盐碱演化环境下高压实GMZ膨润土膨胀变形特性

高放射性废物深地质处置库中,混凝土材料在地下水和辐射热的长期耦合作用下,不断衰解生成高碱性物质,进而影响高压实膨润土的膨胀变形特性,危及处置库运行安全。针对中国北山处置场地下水特征对缓冲/回填材料高压实高庙子(GMZ)膨润土变形特性的影响,分别配制北山地下水(BSW)、早期混凝土衰解液(YCW)和后期混凝土衰解液(ECW),开展了盐碱演化环境下高压实GMZ膨润土的一维膨胀变形试验,获取了初试干密度(1.50,1.60,1.70,1.80 g/cm^(3))和上覆荷载(0.1,0.2,0.4 MPa)对膨润土变形的影响规律。结果表明:随着BSW、YCW和ECW 3种溶液相继入渗,高压实膨润土的稳定膨胀变形率不断增加,但增加值逐渐减小;当YCW和ECW入渗时,稳定膨胀变形率的增加值随干密度增加而减小,随荷载增大而减小。基于压汞试验结果,阐明了盐碱演化环境下高压实膨润土持续膨胀的微观机理。研究成果可为中国处置库缓冲/回填材料的选择和工程屏障设计提供依据。

基于主成分分析法的安康地区膨胀土膨胀变形影响指标分析

为探究膨胀土物理力学性质指标对其膨胀变形影响。结合陕西安康地区某膨胀土工程实例,基于大量野外岩土勘察和室内测试数据资料,采用主成分分析法研究了膨胀土的膨胀变形与其物理力学性质指标间相关性及不同指标重要程度,建立了以主要物理力学指标为参数的膨胀土膨胀变形判别公式。影响膨胀土膨胀变形的物理力学指标可划分为反映外界环境的指标(含水率、饱和度、液性指数及含水比)、反映土体构造特征的指标(密度、干密度及孔隙比)、反映土体结构强度特征的指标(压缩系数和内摩擦角)及反映土体组成特征的指标(塑性指数和黏聚力);含水率是影响膨胀土膨胀变形的关键指标,所建立判别公式可为类似地区膨胀土膨胀变形的判别提供参考。

西南红层泥岩填料膨胀变形宏-微观响应机制

为探究红层泥岩填料的宏观膨胀与微观特征的响应关系,通过有荷、无荷膨胀性试验分析了不同膨胀性泥岩填料的膨胀时程曲线;采用X射线衍射(XRD)和扫描电镜试验(SEM)研究了泥岩填料的矿物组分和微观结构,从而建立以微观特征参数为中间变量的宏观变形与微观结构定量关系。结果表明:在无荷条件下,泥岩填料膨胀率为泥岩的28.3倍,且膨胀率随蒙脱石掺量呈指数增长;与无荷膨胀率相比,有荷膨胀率显著降低,蒙脱石掺量越高,膨胀率降低速率越慢。试验后黏土矿物含量增加了4.57%,随蒙脱石掺量增加,结晶度和平均晶粒尺寸分别降低18.1%和16.5 nm,几何特征参数与蒙脱石掺量呈线性关系,蒙脱石含量越高,孔径为1~2μm的孔隙数量越多,且膨胀率与微观特征参数之间呈显著指数增长关系。

多级荷载下弱膨胀土的膨胀变形特性试验研究

为研究压实弱膨胀土的膨胀变形特性,对取自高淳某边坡的弱膨胀土进行固结及浸水膨胀变形试验,研究了在300,200,150,100,75,50,25和12.5 kPa共8种上覆压力下不同初始干密度及初始含水率土体的固结及膨胀变形特征。试验结果表明:初始含水率及初始干密度对弱膨胀土的膨胀变形特性均存在一定的影响,在其余条件相同的情况下,膨胀土的膨胀变形量随着初始干密度的增大而增大,随着初始含水率的增大而减小。分析了膨胀土固结及膨胀变形过程的典型曲线特点,研究了不同初始干密度及初始含水率下土体固结与膨胀曲线膨胀区与压缩区分界点特征,得出在初始含水率相同时,分界点的上覆压力与分界点孔隙比及土体的初始干密度均呈正比关系。通过对土体试验数据的分析拟合,结合土体变形过程中的孔隙比与初始状态关系的推导,提出了弱膨胀土的膨胀变形量计算方法,结合工程包边法路堤填筑的荷载分布,采用分层总和法推导了工程包边法膨胀土路堤填筑的膨胀变形量计算方法,并用于路堤膨胀量的预估中。

南京红山窑第三系红砂岩膨胀变形性质试验研究

针对原状红砂岩具有自由膨胀率为 3.5 %、而膨胀力高达 270 kPa、干燥岩样峰值强度为 5.85 MPa、饱和岩样抗压强度仅为 0.20 MPa 等这些特殊性质的膨胀岩,采用 MTS815.02 型岩石力学刚性伺服试验机与自行研制的岩石膨胀测量仪,进行了不同含水率红砂岩膨胀变形性质试验。结果表明:(1) 在低荷载状态下,红砂岩膨胀应变随着含水率增加而呈对数形增长;(2) 在高荷载作用下,红砂岩膨胀应变与吸水率之间存在着线性关系;(3) 红砂岩吸水膨胀应变在较短的时间内基本完成,随着时间的延长,膨胀变形将趋于稳定。在此基础上,提出了确定膨胀稳定时间的理想概化数学模型。研究成果对南京红山窑水利工程膨胀岩地基处理方案设计、施工具有重要的指导意义。

基于多场耦合数值分析的膨胀土边坡浅层膨胀变形破坏机制研究

膨胀土地区大量工程实践表明,发生在膨胀土边坡浅表层一定深度范围内的牵引式滑坡现象非常普遍,对于该种渐进性边坡破坏模式,传统极限平衡分析无法反映其失稳状态和破坏机制。借鉴温度场中温度膨胀系数的定义和数值处理方法,以室内无荷/有荷膨胀率试验成果为依据,对膨胀土的湿度膨胀系数进行了反演拟合,得到低荷载条件下含水率-膨胀系数近似符合线性关系。基于降雨作用下膨胀土边坡破坏的大型静力物理模型试验成果,采用FLAC非饱和二相流模型模拟降雨引起的边坡湿度场分布变化状态,引入含水率-膨胀系数的线性关系,提出一种适用于膨胀土边坡的湿度场-膨胀变形场-应力场的多场耦合数值分析方法,并藉此对物理模型试验进行仿真。结合模型试验和多场耦合数值分析,阐述膨胀土边坡浅层渐进性破坏机制的本质是水力边界条件变化引起的膨胀土膨胀变形作用。

不同煤阶煤体吸附储存CO_2膨胀变形特性试验研究

利用自主研发的气体等温吸附装置并辅以TST3827动静态应变测试系统,针对4种不同煤阶的煤样试件,在恒定温度(50℃)不同吸附压力条件下,研究了不同煤阶煤样CO_2吸附特性及煤样的吸附变形规律。结果表明:煤体CO_2吸附量与煤阶密切相关,在相同的吸附压力条件下,CO_2吸附量随着煤阶的增大而增大;不同煤阶煤样的等温吸附曲线类似,煤样的CO_2过剩吸附量随吸附压力变化曲线呈现出先升高后降低的特点,在8 MPa左右达到最大值;不同煤阶煤体吸附CO_2后引起的变形也具有类似的变化趋势,即随着CO_2压力的增大,体积应变先增大后趋于稳定,体积应变可以用引入CO_2密度的DR模型进行描述,且随着煤阶的增大,体积应变逐渐减小;由于煤体层理结构特征,煤体在垂直于层理方向的应变约为平行于层理方向应变的1.8~2.3倍;煤体体积应变与绝对吸附量在气态CO_2中呈线性增长关系,当CO_2达到超临界状态以后随着绝对吸附量增加体积应变趋于稳定,且煤体吸附相同量CO_2产生的体积应变随煤阶的增大而减小。

爆轰波对碰驱动下金属圆管膨胀变形特性研究

采用高速分幅摄影和激光速度干涉仪(velocityinterferometersystemforanyreflector,VISAR)联合测试技术,对HR-2钢管在爆轰波对碰驱动下的膨胀变形特性进行了研究。实验得到了圆管膨胀变形的过程图像以及圆管特定部位径向膨胀的位移-时间曲线和速度-时间曲线。采用LSDYNA-3D程序对HR-2钢管的膨胀变形过程进行了数值模拟,计算结果与实验结果吻合较好。

煤岩体吸附膨胀变形与吸附热力学的参数关系

采用吸附容量法测试了不同煤样对CO2,CH4,N2的吸附性能参数,基于所提出的孔隙介质截面吸附润湿长度概念和孔隙结构模型、表面物理化学及弹性力学原理,导出了吸附膨胀应力和应变理论计算公式,并讨论了吸附常数、温度、气体压力、煤岩体比表面积、气体分子吸附截面积等参数对它们的影响·这些公式比现有的公式应用范围广,能方便计算不同约束条件下的吸附膨胀应变和应力·研究还表明煤岩体比表面积和气体吸附分子截面积越大,气体吸附量、煤岩体的吸附膨胀应力及应变越大·

膨胀变形对膨胀土边坡稳定性的影响

当采用合理的强度参数时,根据常规极限平衡或极限分析方法的计算结果,很难解释一些膨胀土边坡会在极缓的坡度下发生失稳破坏的原因。事实上,由于膨胀土遇水后会发生显著的变形,在饱和区与非饱和区交界面附近会出现很大的剪应力。因此,在膨胀土边坡的稳定分析中,需要考虑这种因素的影响。根据塑性力学的上限定理,严格地导出了考虑膨胀应力作功的功能平衡方程。根据强度储备定义的安全系数即隐含在这一方程中,它可以通过迭代方法求解。边坡稳定的上限分析在数值上是利用了单元集成法来完成的。这不仅能方便地利用应力分析的成果,而且能进行滑裂面的优化,从而找到最小的安全系数。对一个坡度为1:4的膨胀土边坡的稳定计算结果表明,膨胀变形会使边坡的安全系数显著减小。当考虑膨胀时,优化得到的破坏模式是在浅层出现一个局部的滑动,它会牵动其上部的土体也相继出现局部滑动,这正好符合膨胀土滑坡时所常见的牵引性的特征。

膨胀土地基浸水膨胀变形模型试验研究

通过10 m×2.5 m×4.1 m(长宽高)的大型模型试验,研究了深层浸水条件下膨胀土地基膨胀变形和含水率变化规律,进行了含水率、表面隆起、深层隆起等测试。试验结果表明,土体干密度和上覆荷载对膨胀变形和含水率变化影响较大,土体含水率的变化可分为起始、突变、稳定3个阶段;上覆荷载越大,土体表面隆起越小,表明上覆荷载能有效抑制膨胀土膨胀变形;膨胀土地基可划分为压密区、中性区和膨胀区3个变形特征区,或3个区的组合,变形区的高度不仅与外加压力值有关,且与基础大小和形状有关。研究结果对膨胀土路基的设计和施工具有重要的理论和工程实际意义。

盐溶液中膨润土膨胀变形的分形模型

当压实膨润土在蒸馏水中膨胀后,施加于膨润土颗粒上的有效应力通常被认为是外部施加的荷载,而当膨润土在盐溶液中膨胀时,膨润土颗粒所承受的有效应力还包括由孔隙水渗透吸力所引起的渗透应力。而压缩膨润土的蒙脱石孔隙比e_m与膨润土颗粒承受的有效应力p之间满足分形关系,该关系可用来计算膨润土的膨胀变形。通过对压实膨润土在盐溶液中颗粒的分散情况以及颗粒表面的分形特性,推导出该渗透应力的表达式,进而得出膨润土颗粒所承受的有效应力。将所提出的有效应力代入分形模型中,计算GMZ01和MX-80膨润土在不同浓度NaCl溶液中的膨胀变形,将现有的两种膨润土膨胀试验结果与模型计算结果对比,发现具有较好的吻合度,在蒸馏水以及各浓度的盐溶液中膨润土的膨胀变形都可采用统一的e_m-p曲线表示,表明提出的有效应力符合膨润土颗粒在盐溶液中的实际受力情况。分形模型为研究膨润土在盐溶液中的膨胀性质提供了有效的计算方法。

南宁膨胀土膨胀变形规律的试验与应用研究

通过不同初始干密度、初始含水率在不同垂直压力下的膨胀变形试验,研究南宁膨胀土的膨胀量与初始干密度、初始含水率以及垂直压力的相关关系。研究结果表明,膨胀量随初始干密度的增大而增加,随初始含水率和垂直压力的增加而减小;通过回归分析发现,膨胀率与初始干密度和初始含水率成线性关系,而与垂直压力成半对数线性关系。在此基础上,建立了南宁膨胀土膨胀率的三元回归方程,并通过某大型模型试验验证了该方程的正确性与实用性。本文所建立膨胀率三元回归方程为简便而准确地预测和估算膨胀土地基的膨胀潜势和差异隆起提供了依据。

煤吸附膨胀变形与孔隙率、渗透率关系的分析

在考虑煤骨架吸附变形特性的情况下,得出了孔隙率、渗透率和膨胀变形之间的关系式。分析可知,煤层中瓦斯压力越大,产生的膨胀变形越大,孔隙度越小,煤层的渗透性越差,瓦斯流动越困难。

压实膨润土膨胀变形的分形计算方法

分形计算方法能较准确地计算膨润土的膨胀变形,但系数K没有确切的计算方法,限制了该方法的广泛应用。基于双电层(DDL)理论和分形方法在双电层膨胀下都适用的理论事实,提出在双电层膨胀条件下采用DDL理论推导出分形方法中系数K的方法,并计算出商用膨润土的K值为9.15。对商用膨润土进行了N2吸附试验,利用等温吸附数据计算出该膨润土的表面分维为2.65,然后根据得出的系数K和表面分维采用分形方法计算了膨润土的最大膨胀率并与膨胀试验结果作对比。结果表明,分形方法的理论计算和试验结果基本一致,尤其是在施加压力较大而膨胀变形较小的情况下,分形计算方法计算结果比起双电层理论更符合试验数据。

应力约束下储存CO_2煤层膨胀变形特性试验研究

利用自主研发的MCQ-Ⅱ型煤层瓦斯驱替试验装置,对原煤大尺寸(100 mm×100 mm×200 mm)试件,进行了恒定温压(25℃,31 MPa)条件下CO_2在贫煤、贫瘦煤和弱黏煤3种煤阶煤中的注入储存试验,对CO_2注入储存过程中煤体膨胀变形特性进行了测量分析;并对小尺寸(6 mm×6 mm×6 mm)原煤试件通过CT扫描,研究了3种煤样的微观结构特征。主要结果为:对最小观测尺度为4.5μm的CT重建图像,通过统计分析,发现贫煤孔隙率(4.67%)小于贫瘦煤孔隙率(5.39%)小于弱黏煤孔隙率(12.10%);在31 MPa体积应力约束条件下,持续12 h的CO_2注入过程中,煤体膨胀变形受孔隙压力与CO_2吸附变形的共同作用,且体积膨胀百分比与CO_2注入储存量呈线性关系;在注入储存相同量气态CO_2条件下,贫煤体积膨胀应变大于弱黏煤大于贫瘦煤;由于煤体层理性结构特征,弹性模量在垂直与平行层理2个方向上的差异性,煤体在垂直层理方向膨胀应变大于平行层理方向应变,且2个方向膨胀应变均与CO_2储存量呈线性关系。

宁夏膨胀土的膨胀变形规律

宁夏膨胀土的膨胀变形规律徐永福史春乐（河海大学岩土工程研究所，南京，２１００２４）（无锡市勘察设计院，２１４０２６）１前言引起膨胀土地基破坏的原因很多，其中之一是地基的膨胀量过多或不均匀膨胀量过多所造成的。因此，对于膨胀土地基，研究在不同压力作用下...

膨润土膨胀变形的分形模型

Xu等[1]提出基于膨润土表面分形模型的膨胀变形计算方法 Vw/Vm=k PDs-3(式1),并得到了Tsukinuno膨润土、Wyoming膨润土和MX-80膨润土的膨胀变形和膨胀压力(统称膨胀变形)的膨胀试验数据的验证。当时由于条件限制,存在两个问题:(1)膨润土的表面分维一般采用氮吸附法测量,由膨胀变形试验数据反算得到的膨润土表面分维没有得到氮吸附试验数据的验证;(2)在归一化吸水体积与压力的分形模型(式1)中,K是膨润土的物性常数,没有给出理论表达式,只是经验系数。本文采用氮吸附方法测量了高庙子Na基膨润土、高庙子Ca基膨润土、商用膨润土和Tsukinuno膨润土的表面分维,根据式(1)由表面分维计算膨胀变形,并与膨胀试验数据比较,验证膨胀变形的分形模型;根据双电层理论,导出用双电层参数表示式(1)中K值的理论表达式,用于膨胀变形的计算,并与膨胀变形试验结果进行比较验证。

长龄期MgO混凝土自生体积变形与水泥基材料压蒸膨胀变形的关联性

针对水利水电工程挡水坝常用的三级配粉煤灰混凝土,采用压蒸试验、自生体积变形观测、压汞分析、电镜扫描、X射线能谱等方法,对水泥砂浆、一级配混凝土的压蒸膨胀变形与龄期长达6 a的三级配外掺MgO混凝土自生体积变形的关联性进行了研究。结果表明:外掺MgO混凝土的自生体积膨胀变形与水泥砂浆、一级配混凝土的压蒸膨胀变形没有关联性。现行以水泥砂浆试件或一级配混凝土试件的压蒸膨胀变形曲线拐点或压蒸膨胀率为0.5%确定的坝体混凝土的MgO极限掺量,虽能够保障混凝土大坝安全运行,但未能反映外掺MgO混凝土膨胀变形的实际情况。

约束层对金属柱壳膨胀变形影响的数值模拟

对金属铝和硬质聚氨酯泡沫组合的约束层对45钢柱壳膨胀断裂性能的影响进行了数值模拟,得到三种约束条件下45钢柱壳在膨胀过程中表面的速度和位移历史剖面,对比分析了在约束层作用下45钢柱壳膨胀变形动态行为。利用高速分幅相机及中能X光机获得了多个时刻45钢柱壳的动态图像和柱壳膨胀后的工程应变,实验结果与数值模拟结果吻合。结果可对爆轰加载下约束层对45钢柱壳膨胀变形的物理规律进行定量认识。