基于NMR的非饱和土相对渗透系数快速预测新方法

非饱和土的渗透系数作为研究非饱和土中水分运移的重要参数,直接测量方法原理简明但试样尺寸较大,耗时较长;土-水特征曲线(SWCC)间接预测方法由于需要获取土-水特征曲线,同样较为耗时,工作量较大。为此,结合核磁共振(NMR)理论与渗流理论提出了不同孔径孔隙通道渗透系数与弛豫时间的关系,通过对不同大小孔隙通道渗透系数进行累加,提出了基于核磁共振的饱和/非饱和土渗透系数预测模型和快速预测方法。为验证模型的合理性,以湖南黏土为研究对象,进行了不同初始孔隙比试样脱湿、吸湿过程以及饱和状态下的95次核磁共振试验,获取相应的NMR曲线,采用瞬时剖面法获取不同初始孔隙比试样非饱和相对渗透系数,并与该模型预测值对比。研究发现:利用脱湿、吸湿过程不同含水率下NMR曲线以及饱和状态的NMR曲线均具有较好的预测效果,但基于饱和状态下试样的NMR曲线预测效果相对最好,测量成本和耗时也最小,因此建议采用饱和状态试样NMR曲线直接预测非饱和相对渗透系数。

膨胀土生态治理研究进展

膨胀土是一种遇水急剧膨胀变形、失水迅速收缩开裂的问题土,需对其进行治理以满足工程要求。对近年来新发展的膨胀土生态治理材料进行了归纳、总结,并根据其组分、特点分为地聚合物类、离子固化剂、有机高分子材料类、微生物与酶类和生物胶类,并阐述了各类固化剂的材料特点、固化效果及作用机理,均符合新时代发展要求,可作为一种可持续的、环保的、多功能的技术大范围推广应用,最后从生态治理和推广应用角度探讨了目前需要克服的问题。

氧化镁复合水泥固化硫酸盐渍土的力学、膨胀性能及微观机理

硫酸盐(渍)土易引发溶陷、膨胀、腐蚀地基等岩土灾害,而水泥固化会导致膨胀性矿物——钙矾石的生成,造成硫酸盐土体膨胀、强度损失和耐久性降低。为了避免上述问题,采用氧化镁(MgO)部分替代水泥(即MgO复合水泥),用于固化处理硫酸盐土(即石膏土)。通过开展垂直膨胀、无侧限抗压强度(UCS)、X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)和核磁共振(NMR)试验,研究MgO与水泥配比对固化土膨胀特性和力学性能的影响规律,并揭示MgO复合水泥(MgO-水泥)固化硫酸盐土的微观机理。试验结果表明:随着MgO与水泥配比增加,固化土的总膨胀率先减小后增大,而UCS总体呈现为先增大后减小。在微观机理方面,加入适量MgO可减少钙矾石生成;而加入过量MgO后,水化硅酸镁(MSH)的形成抑制了水化硅酸钙(CSH)形成,削弱了CSH的影响。综上,MgO∶水泥(MgO∶C)=0.5∶9.5是固化硫酸盐土较优的MgO与水泥配比。

水位涨落作用下加筋路堤稳定性研究

公路洪水水毁现象愈发频繁,洪水引起的水位涨落对路堤有不可逆的损坏。以加筋路堤边坡为研究对象,考虑不同土工合成材料加筋效果,开展水位涨落模型试验,研究不同类型路堤在水位涨落条件下的水力特征及沉降与破坏模式。试验结果表明:水位涨落过程中,加筋改变了加筋层附近土体的孔隙水压力与土压力变化幅度、体积含水量对水分入渗的响应速度,不同筋材的加筋效果影响规律不同;对比未加筋路堤,孔隙水压力变化幅度在土工格栅加筋路堤中随水位涨、落过程逐步增大,体积含水量在土工布加筋路堤中响应最迅速,两者在土工复合材料加筋路堤中的变化利于路堤稳定,综合考虑,土工复合材料加筋效果最优;水位下落后,未加筋路堤斜坡发生牵引式滑移,加筋路堤均未发生,且加筋有效减小了路堤沉降。研究水位涨落条件下加筋路堤稳定特征对洪水水毁灾害防治具有重要意义。

第10次全国青年工程地质论坛回顾

第10次青年工程地质论坛于2018年9月7～9日在三峡大学顺利召开。论坛由中国地质学会工程地质专业委员会、三峡大学等单位承办,中国地质大学(武汉)等单位协办。主要围绕"水利水电工程中的工程地质与岩土工程问题"主题展开研讨,共有来自国内78家高校、科研院所和企事业单位的300余位代表参会。论坛活动由学术报告和野外考察两部分组成,其中,青年学者报告55场,研究生报告12场。各位代表围绕论坛主题,进行了热烈讨论和争鸣,气氛十分融洽。碰撞出了新的学术火花,催生出了新的学术思想。为青年工程地质论坛的不断前行和青年人才的成长,注入了新鲜血液和新动力。

湖泊溶液下GCL防渗性能及其机理

针对膨润土防水毯(geosynthetic clay liner,GCL)用于湖底防渗时湖泊溶液离子影响GCL渗透系数的问题,提出用模拟湖泊溶液作为渗透液研究GCL的防渗性能。配置浓度为0.005~1 mol/L的KCl、CaCl2、NH4CL及相互混合溶液作为介质渗透液,以去离子水作为对比渗透液,取出GCL中的膨润土,测试渗透液下膨润土的自由膨胀指数;在相同的渗透液条件下,测试GCL的渗透系数;渗透试验后取出GCL中膨润土分析其元素变化。结果表明:1)相对于介质渗透液,去离子水中GCL的防渗性能最好,渗透系数最小。2)GCL处于渗透液环境时,GCL的防渗性能与膨润土的胀缩性表现出相反的变化趋势。相同浓度的单一渗透液下,GCL渗透系数的规律为NH4Cl<KCl<CaCl2;同一离子强度的混合渗透液下,GCL抗渗性能的规律为KCl+NH4Cl>NH4Cl+CaCl2>KCl+CaCl2。3)在同一种渗透液下,GCL防渗性能对离子浓度的敏感性分为3个区段,分别为浓度<0.1 mol/L、0.1 mol/L<浓度<0.5 mol/L、浓度>0.5 mol/L。GCL防渗性能随渗透液离子浓度的升高而降低,下降幅度不断减缓。4)GCL的防渗性能可以用GCL的元素变化来解释,经渗透液渗透后GCL内的钠元素越少,GCL的抗渗能力越弱。研究结果阐明了湖泊溶液对GCL防渗效果的影响及其机理,可为GCL用于湖泊防渗提供理论依据。

稻壳灰-水泥固化淤泥土力学特性及微观机理研究

我国许多地区河道湖泊环境受损,淤泥淤积速度加快,淤泥质软土地区易发生严重的地基或边坡失稳,通过固化/稳定化技术对淤泥土进行资源化利用具有重要意义。提出利用稻壳灰和水泥进行淤泥固化处理,通过无侧限压缩试验、三轴固结不排水试验评价固化土力学特性;并结合核磁共振、X射线衍射和电子显微镜扫描试验,分析稻壳灰掺量对固化土孔隙尺寸、矿物成分、微观形貌的影响规律,揭示稻壳灰-水泥固化淤泥土的机理。研究表明:稻壳灰能显著提高固化淤泥土强度,稻壳灰-水泥土强度随稻壳灰掺量的增加先增后减,随龄期的增长而增加;当水泥掺量8%时,稻壳灰最优掺量为15%,稻壳灰-水泥土应力应变曲线为应变软化型,抗剪强度参数随着养护龄期增大而增大。稻壳灰-水泥土养护28d试样的XRD图中出现水化硅酸钙(CSH)衍射峰,而T2分布曲线中大孔峰值及面积明显降低,同时观察到SEM图中大量网状水化硅酸钙凝胶,该凝胶能够起到填充土体孔隙、联结土颗粒的作用。

植被护坡作用下边坡土壤水分时间稳定性研究

时间稳定性是深入研究生态修复边坡水分空间分布格局时间相关性的关键性指标,对揭示不同时期边坡水文特性和长期稳定性具有重要意义。开展了多花木兰护坡下室外边坡模型试验研究,结合0~100 cm土壤水分实时监测数据,探讨了植被边坡土壤水分时空动态特性,基于Spearman秩相关系数、相对差分法以及时间稳定性指数等分析了植被护坡作用对不同深度土壤水分时间稳定性影响规律,提出了基于加权法的植被边坡土壤水分估算模型。结果表明:边坡土壤水分分布具有明显的时空异质性与深度依赖性,植被的介入显著降低了0~100 cm土壤水分含量,变异系数较裸坡增大了60.6%,水分时空异质特征明显加剧;在植被长期护坡作用下,不同时期土壤水分的空间分布模式相似性有所较弱,且相同深度下土壤干湿交替明显增多,时间稳定性显著降低;基于相对差分和时间稳定性指数准确判定了植被边坡土壤时间稳定性代表测点,在此基础上提出的水分预测模型能够较准确的估计边坡研究区域土壤水分整体水平,可为合理布设土壤水分监测点,揭示生态修复边坡水文特性和长期稳定性提供一定的理论依据。

基于有限元的综合管廊电缆温度场分布研究

针对综合管廊中电缆运行时存在温度较高导致灾害的问题,开展综合管廊电缆运行时温度场分布及影响因素研究。通过ANSYS建立有限元数值模型,研究管廊电缆温度场分布规律,分析电缆缆芯层间距、支架层间距以及电流对电缆温度场分布的影响。研究结果表明:当电缆、支架层间距大于0.6 m时,对电缆温度场分布影响较小,电缆布置间距建议取为0.2 m,支架层间距亦为0.2 m;管廊电缆温度场影响半径为0.83 m,与电缆电流、电缆间距和支架层间距无关;电缆电通量与电缆运行时温度、电缆缆芯间距呈ExpAssoc函数关系,可通过在线监测电缆温度场分布推算电缆载流量大小,对电缆负荷进行监控,确保电缆安全运行。

基于ANSYS的缩颈灌注桩内植热源温度场特征研究

提出缩颈灌注桩内植热源缺陷检测方法,对温度荷载作用下桩基础内植热源的温度场进行数值模拟,对比完整桩与缩颈桩的温度场分布规律,分析缩颈部位的缺陷特征。结果表明:桩体在温度荷载作用下,沿桩深方向缺陷部位的温度突变,缩颈程度越大温升越高,缩颈为50 mm和100 mm时,温差递增较为明显,当缩颈超过200 mm后温差递增趋势减弱,依据相应规范可判定该类桩已属于四类桩;结合温度突变起点与终点之间的距离可判定缩颈长度,对比桩身完整部分的温度变化曲线可判定缩颈程度;通过适当增加加热功率,可缩短缺陷判别时间,增加判定准确性。以上研究结果验证了所提方法的可行性,可为今后桩基完整性检测试验确定缺陷位置、缺陷类型及缺陷程度提供理论依据。

透水混凝土强度试验研究

以湖北地区天然碎石为粗骨料,通过试验研究了透水混凝土在不同骨料粒径、水灰比和压实时间情况下的抗压、抗折强度的变化,得到了3个因素对透水混凝土强度影响的基本规律:透水混凝土的强度随骨料粒径的增大呈先升高后降低趋势;透水混凝土的强度随水灰比升高呈先升高后降低的趋势;透水混凝土的强度随压实时间的增加呈上升趋势。

稻壳灰-水泥固化镉污染土性能及影响机制

为实现污染土和稻壳灰资源化利用,解决水泥固化材料高排放问题,采用稻壳灰-水泥为固化剂对重金属镉污染土进行固化处理。开展不同养护龄期、固化剂类型及镉含量下固化镉污染土无侧限抗压强度、毒性浸出、X射线衍射及扫描电镜试验,通过分析抗压强度、浸出质量浓度、破坏形态、微观形貌及矿物组成等宏微观特性,揭示稻壳灰-水泥固化镉污染土微观作用机制。结果表明:稻壳灰可以加速水泥水化过程,提高固化土无侧限抗压强度,低水泥掺量时加入5%~10%稻壳灰改善效果较优;固化土强度随镉含量增加而先升后降,存在临界值100~400 mg/kg;稻壳灰掺入后,土体脆性破坏特征减弱,镉污染下土体裂纹较多且破坏面不规则;固化土浸出质量浓度随龄期增加而降低,在镉含量为100 mg/kg时满足标准限值,稻壳灰部分替代水泥后浸出质量浓度相差不大;稻壳灰-水泥主要以水化硅铝酸钙聚合物凝胶(C-A-S-H)和钙矾石(AFt)共同支撑土体孔隙,不断团聚、胶结形成空间网状结构,形成骨架结构并吸附镉离子。

三峡库区消落带典型植物光合固碳能力及影响因素

为了探究三峡库区消落带湿地生态系统植被的光合固碳特性及其碳汇潜力,选取15种典型植物,测定并定量化分析了植物的光合固碳能力,并对其与主要环境生理影响因子、叶片氮磷生态学计量特征的相关性进行了分析。结果表明:(1)15种典型植物净光合速率基本上均与光合有效辐射、蒸腾速率及气孔导度等呈显著或极显著的正相关,与胞间CO 2浓度呈显著或极显著的负相关;(2)不同生活型植物的全氮与同尺度区域的植物叶片氮素含量相当,磷含量要高于其他同尺度区域,而不同生活型植物的日平均光合速率与叶片全氮、全磷及氮磷比之间相关性不显著;(3)不同类型植物日光合净同化量、单位叶面积固碳量及单位土地面积固碳量均不相同,乔木中的竹柳,灌木中的牡荆、地桃花,草本中的芦苇、辣蓼的固碳能力较强。综合分析,在三峡库区消落带生态修复工程中应着重选择竹柳、地桃花、芦苇、辣蓼等高效固碳植物并进行合理配植,构建多层复合配置的林灌草的模式,从而改善库区消落带生态问题。

电石渣-稻壳灰固化铜污染土抗压强度及环境特性研究

为解决铜污染土劣化土体强度及破坏生态环境等问题,提出利用电石渣(CCR)和稻壳灰(RHA)2种固体废弃物对重金属铜污染土进行固化/稳定化。基于无侧限抗压强度试验、毒性浸出试验(TCLP)及微观结构分析,研究不同固化剂配比、龄期及污染物浓度等因素对固化土抗压强度和浸出性影响规律,并分析其微观结构变化。研究结果表明,电石渣−稻壳灰可以显著提升污染土强度和降低铜浸出率,固化前期电石渣−稻壳灰配比为3︰7时固化强度最高,当养护龄期为60 d时,固化剂配比为5︰5时提高固化样力学效果最优,且抗压强度随铜含量增加而先略有升高后大幅降低,高铜含量对固化土强度劣化明显。当初始铜含量为10000 mg/kg以下时,固化后铜浸出浓度低于安全浸出标准。固化剂配比对铜离子固化效果在低初始铜含量下无明显差异,在高初始铜含量下,电石渣和稻壳灰配比为4︰6固化效果更优。经固化剂处理后污染土pH值显著增大,且随着pH升高,浸出浓度呈现先减小后增大的趋势,与氢氧化铜理论溶解度曲线趋势大致相同。电石渣−稻壳灰固化污染土主要产物呈现为硅酸钙水合矿物,有利于降低铜的浸出率,填充土壤孔隙,提高骨架结构,对铜离子具有吸附和离子置换作用。

温度荷载作用下灌注型能量桩热力响应原位试验研究

能量桩是一种利用浅层地热的建筑节能技术,具有比传统地源热泵系统更高的换热效率以及节约占地等优点。对能量桩试验基地的1#、2#足尺灌注型能量桩进行加热试验,测试桩身温度、应变、附加应力和侧摩阻力等分布规律,分析夏季工况仅温度荷载作用下(温升10℃)能量桩的热力响应。试验结果表明:沿桩壁对称布设多组U型换热管的灌注桩,其桩身温度分布较均匀,桩身应变呈现为两端大中间小,最大附加应力位于桩中部;随着温度荷载的增加,桩体桩侧摩阻力表现为上负下正,桩中部正负交界处的侧摩阻力增长要明显快于桩两端,温升达到7.5℃之后,其增长趋势减弱;本试验条件下,通过对桩体附加应力变化规律的拟合得出其值可能超过1.66 MPa,在设计时必须考虑温度荷载对桩承载力的影响。

桩承载力反向自平衡试桩法数值模拟分析

为推动反向自平衡试桩法在实践中的应用,采用有限元分析方法对反向自平衡试桩法进行了数值模拟分析。以管桩为例,运用ABAQUS有限元软件建立反向自平衡试桩法数值模型,分别采用位移控制法和荷载控制法进行桩身和桩顶加载模拟,得到了基桩抗压极限承载力,进行了桩身轴力和桩侧摩阻力分析;对建立的数值模型进行了位移控制法下的静载试验模拟,并与反向自平衡试桩法模拟得到的极限承载力进行了对比分析。模拟结果表明,反向自平衡试桩法确定的基桩极限承载力与静载试桩法结果较为接近,不需要进行正、负摩阻力转换,但也存在平衡点位置的确定问题。

曼大公路宁克4标段路基工程绿色施工技术实践

为了减轻途经青海省海北藏族自治州门源县仙米自然保护区境内曼大公路宁克NK-SG4标段建设对当地生境的影响,通过实地考察,在探讨绿色施工概念的基础上,结合实际工程实例,详细介绍了本工程主要采用的绿色施工技术措施,包括:土壤污染防止,植被恢复,施工现场的扬尘与噪声控制,修建野生动物通道,节材与材料资源利用,节水与水资源利用,节能与能源利用,节地与施工用地保护等。在该标段施工过程中,土壤污染程度较轻甚至可以忽略,植被恢复效果明显,施工现场的扬尘与噪声控制在46dB^59dB之间,动物穿行野生动物通道的数量明显增加,材料、水资源、能源、施工用地的利用效率分别达到39%、45%、55%、42%。工程实践取得了良好的生态效益与经济效益,满足了业主与当地环保部门的要求。

渗透结晶型防水剂对PE-ECC力学和自愈合性能影响

为设计力学和自愈合性能优良的高延性水泥基复合材料(Engineered Cementitious Composite,ECC),以掺超高分子量聚乙烯短切纤维(UHMWPEF,文后简写PE)的ECC(PE-ECC)为基准组,掺入不同类型和掺量的水泥基渗透结晶型防水材料(Cementitious Capillary Crystalline Waterproofing Materials,CCCW),通过抗压、抗折、抗拉试验及预制裂缝法分别分析其力学和自愈合性能,并通过压汞法(MIP)、X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)对其孔隙结构、物相组成和微观形貌进行分析。结果表明:随着CCCW掺量的增加,PE-ECC力学性能呈先增后减趋势,当掺量为1.0%时,其力学性能最佳,且掺XYPEX型CCCW对PE-ECC力学性能的提升更为明显,此时抗压强度为53.8 MPa,提升了37.95%;抗折强度为11.8 MPa,提升了53.25%;极限拉应力为5.56 N/mm^(2),提升了14.17%;极限拉应变为7.53%,提升了21.65%。通过对共振频率和裂缝宽度的变化情况分析可知,CCCW对PE-ECC的自愈合性能有明显提升效果,能有效修复宽度小于0.5 mm的裂缝。MIP测试表明CCCW能有效改善PE-ECC孔隙结构;XRD和SEM显示掺入CCCW后PE-ECC自愈合产物种类不变,但Ca^(2+)络合剂种类增加,提供Ca^(2+)能力变强;裂缝处自愈合产物分布更为密集,愈合程度更高。

不同种类地埋管换热器换热试验与仿真

相比传统钻孔埋管换热器地热采集技术,不断优化的能源桩技术在建筑节能工程应用中更具高效及经济优势.根据深层埋管型能源桩、桩内埋管型能源桩及传统钻孔埋管换热器3种不同地埋管换热器的结构特点,通过现场试验及数值模拟分析3者换热特性.结果表明,相同埋深下,深层埋管型能源桩单桩换热量及换热效率均高于传统钻孔埋管换热器;相同桩长下,深层埋管型能源桩单桩换热量高于桩内埋管型能源桩;桩基的高导热性可显著提高换热器的换热效果,深层埋管型能源桩的井-桩段换热比达到1.95;深井的设置不仅可以降低桩基热堆积引起的热干扰,还可以弥补换热管间距较小对换热量产生的不利影响.研究表明,通过优化换热器施工工艺,降低换热管间的热干扰效应,可有效提高换热器整体换热效果.

疏水材料改性黏土渗透性能试验研究

以添加(0%、3%、6%、9%)疏水材料(全称超级疏水高分子聚合物,简称SHOIP)的改性黏土作为研究对象,开展土壤-水接触角试验、渗透试验和核磁共振试验,分别研究SHOIP掺量对改性黏土接触角、渗透系数和土壤孔隙分布的影响.结果表明:SHOIP掺量从0%增加到9%时,改性黏土接触角从60°增加到123°;改性黏土渗透系数逐渐减小,上水头压力为30kPa时,渗透系数从1.4×10^(-6)cm·s^(-1)减小至1.5×10^(-8)cm·s^(-1),上水头压力为60kPa时,渗透系数从7×10^(-6)cm·s^(-1)减小至2.1×10^(-8)cm·s^(-1).SHOIP掺量为0%和3%的改性黏土孔隙分布曲线图呈现三峰分布,即小孔、中孔和大孔的分布都有峰值,随SHOIP掺量的增加三孔均出现不同程度减小,当SHOIP掺量大于6%时,大孔体积降为零.改性黏土渗透系数主要由大孔决定,当大孔体积为零时,继续增加SHOIP掺量,只会小幅降低渗透系数.该研究对土体防水工程具有参考意义.