考虑温度影响的岩石三向膨胀力测量仪及其实验设计

膨胀力是膨胀类岩石重要特性之一,该文提出了一种考虑温度影响的岩石三向膨胀力测试方法与实验装置。基于实验设计,利用该装置开展了黑色页岩、红层泥岩膨胀力实验,得到两类岩石在不同温度下的膨胀力时程曲线;分析了黑色页岩、红层泥石膨胀力随时间的变化规律,并与基于弹性力学原理计算得到的两类岩石膨胀力进行了对比,进一步比较了温度对两类岩石膨胀力的影响规律。该装置结构清晰、操作简单,更有利于学生对岩石膨胀力的理解,也是对岩石力学实验教学内容的补充。

膨润土颗粒充填施工接缝的缓冲层膨胀力研究

在高放废物处置库中,缓冲层通常以高压实膨润土砌块拼接回填形成,这势必在金属罐、砌块、围岩之间留下不可忽略的施工接缝.通过在位于试验舱底的压实膨润土上部预留接缝,开展接缝充填膨润土颗粒工况下的试样膨胀力测试,以掌握膨润土颗粒充填施工接缝对缓冲层膨胀力特性的影响.研究结果表明:试样水化方向不同,膨胀力发展过程存在较大差异,但膨胀稳定时间差别不大;从接缝端入渗时,试样均表现出随注水时间增长,膨胀力逐步提升,直至稳定在最高膨胀力;随着接缝宽度增大,最终膨胀力出现显著降低,且膨胀稳定时间显著增加;在施工接缝中充填膨润土颗粒可显著提升缓冲层最终膨胀力,保证其“自密封”要求.

干湿循环中膨胀土吸力和膨胀力变化规律研究

以江苏省宿迁市某膨胀土航道整治工程为例,通过室内试验,研究膨胀力与基质吸力随含水率与干湿循环次数的变化规律。结果表明,膨胀力随含水率增加而降低,干湿循环后膨胀力整体下降,其中吸湿过程膨胀力大于干燥过程,在一定次数的循环后逐渐稳定;基质吸力随体积含水率增大而减小,干湿循环次数的增加使得基质吸力下降,含水率越大降幅越小,滞回曲线不明显。试验数据拟合发现,膨胀力与含水率关系式用指数函数拟合、土水特征曲线用Gardner模型拟合效果最好。结合相应的非饱和土抗剪强度公式,能用于非饱和膨胀土边坡的相关研究。

弱膨胀性黏土膨胀力取值试验研究

依托西南地区某一膨胀土基坑边坡工程,采用单土样持续/断续吸水条件下膨胀土含水率-膨胀参数全过程曲线试验模拟不同降雨工况下的膨胀力测试。连续/断续吸水试验表明:土体膨胀力随其含水率的增加先增后减,而后逐渐趋于稳定。通过膨胀力以及膨胀率试验结果分析,拟合提出了膨胀力的简明计算公式:P=αw。

电芯膨胀力叠加关系研究

随着新能源行业的兴起,高比能、低成本、高成组效率的模组设计已成为主流趋势。然而锂离子电池在充放电过程中会发生鼓胀,导致电芯循环寿命降低。且电芯到模组级别膨胀力呈增大趋势,过大的膨胀力会使模组端侧板发生破坏。文章基于电芯膨胀力叠加关系的研究,分别对单体电芯、2P1S、1P2S、3P1S、1P3S、4P1S、1P4S以及3P4S模组进行了测试,得出电芯串并联方式对模组膨胀力大小的影响可以忽略不计,且模组膨胀力的大小与电芯的个数呈对数函数的关系。通过预测不同成组方式模组膨胀力的大小,为安全模组设计提供指导意义。

膨胀土连续吸水渗透特性及对膨胀力影响研究

为探究黏土渗透特性及其工程影响程度,以某膨胀土地区某超高层项目基坑膨胀岩土为例,采用改进传统瞬时剖面法测试土体含水率和基质吸力,研究膨胀土连续吸水渗透特性及对膨胀力影响。研究结果表明:非饱和膨胀土为极弱透水性或不透水;土体土基质吸力与含水率呈反比幂函数关系,渗透系数与浸湿时长、基质吸力分别呈非线性Boltzmann函数关系和VG函数关系;土体渗透系数随注水时间先降低后增大。吸水过程中,土体膨胀力的发展与含水率增量的关系都呈线性关系,且略有滞后性。研究成果拓宽了膨胀土的理论研究和工程实践,推动了膨胀基坑的支护理论及设计计算方法的完善。

基于颗粒流的膨胀土膨胀力时程细观机制研究

为了深入分析膨胀土在增湿条件下膨胀力时程关系,开展了不同初始含水率和干密度下的无荷膨胀率试验与膨胀力试验,建立了考虑体积应力的膨胀土颗粒膨胀模型;采用颗粒流程序(particle flow code,PFC)数值计算方法,探讨了膨胀力在不同干密度、初始含水率下膨胀力随时间的变化规律,从细观层次上分析了增湿过程中土体接触力链的分布特征,并进行了颗粒膨胀函数中参数对时程曲线的敏感度分析。试验结果表明:增湿过程中膨胀力随时间的增长可以分为快速增长、匀速增长和相对稳定3个阶段。膨胀速率和极限膨胀力均随土体干密度增大而增大,随土体初始含水率的增大而减小。在增湿条件下,膨胀力在0~2 h内基本能达到极限膨胀力的80%。数值计算结果与室内试验结果一致,验证了颗粒膨胀模型的正确性。

基于梯度提升决策树算法的膨润土膨胀力预测

膨润土由于其高膨胀、低渗透和良好的核素吸附能力,被公认为高放废物深地质处置库的缓冲/回填屏障首选材料。实际工程中,高压实膨润土的膨胀力是缓冲屏障设计的关键指标之一,但影响因素众多、作用机制复杂,现有理论模型难以综合考虑多种因素的影响。为此,运用作为数据分析可靠手段的机器学习方法,采用泛化能力出众的梯度提升决策树(GBDT)算法,以目前世界上的典型膨润土类型为研究对象,基于对国内、外相关实验研究成果的搜集与梳理,搭建了基于GBDT回归算法的膨润土膨胀力预测模型,并结合既有实验数据进行了验证与应用效果分析。GBDT算法的预测准确率可达91.7%,明显优于随机森林等其他回归算法,模型可为我国已开建的地下实验室现场试验与处置库建设等提供技术参数和理论支撑。

膨润土吸湿过程中膨胀力演化及水分分布特征

压实膨润土被广泛地用作密封阻隔材料,其膨胀力变化对于工程设计十分重要。采用蒸汽平衡法控制吸力,研究增湿过程中的膨胀力变化规律,并采用核磁共振(NMR)和X射线衍射(XRD)技术,分析吸湿过程中土体水分分布状态与宏观膨胀行为的关联机制。结果表明,在控制湿度条件下,随着吸力降低,膨胀力先线性增加后稍稍降低;当吸力超过21.8 MPa后,不同干密度试样的含水率基本一致,在低吸力段,含水率随干密度降低而增加;吸湿过程中膨润土矿物晶层间逐层吸水,形成不超过2层水分子厚度吸附水;利用T2分布曲线计算了不同干密度试样的吸附水和毛细水含量,发现膨润土中主要为吸附水,存在少量毛细水(<5%)。分析认为,在吸湿过程中,水分首先吸附到层间区域,膨胀力线性增加,当形成少量毛细水后,颗粒滑移导致膨胀力降低。即,膨胀力的演化在高吸力下受层间水合作用控制,在低吸力下受孔隙结构变化影响。

重塑膨胀土的三向膨胀力试验研究

用三向胀缩仪对南阳陶岔重塑膨胀土做了12个三向膨胀力试验,9个湿胀干缩试验和9个控制变形的膨胀力试验。试验结果表明,三向膨胀力不等,水平膨胀力小于竖向膨胀力;湿胀干缩使重塑膨胀土的膨胀力降低,第一次干湿循环后膨胀力减小最多;微小的位移可以使膨胀力大大降低,膨胀力与位移呈对数关系;给出了膨胀力与初始含水率和干密度的关系式。

化学作用下压实膨润土膨胀力响应机制研究进展

高放废物深地质处置库建成后,围岩地下水入渗,化学成分随之进入膨润土工程屏障,影响压实膨润土膨胀性能的长期稳定发挥,危及处置库安全。全面回顾了化学作用下压实膨润土膨胀力响应机制研究,总结了化学溶液入渗条件下膨润土水化膨胀力演化特征、微观机理和预测模型等方面最新进展。压实膨润土水化膨胀过程受化学溶液(离子种类、浓度)和膨润土性质(可交换阳离子、压实干密度)耦合作用影响。化学作用下,浓度效应和阳离子交换反应会不同程度地影响蒙脱石晶层间膨胀、层叠体裂解和扩散双电层膨胀3种水化膨胀机制。相比于水化膨胀模型,考虑化学作用的弹塑性本构模型以渗透吸力量化浓度效应,以晶层刚度反应阳离子交换程度,具有更好的适用性和准确性。现阶段的机理和模型研究,均存在很多不足:针对膨润土晶体、层叠体、集合体的特殊结构,微观试验尚不能定量、直观地揭示晶层间膨胀机制与扩散双电层膨胀机制间的转变界限;膨胀力预测模型很难从水化膨胀机理出发,实现由微观到宏观的跨尺度计算,缺乏考虑处置库工程尺度上多场条件与膨润土化-水-力行为间的协同作用。因此,多尺度系统性试验、多场耦合作用理论和多因素协同演化动态模型仍需深入研究。

温度和盐/碱作用下膨润土-砂-石墨缓冲材料膨胀力性能演化

缓冲材料是核废料等高放废物地质处置库的最后一道工程屏障,要想科学合理地评估缓冲材料的实际工作性能,需对温度场和化学场作用下非饱和缓冲材料的膨胀特性有清晰的认识。以膨润土-砂-石墨缓冲材料(BSG)为研究对象,基于自主研发的膨胀力试验装置,系统研究了温度、化学溶液对BSG混合物的膨胀力的影响。结果表明:高温和化学溶液降低膨胀力。阳离子类型的影响通过其化学活性的差异来解释。Ca^(2+)离子具有比Na^(+)离子更高的交换容量。温度对膨胀力的影响超过了阳离子类型,在室温条件下,加入CaCl_(2)溶液的BSG混合物的膨胀力高于加入NaCl溶液的,而高温下规律则相反。随着NaOH溶液pH值的增加,膨胀力减小。在较高的温度下,下降速率取决于NaOH溶液pH值。高浓度的OH^(-)有利于双层膨胀和土体结构重排,不同浓度的NaOH溶液对膨胀力的影响表现为Na^(+)和OH^(-)的相互作用。土体结构重新排列引起的双层膨胀力的增加和膨胀力的降低分别由双层厚度的减小和蒙脱石和硅酸盐矿物的溶解控制。

膨胀土二维膨胀力特性研究

目前对于膨胀土膨胀力特性的研究比较普遍,而关于一维、二维、三维应力状态下的分析区分不明,特别是平面应变状态下二维膨胀特性。在诸如条形基础、路堑边坡等实际工程中,土体大多处于平面应变状态,可以归结为平面应变问题。本文利用自制的二维膨胀仪,对平面状态下的二维膨胀力进行一系列研究,得到了二维膨胀力与时间之间的变化规律,探究了初始干密度对膨胀力的影响以及竖向膨胀力与侧向膨胀力的关系,明晰了胀限的变化规律。试验结果表明:二维膨胀力的特性主要是受干密度的大小影响,竖、侧向的膨胀力变化趋势相同;当含水率一定时,膨胀力随干密度的增大而增大,两者呈现为正相关。

白泥改良膨胀土液塑限和膨胀力试验探究

为合理处置制浆造纸厂排出的固体废料造纸白泥,将其用于膨胀土改良,研究了不同掺量的白泥对膨胀土液塑限和膨胀力的影响。结果表明:10%的白泥掺量为最优掺量,可显著降低膨胀土的液塑限和膨胀力;继续增加白泥掺量,液塑限逐渐降低直至稳定,但膨胀力反而提高。分析其原因,认为改良机制主要在于白泥中高价阳离子溶解造成黏土矿物的双电层压缩,过量的白泥改变了混合物的亲水性和孔隙结构,有利于毛细作用对水分的输送,提高了试样中黏土矿物成分的吸水速率,单位时间内会有更多黏土矿物发生膨胀,导致膨胀力在短时间内迅速上升。在实际膨胀土改良工程中需要注意,非膨胀性材料掺量并非越多越好。

平面应变状态下膨胀土二维膨胀力特性研究

当前关于膨胀土的膨胀特性研究大多是在一维和三维轴对称应力状态下,但在诸如条形基础、路堑边坡等实际工程中,土体大多处于平面应变状态。本文利用自制的二维膨胀仪,对平面状态下的二维膨胀力进行了一系列研究,得到了二维膨胀力随时间的变化规律,探讨了初始含水率对膨胀力的影响以及竖向膨胀力与侧向膨胀力的关系,明晰了胀限的变化规律。试验结果显示,竖向膨胀力和侧向膨胀力随时间增长直至稳定,大多数情况下竖向膨胀力的数值高于侧向膨胀力,且在数值上相差较多,相较于侧向膨胀力,竖向膨胀力趋于稳定的速度更快。在干密度小的情况下,膨胀力和初始含水率呈负相关,且变化幅度相对较小;在干密度偏大时,膨胀力随初始含水率的增大先增大后减小,且变化幅度较大。土样的胀限与其初始含水率关系不大,膨胀力和胀限呈负相关。

膨胀力变化规律试验研究

对膨胀土胀缩机理进行了阐述,剖析了膨胀力概念,指出GB/T50279-98界定的膨胀力为最大膨胀力或极限膨胀力,提出自然膨胀力概念及其试验方法。首次开展了自然膨胀力随增湿程度变化规律的试验研究,并对膨胀力随增湿程度、干密度大小、起始含水率等因素的变化规律以及等同土样进行不同程度脱湿后的膨胀力变化规律开展了试验研究,得到了诸多有价值的结论,使对膨胀力概念的认识更加深入,其应用也更符合工程实际。

水下井口生产热膨胀力分析与井口环空密封完整性评估

基于南海东部某海域的钻井资料,运用热力、结构力学理论,建立水下井口的热-结构力学轴对称有限元模型,运用ANSYS软件对海床以上井口的轴向热膨胀力进行计算。采用经典理论计算套管串由于热膨胀在井口产生的力,对环空密封总成的长期密封完整性进行评估。结果表明,在4285 m井深和正常温度压力条件下,由于流体热循环在套管挂处产生向上的力为2811 kN,而环空密封总成锁环工作能力为3247 kN,因此,环空密封总成锁环可抵抗热膨胀产生的向上的力。为确保油井生命周期的井口安全,提出在套管挂顶部下入锁紧补芯,以限制套管挂和密封总成在生产过程中由于热膨胀而向上移动。上述评估方法及措施为水下井口在生产过程中的密封完整性评估提供参考。

南阳膨胀土三向膨胀力规律研究

湿胀干缩是膨胀土的一个典型特征。膨胀土与水作用时，随着含水量的增加，其体积将明显地增大，显示了强烈的膨胀性。当这种膨胀性受到限制时，必然产生膨胀力。膨胀力的大小与膨胀土的含水量和干密度有很大关系，研究膨胀力对深入了解膨胀土的变形和强度特性很有价值。通过12个三向膨胀力试验，研究了南阳陶岔重塑膨胀土膨胀力随含水量和干密度的变化规律。试验结果表明重塑膨胀土的三向膨胀力不等，水平膨胀力小于竖向膨胀力；给出了膨胀力与初始含水量和干密度的关系式，为工程建筑物的稳定分析提供了依据。

基于有限元仿真的模组膨胀力分析

电芯在循环过程中,随着充放电次数的积累,电芯膨胀力不断增加,电芯体积明显变大,表现为电芯鼓胀,进而可能会影响整个模组结构性能。因此,研究电芯膨胀力大小及电芯膨胀力对模组端侧板结构影响具有重要意义。文章采用热膨胀等效形式模拟电芯在循环过程中产生的膨胀力作用,研究泡棉对膨胀呼吸的影响。结果表明,泡棉对膨胀力吸收有一定作用,选择合适泡棉对电芯循环膨胀具有重要意义。基于此模型研究了端侧板侧边焊接与包边焊接模组结构膨胀对比,包边焊接比侧边焊接结构形式抵抗膨胀效果更好,为后续模组膨胀设计提供指导意义。

初始含水率和干密度对膨胀土膨胀力影响的试验研究

不同地区的膨胀土在特定条件下的力学特性具有一定的地域性。试验采用恒体积法测量膨胀土的膨胀力,且用核磁共振技术测量膨胀力稳定后试样的孔隙结构,分析不同初始含水率和干密度对宁明膨胀土膨胀力的影响。结果表明:在中、低干密度状态下,宁明膨胀土的膨胀力随时间的变化呈现快速增长、趋于稳定、缓慢增长、稳定状态4个阶段;在高干密度状态下,宁明膨胀土的膨胀力先快速增长,然后增长速率越来越慢,最终达到稳定状态;用蒸馏水配制土样的初始含水率时,宁明膨胀土的初始含水率越高、干密度越大,配土过程中膨胀能释放越多;孔隙大小直接影响水分子进入土体内部的效率,进而影响膨胀力稳定的时间。