适量砒砂岩改良风沙土的吸水和保水特性

该文研究了不同砒砂岩改良风沙土模式下的土壤入渗特征、饱和导水率和水分特征曲线,分析了不同模型对砒砂岩改良风沙土水分特征曲线的适用性和不同改良模式的土壤水力学特征,以期为评价砒砂岩改良风沙土水力学特性以及筛选合理改良模式提供科学依据。结果表明:砒砂岩可以有效降低风沙土的入渗率和饱和导水率,增加风沙土的饱和含水量和滞留含水量,增强风沙土的持水能力。VGM(m,n)模型可以拟合砒砂岩改良风沙土土壤水分特征曲线。同一改良模式下,土壤的入渗率、饱和导水率和饱和含水量随容重增大呈减小趋势;容积含水量在低吸力段随容重增大逐渐减小,在中高吸力段逐渐增大。砒砂岩和风沙土以25∶75比例混合的复配模式,可以有效改良风沙土的吸水和保水特性,可在实践中推广。

砒砂岩改良风沙土对铵态氮吸附特性影响研究

由于砒砂岩的广泛分布和煤炭资料的开发利用,晋陕蒙接壤区出现了一系列生态环境问题。为恢复区域生态,尝试利用区域内的砒砂岩来改良风沙土,以实现砒砂岩的资源化利用和受损生态系统的修复,本研究设计了风沙土中砒砂岩不同添加比例(0、10%、25%、50%、75%、90%、100%)的改良模式。研究了25℃下不同改良模式对NH+4-N吸附动力学和等温吸附特征的影响,评价了不同模型对改良土壤的适应性,以期为建立合理的氮肥施用指标和提高肥料利用率提供依据。结果表明:相同条件下,砒砂岩对NH+4-N的吸附量大于风沙土;随着砒砂岩添加比例的增加,改良土壤对NH+4-N的吸附量呈线性增加关系。砒砂岩的添加可以显著增加风沙土对NH+4-N的吸附,增加土壤供氮的持续性,提高肥料的有效性。准二级动力学模型可用于拟合改良土壤对NH+4-N的吸附动力学曲线。NH+4-N的等温吸附曲线以Freundlich模型拟合效果更优。各处理对NH+4-N的吸附均为自发过程,且为有利吸附,吸附速率由膜扩散和颗粒内扩散共同控制。

砒砂岩改良风沙土对磷的吸附特性影响研究

【目的】适量砒砂岩能有效改良风沙土的吸水和保水特性,但对于砒砂岩改良风沙土的养分有效性尚不清楚。本文研究了不同用量的砒砂岩改良风沙土对磷吸附特性的影响,以期为评价改良土壤对磷的吸附特性,揭示改良土壤对磷的吸附机理和指导磷肥合理施用提供依据。【方法】本试验设计了砒砂岩和风沙土0∶100(L)、10∶90(LS1)、25∶75(LS2)、50∶50(LS3)、75∶25(LS4)、90∶10(LS5)和100∶0(S)(烘干质量比)7个不同比例的改良模式。研究了在25℃下砒砂岩不同添加量改良风沙土的磷吸附动力学和等温吸附特征,并应用吸附动力学模型和等温吸附模型进行参数拟合,以揭示改良土壤对磷的吸附机理,同时分析了砒砂岩添加比例与改良土壤中磷的最大吸附量的关系。【结果】1)同一初始浓度下,随着吸附时间的延长,改良土壤对磷的吸附量呈增大趋势,24 h后逐渐达到平衡。2)吸附时间一定的情况下,随着磷初始浓度的增大,改良土壤对磷的吸附量逐渐增大,直到接近或达到吸附最大值。3)风沙土对磷的吸附量大于砒砂岩的吸附量,改良土壤中随着砒砂岩添加比例的增加,土壤对磷的吸附量呈减小趋势。4)风沙土、砒砂岩和改良土壤对磷的吸附动力学曲线符合准二级动力学模型。等温吸附曲线以Langmuir模型的拟合效果最优。5)风沙土、砒砂岩和改良土壤对磷的吸附属于均质的单层吸附,由膜扩散和颗粒内扩散共同控制吸附反应速率,吸附机理主要是化学吸附和离子交换。6)改良土壤对磷的最大吸附量随砒砂岩添加比例的增加呈线性减小关系。在生产实践中,可通过测定砒砂岩和风沙土对磷的最大吸附量及风沙土中砒砂岩的添加比例来对改良土壤中磷的最大吸附量进行预测。【结论】砒砂岩可显著减小风沙土对磷的吸附固定,增加施入磷肥的有效性。所以当改良土壤恢复植被以后,磷肥施用初期,砒砂岩添加比例较大的改良土壤中,磷素的肥效较好。但随着植物的生长利用,各改良土壤中吸附磷素的释放效果以及磷肥肥效的持续性有待进一步研究。

滚石冲击棚洞砂土垫层耗能缓冲机理研究

以实际棚洞结构为原型,采用动力有限元对滚石冲击砂土垫层进行数值仿真计算,分析不同冲击能量下多组砂土垫层厚度组合的动力响应及耗能缓冲机理。结果表明:低冲击能量下,改变砂土垫层厚度对滚石冲击力的影响不大,而高冲击能量下,不同厚度砂土垫层的吸能减震效果有显著差异;增大砂土垫层厚度可有效地减弱滚石冲击对棚洞钢筋混凝土顶板造成的变形影响,但同时也会增加结构自重;通过计算,可以得到最优化的垫层厚度,兼顾经济合理性和结构可靠性。研究成果将为滚石多发区棚洞结构砂土垫层的设计提供理论依据。

砂土介质注浆渗透扩散试验与加固机制研究

设计了一套可视化砂土介质恒压注浆渗透扩散与加固模拟试验装置。选用普通硅酸盐42.5水泥(OPC)、超细硅酸盐水泥(MC)、超细硫铝水泥(MSAC)及自主研发材料(EMCG),对砂土多孔介质进行了注浆渗透扩散与加固试验。研究了细砂土体不同浆液、注浆压力工况下扩散距离、注浆量随时间变化规律,以及不同浆液、砂样级配及注浆压力对加固效果影响。采用极差分析法确定了加固效果主控因素,获得了加固体宏观破坏模式,通过SEM分析了岩-浆界面微观加固模型,揭示了不同材料加固效果差异的本质原因。研究结果表明:注浆材料与颗粒质量分数主导着细砂土体可注性,注浆压力对可注性提高程度不大,EMCG可注性最强,MC、MSAC次之,OPC最差;在完全可注情况下,砂样级配越细,加固体强度改善效果越明显;EMCG材料加固体7、28 d强度明显高于MSAC、MC、OPC加固体;EMCG的7 d加固体强度达到28 d参数70%以上;注浆材料主导着注浆加固效果,EMCG对不同级配砂土体注浆加固效果显著优于其他水泥类材料,OPC最差;注浆后EMCG浆-岩界面生成的致密C-S-H凝胶体能够有效提高胶结强度。最后从注浆材料选型、注浆过程控制、钻孔布置方面对砂土层渗透注浆设计方法提出了工程治理改进建议。

基于等效骨架孔隙比指标的饱和砂类土抗液化强度评价

为探讨各类饱和砂类土的物理特性对其抗液化强度CRR的影响,将具有不同细粒含量FC的福建、南京和南通砂类土分为3组：（1）相同的相对密度Dr;（2）相同的孔隙比e;（3）相同的骨架孔隙比esk。对具有不同物理特性的三类饱和砂类土进行了一系列均等固结不排水循环三轴试验,结果表明：e或Dr相同的饱和砂类土的CRR随FC的增加而降低;但esk相同的砂类土的CRR随FC的增加而增大。结合文献中十类砂类土的CRR试验数据,分析表明：各类饱和砂类土的CRR随其等效骨架孔隙比＊ske的增大而单调地降低,且两者呈现较好的幂函数关系。这表明能综合反映砂类土颗粒组成,密实状态和粗细粒接触状态的＊ske是表征饱和砂类土CRR的一个有效物理特性指标;并首次发现饱和砂类土的CRR–＊ske关系曲线的最佳拟合参数A和B值由砂粒和细粒的物理特性共同决定。据此,饱和砂类土的CRR可仅由其物理特性指标较好地预测。

砂类土体隧道围岩压缩模量的试验研究

砂类土的压缩模量与砂类土体隧道围岩稳定性有较大的关系。从影响砂类土体隧道围岩稳定性因素及围岩稳定性分级的角度出发,探讨了与砂类土体隧道围岩稳定性相关的压缩模量的影响因素,发现砂类土的细粒(d<0.074 mm)含量对其压缩模量有较显著的影响,二者呈负相关;砂类土的相对密实度并非完全是越大而压缩模量也越大,还与细粒含量及细粒含水状态有关;采用砂类土细粒含水率而不是砂类土含水率的方法来评定潮湿砂类土的压缩模量,得出了细粒含水率对砂类土压缩模量的影响规律。根据细粒含量和相对密实度对压缩模量的影响规律,提出了两指标的分级界限。

土石混合体重塑样制备及其压密特征与力学特性分析

基于土力学与岩石力学的实验室力学试验原理与方法,本文首先探索了土石混合体重塑样的制备、压密特性等问题,初步给出土石混合体重塑样制备的一个标准流程,并揭示了土石混合体的压密特性与机制,即土石混合体压密主要是土体的压密,但块石直接影响其压密效果,并指出本次试验土石混合体50锤次可达到的最佳压密效果,而压密机制随含石量增加而有所变化。运用高精度岩石试验机,首次进行了土石混合体的单轴压缩试验。试验表明,在无侧限条件下块石与土体无胶结,导致了试样实际承载面积减小,使其抗压强度与弹模反而低于土体;而土石混合体中块石形成骨架结构的力学响应是土石混合体的一个重要的力学特性。

砂土质隧道围岩内摩擦系数的试验研究

砂土的内摩擦系数tanφ与砂土质围岩稳定性有直接的关系。从影响砂土质围岩坑道稳定性因素及围岩稳定性分级的角度出发,探讨了与砂土质隧道围岩稳定性相关的内摩擦系数tanφ的影响因素,发现砂土的细粒(d<0.075mm)含量对其有较显著的影响,二者呈负相关;砂土相对密实度rD并非完全是越大而内摩擦系数tanφ也越大,还与细粒含量及软硬状态有关;采用细粒含水率而不是砂土含水率的方法来评定潮湿砂土的tanφ的影响是较为合理的方法,并总结了细粒含水率对tanφ的影响规律。

细粒含量对饱和砂类土液化强度的影响

为研究细粒含量FC对不同密实状态饱和砂类土液化强度CRR的影响,将不同FC的砂类土试样分为3组:(1)相同的相对密实度Dr=50%;(2)相同的孔隙比e=0.90;(3)相同的骨架孔隙比e_(sk)=1.20,对不同FC和密实状态(Dr、e和e_(sk))的砂类土进行了一系列不排水循环三轴试验。试验结果显示:e或Dr相同的砂类土CRR随着FC的增加逐渐降低;具有相同e_(sk)砂类土的CRR随FC的增加迅速增大,砂类土的CRR与D_r、e或e_(sk)都没有较好的相关性。分析表明:不同FC和密实状态砂类土的CRR随等效骨架孔隙比e_(sk)~*的增大而降低,两者呈现较好的负幂函数关系,这表明考虑细粒影响程度的e_(sk)~*是合理表征不同种类砂类土CRR的一个物理状态指标。通过对比已有的砂类土的试验结果发现:砂类土中的砂粒是影响CRR的重要因素,且随着砂粒的形状从圆状向角状变化,砂类土的总体CRR逐渐增大。

基于二元介质模型的砂类土小应变剪切模量评价方法

为探讨初始有效围压σ’c0、孔隙比e及细粒含量FC对饱和砂类土小应变剪切模量Gmax的影响,对具有不同物理特性的3类饱和砂类土进行了一系列均等固结弯曲元试验,结果表明:表征σ’c0。对Gmax影响程度的应力指数n为与土类相关的常数,且n与砂类土复合级配特性参数CusCuf有较好的指数相关性(Cus、Cuf分别为纯砂粒、纯细粒的不均匀系数)。Hardin模型拟合参数A随FC的增大而减小,且两者呈现指数相关性:但拟合参数d与FC没有明显的单一相关性。结合文献中3类砂类土的Gmax试验数据分析表明:各砂类土的应力修正小应变剪切模量Gmax/(σ’c0/Pa)n(Pa为标准大气压)随其等效骨架孔隙比esk*的增大而单调地降低,且两者呈现较好的幂函数关系,基于二元介质模型建立的广义Hardin模型可以合理评价具有不同σ’c0、FC以及e的各类砂类土的Gmax。

滚石冲击棚洞砂土垫层物理模型试验及数值模拟研究

滚石冲击棚洞垫层的动力响应分析多采用数值模拟手段,缺乏物理模型试验验证。为此,以山区棚洞结构为原型,搭建滚石冲击棚洞结构试验平台,开展不同坠落高度下不同垫层厚度及密度的冲击试验,并建立对应的数值模型。进一步通过与试验结果比对,验证数值模型的可靠性,在此基础上开展滚石冲击棚洞垫层动力响应数值计算分析,结果表明:松散砂土垫层比密实砂土垫层具有更好的耗能效果;增大垫层厚度能够延长冲击持续时间,有效降低滚石冲击力,但随着厚度不断增加,其缓冲能力的提升程度减缓;通过对Hertz接触理论、日本公式、动力有限元三种方法比较,发现前两种方法的计算结果明显偏大,偏于保守。研究成果可为棚洞结构砂土垫层的设计提供理论与技术支持。

砒砂岩与沙复配成土技术简介及研究进展

砒砂岩与沙复配成土技术已经被大规模推广应用于毛乌素沙地土地综合整治。主要介绍该技术的提出背景、简要技术内容以及目前的研究进展。

基于骨架孔隙比的土石混合料强度变形特性

土石混合体是由具有一定尺寸石块、作为充填成分的土体及孔隙等组成的混合体,其强度变形特性与细粒(土粒)含量密切相关。为研究不同细粒含量土石混合料强度变形特性,建议采用以承担骨架作用的颗粒的孔隙比(骨架孔隙比)反映土石混合料内部真实密实情况。开展了系列压实试验,建立了考虑土石级配的土石混合料堆积模型,进而推导了土石混合料骨架孔隙比表达式,并通过室内三轴排水剪切试验,验证了骨架孔隙比用以预测土石混合料强度变形特性的有效性。结果表明:相较于常规定义的整体孔隙比,骨架孔隙比能更好地表示土石混合料内部颗粒接触状态,反映材料内部“真密实”情况;利用骨架孔隙比概念,可以仅由纯石/土料强度变形特性预测不同细粒含量的土石混合料强度变形特性。

皇甫川土壤物理性质对水土流失影响的研究

皇甫川流域气候干旱、雨量稀少,植被遭受严重破坏,沙化面积逐年扩大,农林牧不能利用的土地面积大,粗骨性土壤,如披砂石土及风沙土等分布面积达60%以上;土壤物理性质不良,质地粗,含沙量高达70%左右,总孔隙度少、自然含水量低、平均为5%～10%。披砂石土渗透性差,遇暴雨易发生径流,导致河水瀑涨流急,携带大量粗泥沙流入黄河。因而该区水土流失严重,是多沙粗沙主要产区。为此,加强生物措施,种树种草,是皇甫川流域水土保持综合治理的根本措施。

陕北沙区煤矸石山适宜的覆沙厚度试验研究

[目的]解决陕北沙区煤矸石废弃地占地面积大,植被恢复困难和治理造价高的问题。[方法]利用野外试验,设计半隐蔽沙蒿沙障(2m×2m)下的3种覆沙厚度(30,50和70cm)共3种类型的处理。4种乡土灌木树种沙地柏(Sabina chinensis)、长柄扁桃(Amygdalus pedunculata)、紫穗槐(Amorpha fruticosa)和蒙古莸(Caryopteris mongholica)进行对比试验。[结果]成活率、保存率、新稍生长量和地径变化随着覆沙厚度的增加,其指标均有所提高;多因素方差分析表明种间存在极显著差异,在0.05的显著水平下,紫穗槐与其它植物种均存在显著差异,蒙古莸与沙地柏间存在显著差异;在0.01显著水平下,蒙古莸、长柄扁桃和沙地柏间差异性不显著;覆沙30cm与覆沙50cm,覆沙70cm间均存在显著差异,覆沙50cm和覆沙70cm间差异性均达不到显著水平。[结论]综合因素条件下,覆沙50cm是该区域煤矸石山土地复垦及生态恢复植被需要基质的最佳选择。

细粒含量对饱和砂类土小应变剪切模量的影响

为探究细粒含量FC、孔隙比e以及初始有效围压σ’3c对饱和砂类土小应变剪切模量Gmax的影响,对具有不同FC、e和σ’3c的饱和砂类土开展了一系列弯曲元试验。试验发现:当σ’3c和FC均相同时,Gmax随e的增大而减小;当e和FC均相同时,Gmax随σ’3c的增大而增大,当仅FC相同时,随σ’3c的增大,Gmax随e增大而减小的速率基本保持不变,而当仅σ’3c相同时,FC对Gmax随e增大而减小的速率影响显著。分析表明:当FC确定时,Hardin模型能很好的预测Gmax,但随FC的增大,模型参数A逐渐减小;基于等效骨架孔隙比的修正Hardin模型能较好预测具有不同FC、e或σ’3c的砂类土的Gmax,且Gmax预测值的误差基本小于10%。

用SBQ值作为砂类土质隧道围岩分级基准的构想

砂类土的抗剪强度和重度与砂类土体隧道围岩稳定性有较大的关系。从影响砂类土体隧道围岩稳定性因素及围岩分级的角度出发,探讨了利用综合性指标SBQ值作为基准指标来评定砂类土体隧道围岩稳定性方法的可行性。分析表明,SBQ值可以作为其他物理力学指标的代表值,可以综合评定砂类土隧道围岩的稳定性,并给出了用SBQ值描述各物理力学指标的定量表达式。

有关砂土地基承载力数值解析问题的讨论

以砂土地基的极限承载力为对象,讨论了古典理论解与室内模型实验值之间的差异,并结合试验中所观察到的现象对其原因进行了简要的分析,最后,利用有限元解析对各种极限承载力的计算方法进行了客观地评价。砂土材料强度具有明显的各向异性以及软化特性,并与周围压力大小以及密度相关。另外,砂土地基的破坏呈渐进性,砂土的粒径大小影响它的承载力以及变形破坏。结果表明,只有考虑砂土以上的各种特性的数值解析方法才能合理地得到砂土地基的极限承载力。

我国北方农牧交错区区位功能及其水土保持案例分析

以我国水土流失重点区域北方农牧交错区为研究对象,分析其特点、功能,并选取该区域内3个水土流失治理典范砒砂岩丘陵沟整区、毛乌素沙地和武川县为例,分析了北方农牧交错区的水土保持措施。