰掺量,UHPC的流动性增大、黏度系数减小,而硅灰掺量对UHPC流动性的影响较小;掺入钢纤维会降低UHPC的流动性,而较短、较细的钢纤维对UHPC流动性的影响较大;UHPC的工作性随着成型后静置时间的延长而不断降低,每静置约1 h,其黏度系数增大约12.0~17.3 Pa·s。

湿度循环对石窟砂岩孔隙中硫酸盐结晶过程的影响

为研究湿度循环变化下硫酸盐结晶对砂岩的作用机理,在实验室分别对云冈石窟砂岩、大足石刻砂岩、乐山大佛砂岩进行了硫酸镁溶液和硫酸钠溶液的湿度循环劣化试验,将试样在盐溶液中浸泡至饱和后置于恒温恒湿箱中蒸发,蒸发过程中将相对湿度控制在30%和85%之间循环变化,并在循环过程中运用无损检测手段评价其风化程度。试验结果表明:(1)环境湿度循环变化会导致砂岩试样中的盐类所含结晶水发生变化。(2)在多次湿度循环后3种试样超声波速均出现下降,试样核磁共振T2分布曲线信号强度都出现上升,说明砂岩内部孔隙增多。(3)3次湿度循环后乐山大佛砂岩试样超声波速降至新鲜砂岩的80%左右,试样质量损失率为2.5%;大足石刻砂岩试样超声波速降至新鲜砂岩的95%左右,试样质量损失率为0.5%;云冈石窟砂岩试样未出现明显剥落。因此硫酸盐结晶膨胀作用对乐山大佛砂岩影响最大,对云冈石窟砂岩影响最小。(4)湿度循环下硫酸钠的结晶膨胀作用对砂岩的破坏程度大于硫酸镁。

红黏土的土水特性及其孔隙分布

以桂林红黏土为研究对象,采用压力板法、滤纸法和饱和盐溶液蒸气平衡法3种方法研究在全吸力范围内原状样和压实样的土水特性,并结合压汞试验研究其孔隙分布。试验结果表明:当吸力约小于10 MPa时原状样的土水特征曲线略低于压实样,主要原因是原状样内部裂隙随吸力的增加而不断发展;当吸力约大于10 MPa时两者的土水特征曲线几乎重合。原状和压实桂林红黏土样的土水特征曲线与典型的土水特征曲线不同,即在过渡段均不是单一直线。此外,原状样为单峰孔隙结构,压实样则为双峰孔隙结构,原状样的最终收缩变形量比压实样大。不同干密度的压实样内部颗粒间孔隙分布几乎相同,而积聚体间孔隙或积聚体内孔隙相对较大孔隙存在差异;由此可解释在高吸力范围内不同干密度压实样的含水率与吸力关系土水特征曲线几乎重合;以饱和度与吸力关系表示时,干密度越大,土水特征曲线越高。

高放废物处置库温度场解析

高放废物处置库的温度场分布特征是处置库安全性能评估和尺寸设计的重要依据之一.根据KBS-3V型处置库概念设计,建立了单废物罐的轴对称2维传热模型.首先,借助有限傅里叶正弦变换、分离变量法和冲量定理法得到单废物罐放热条件下围岩任意点的温度解析表达式,通过与已有的半解析解和线热源解结果的对比分析,验证了该模型的有效性;采用在岩壁温度上叠加缓冲层温度差的方法得到废物罐表面温度,然后分析了废物罐近场温度演化规律;最后,对材料热参数、核废物衰变参数以及几何参数对废物罐表面温度的影响进行了分析.研究结果表明:废物罐近场温度在前2年快速上升并达到峰值,之后温度随处置时间缓慢下降;缓冲区温度梯度较大,而围岩区温度梯度较小;缓冲材料和围岩导热系数越大、缓冲层厚度越薄、核废物燃烧值越小、冷却时间越长,则废物罐表面温度越低;膨润土颗粒层厚度对废物罐表面温度的影响大于膨润土块层厚度,这是因为颗粒层材料导热系数较低.

两种膨润土的土-水特征曲线

用滤纸法和压力板法对Kunigel-V1和高庙子两种膨润土进行试验研究,量测不同孔隙比情况下的土-水特征曲线,研究土-水特征曲线与孔隙比之间的关系以及两种膨润土的土-水特性。试验结果表明:用吸力与含水率的关系表示土-水特征曲线时,在吸力较大的情况下,孔隙比对土-水特征曲线的影响不大;用吸力与饱和度的关系表示土-水特征曲线时,土-水特征曲线随着孔隙比的减小向右上方移动,即在吸力一定的情况下,饱和度随着孔隙比的减小而增加,并且此变化接近于线性变化。另外,孔隙比相同时,Kunigel-V1和高庙子膨润土的土-水特征曲线比较接近,即两种膨润土的持水特性比较相近。

桂林红黏土的土-水特征曲线

采用压力板法、滤纸法和饱和盐溶液法3种方法,对压实桂林红黏土进行全吸力范围内的土-水特性量测,研究干密度对于土-水特征曲线的影响。试验结果表明:干密度1.4 g/cm3的压实桂林红黏土的进气值约为20 k Pa;土-水特征曲线的过渡段与典型的土-水特征曲线不同,含水率或饱和度与吸力的对数坐标关系不是单一直线,而是出现了3段直线,并且中间一段平缓段下降斜率较小;当吸力增大到367 MPa时,含水率仅为0.74%,可认为如吸力继续增大至106 k Pa时,含水率和饱和度为0;用吸力与含水率关系表示土-水特征曲线时,吸力较大时不同干密度的曲线重合,认为干密度对土-水特征曲线无影响。用吸力与饱和度关系表示土-水特征曲线时,在吸力较小时,干密度越大,对应的土-水特征曲线越高;当吸力较大时,不同干密度的土-水特征曲线几乎重合。

全吸力范围南阳膨胀土的土-水特征曲线

膨胀土的失水收缩、吸水膨胀过程分别对应着土-水特征曲线的脱湿和吸湿阶段。土-水特征曲线对于研究非饱和土的水力与力学特性有着重要作用。用压力板法(吸力范围0～1.5 MPa)、滤纸法(吸力范围0～40 MPa)和蒸汽平衡法(吸力范围3～368 MPa),分别对南阳膨胀土进行了土-水特性试验,得到全吸力范围内的土-水特征曲线。试验结果表明:初始孔隙比大致相同土样的土-水特征曲线,在低吸力范围内脱湿曲线与吸湿曲线具有明显的滞回现象。当吸力大于300 MPa时,土-水特征曲线的滞回效应基本消失,即脱湿曲线与吸湿曲线基本重合。滤纸法所测出的土-水特性落在主脱湿和主吸湿曲线的滞回圈内。当吸力等于367.54 MPa时,含水率仅为0.325%,几乎近于0。孔隙比随着吸力的变化规律中,不仅受到吸力大小的影响,还受到吸力历史和吸力路径影响;孔隙比与吸力关系中,相同吸力时吸湿路径的孔隙比要比脱湿路径的大;在吸力低范围,吸湿路径与脱湿路径的孔隙比相近。孔隙比与饱和度关系因吸力路径的不同也存在着明显的滞回效应,接近饱和时趋近一致。变吸力情况条件下,饱和度随着孔隙比的增加而增加,蒸汽平衡法得出的孔隙比与饱和度的关系具有明显的线性关系,而压力板法做出来的低吸力范围内的线性关系不明显。

初始应力各向异性土的弹塑性模型

剑桥模型沿球应力轴 ( p轴 )等向塑性体变硬化 ;在日本广泛采用的关口—太田模型沿初始固结线 (K0 线 )不等向塑性体变硬化。三轴试验数据表明 :自K0 状态向伸长方向剪切时 ,前者方法计算的体积应变偏小 ,而后者方法计算的体积应变偏大。作者提出一种介于上述两者之间、考虑初始应力各向异性 (如K0 固结 )的不等向塑性体变硬化弹塑性模型。为了使模型在三维应力下较好地反映土的强度和变形特性 ,模型的剪切屈服准则使用SMP准则。模型的土性参数与剑桥模型一样 ,其预测值与粘土实测值的比较表明 ,提出的模型是简单合理的 。

重塑上海软土的压缩和剪切变形特性试验研究

根据典型上海软土重塑土样的等向压缩试验,测K0与不测K0的单向压缩试验结果,得到不同试验条件下的压缩指数Cc和膨胀指数Cs,并分析了它们之间的关系。进行三轴排水剪切试验,得到了重塑上海软土在不同超固结比和围压下的变形和强度特性,并计算出重塑上海软土的内摩擦角。最后,根据一组不同荷载下的长期单向压缩试验结果,得到重塑上海软土的次压缩系数Cα与荷载之间的关系。上述研究得到的初步结论及相关参数可为工程实践、超固结上海软土本构模型的建立提供参考数据。