天然沸石吸附氨氮的影响因素分析和数值模拟

为了考察天然沸石对氨氮污染物的吸附机制和去除效率,开展了一系列干扰因素下的批量吸附实验,考虑了氨氮浓度、吸附时间、pH值以及环境中可能存在的铁离子及腐植酸的影响。实验得到的氨氮吸附容量和去除效率结果表明,中性环境中沸石对氨氮的去除效果最好,铁离子及腐植酸与氨氮竞争吸附沸石位点,抑制沸石对氨氮的吸附。同时,通过土柱实验研究了氨氮在沸石柱中的运移,并引入基于截断单边稳定分布概率密度的输运模型(TOSD)来描述该过程,通过模拟参数表征了氨氮在沸石柱中的运移特性。结果表明,吸附作用和速率受限的质量交换对沸石中氨氮的运移发挥了主导作用。

铬污染土壤动态浸出特征及对地下水影响的模拟

以原长沙铬盐厂污染土壤为研究对象,利用动态淋溶试验,研究不同淋溶模式下土壤六价铬[Cr(Ⅵ)]淋出特征及其对地下水的影响。结果显示,淋溶流速会影响土柱中Cr(Ⅵ)达到解吸稳定所需要的时间,即在连续淋溶模式的高、中、低3种流速条件下,达到平衡的时间分别为1、4、15 d,而间歇淋溶模式的Cr(Ⅵ)浸出效率略低于连续淋溶模式,这主要是受到土壤中孔隙水更新效率的控制。利用COMSOL Multiphysics?5.6构建试验中Cr(Ⅵ)迁移的模型,计算连续、间歇2种淋溶模式下6种不同情景中Cr(Ⅵ)的质量浓度变化及累积浸出质量,结合模型计算与柱实验结果分析发现,当土壤中Cr(Ⅵ)质量分数达到二类用地筛选值(5.7 mg/kg)后,淋出液中Cr(Ⅵ)质量浓度仍为地下水Ⅴ类水标准(0.1 mg/L),此时淋出液中Cr(Ⅵ)质量浓度仍对地下水环境造成威胁;同一时间段内,间歇淋溶柱高流速情景下有最小淋出率(33.67%),连续淋溶柱高流速情景有最大浸出率(83.99%)。研究表明,在场地地下水污染治理过程中,需要考虑土壤修复标准对地下水的影响,即水土共治。研究成果可为重金属污染场地修复工程提供参考。

基于紧密排列土柱模型的冻土热参数计算

为评估热参数对饱和冻土瞬态温度场的影响,分析冻土温度场的影响因素,提出一种最紧密排列的土柱几何模型,土柱外部被自由水充满.假定冻结在土柱围合区域的中心产生并呈柱状发展,根据任意时刻单元体内部土、水和冰的体积构成,依据Johansen的预估土体导热系数计算方法,建立未冻水含量与导热系数之间的计算关系.依据比热加权计算的原理,结合土体的相对密度及水和冰的密度,获取了土柱模型在不同冻结时刻各相的质量比,确定了未冻水含量与比热之间的计算关系.依据不同冻结时刻土柱模型中的未冻水含量,建立潜热随冻结时刻的变化关系.根据实测粉质黏土的导热系数,结合土柱模型获取其比热、潜热随温度的变化关系.将获取的不同温度下的导热系数、比热和潜热值代入数值计算软件ABAQUS,获取了冻土温度场的计算值.将该计算值与实测值进行对比,表明基于该模型获取的计算热参数值能够较好地预测冻土温度场.

土壤中反硝化作用的试验研究

通过室内土柱试验,研究了土壤中的反硝化作用机理及其影响因素.假设反硝化作用符合一级反应的离散方程,描述土壤中NO_3^-离子的输运迁移规律.此方程反映了NO_3^-浓度、土柱淋溶时间、柱深、反应速率常数和溶液平均流速的函数关系.结果表明,环境条件(如温度,pH值、基质NO_3^-浓度等)是影响反硝化作用反应速率的重要因素.

考虑土拱效应影响的路堤荷载下土工格室加筋体变形分析

首先假定内、外土柱界面侧土压力系数和摩阻力发挥程度均与界面相对位移相关,对传统土柱模型进行了改进,得出土拱效应分析模型,进而运用自变量转换等数学方法建立路堤底部桩土应力比与桩土差异沉降的函数关系;考虑土工格室加筋体的三维形态及实际工作状态,用小挠度弹性薄板简化其计算模型,引入桩土变形及格室加筋体与上下界面摩阻效应,结合已建立的土拱效应模型构造非线性代数方程组,得到了“路堤-土工格室-桩土加固区”共同作用模型,对此模型进行迭代求解,得出计算桩土应力比、沉降及桩土差异沉降的新方法。通过实例验证与前人方法进行了结果对比,证明了该方法的合理性。最后选取重要参数进行分析,研究了桩土刚度比、路堤填土压缩模量、路堤填土内摩擦角对桩土应力比及格室体变形的影响。

石油类污染物在砂砾石层中的迁移与分布

利用静态模拟实验研究河滩砂砾石对油类的静态吸附特性，确定平稳吸附等温方程．通过动态土柱实验模拟油类在砂砾石中的迁移过程，建立油类在砂砾石层中迁移的数学模拟模型，确定模型参数，以此预测油类在砂砾石中的迁移．结果表明：油类在砂砾石中的吸附符合Ｌａｎｇｍｕｉｒ吸附模式；砂砾石对油类的吸附量小，迟滞因子Ｒｄ为１．０６；石油类污染物在砂砾石层穿透能力很强，约经５ｄ基本穿透２０ｍ的砂砾石层，１０ｄ基本穿透１００ｍ的砂砾石层．

用水平土柱和修正的Green-Ampt模型确定土壤的入渗性能

土壤入渗能力和降雨产流过程及地下水密切相关。土壤入渗过程决定了灌溉/降雨过程中水分进入土壤的过程,影响了化肥、农药及其他污染物随水分迁移过程以及坡面水文与土壤侵蚀过程等。该研究根据水流在水平土柱中运动的能量要求以及实际测量得到的土壤水分分布,对Green-Ampt模型中含水率分布呈活塞运动推进(即湿润锋内部土壤水分为恒定值)的假定进行了修正。采用更符合实际的呈线性分布的土壤水分分布模型,基于水量平衡和土壤水动力学原理,提出了对应的土壤入渗性能的计算模型。给出了利用修正模型估计土壤入渗性能的方法,计算模型以及计算过程。结果表明,利用修正模型估算得到的土壤入渗性能回归的入渗水量与实际供水量的相对误差为0.66%,说明该修正模型和计算方法具有很高的精度。该文提出的修正模型很好地描述了水分在土壤中的分布,较Green-Ampt入渗模型中的活塞模型更符合土壤水动力学中关于土壤水分运动的分析。将该修正模型与水平土柱试验结合,可以大大地提高土壤入渗性能计算的精度,为以后的土壤水分运动,地表产流计算以及土壤侵蚀等方面的研究提供非常有效的工具。

用修正的Green-Ampt模型确定土壤入渗性能的速算方法

土壤入渗性能的确定对水文过程及其相关研究与应用具有重要的意义。该文在土壤入渗性能的水平土柱测量方法和Green-Ampt修正模型的基础上,推导出了Green-Ampt模型与修正模型之间的比例关系,进而提出了土壤入渗性能的速算模型。该计算模型在保证土壤入渗性能计算精度的前提下,计算过程较修正Green-Ampt模型有了很大的简化。将3种方法计算得到的土壤入渗率进行了比较,快速方法计算得到的土壤入渗性能与Green-Ampt修正模型计算得到的土壤入渗性能非常接近。在水量平衡原理的基础上得到3种方法计算结果误差分别为11.5%(Green-Ampt模型),0.66%(修正模型)和2.68%(快速计算模型)。表明快速计算方法具有很高的精度。新方法大大简化了修正模型的计算步骤。该文提出的土壤入渗性能速算法与水平土柱试验相结合,可以方便地应用于室内土壤入渗性能的测量,为水文循环/地表产流等相关研究提供便捷的土壤入渗性能计算工具。

不同CDE模型对硒在黄绵土中运移特性的模拟研究

污染物在土体运移是影响土体和地下水污染的一个重要的因素。为了研究不同因素对亚硒酸根离子在土体中运移的影响,在室内不同实验条件下,采用垂直土柱易混置换法对亚硒酸根离子在黄绵土土柱中的运移进行了研究,获得了不同容重及不同土柱高度条件下亚硒酸根离子的穿透曲线,通过STANMOD软件,应用确定性平衡CDE数学模型和确定性非平衡两区模型对穿透曲线进行拟合,研究结果表明:容重增大,阻滞因子R值减小,弥散系数D值则是先增大后减小;随着土柱高度的增加,弥散系数D值减小,而阻滞因子R变化不大。非平衡两区模型对于亚硒酸根离子运移参数的拟合优于平衡模型。穿透曲线能较好地反映出离子在土壤中运移的参数值,曲线越靠近y轴、初始穿透时间越小则弥散系数D越大;曲线越平缓则R值越大。

杀扑磷在土壤色谱柱中的迁移及其模型拟合

基于液相色谱原理,建立了土壤色谱系统.在红壤和砂质灰潮土色谱柱中分别对杀扑磷在3种不同模拟土壤溶液(分别为0.01 mol.L-1CaCl2溶液、0.001 mol.L-1柠檬酸和0.01 mol.L-1CaCl2的混合溶液、0.001 mol.L-1苹果酸和0.01 mol.L-1CaCl2的混合溶液),2种孔隙水流速度(11.46和22.92 cm.h-1)下的迁移行为进行了实验研究,获得了示踪剂Cl-和杀扑磷的穿透曲线(BTCs).通过CXTFIT2.1软件,用局部平衡(LEA)对流-扩散方程(CDE)和化学非平衡两点模型(TSM)拟合了杀扑磷的BTCs,获得了物理和水动力学参数.研究表明,用TSM对本实验条件下杀扑磷迁移的仿真具有较高的精度,这为预测和控制有机磷农药在土壤环境中的迁移与归宿行为提供了理论依据.

地下结构地震反应分析中确定侧向边界的等效土柱模型

地基土体边界条件的确定是土-地下结构动力相互作用(SSDI)问题中的一个重要环节。基于剪切波在土柱中的传播理论,提出一种通过等效土柱模型确定SSDI问题中土体远置自由边界尺寸的方法,即建立土-结构相互作用模型,同时建立有相同土层特性的可代表水平成层无限半空间的等效土柱模型,对二者施加相同的输入地震动激励,当二者土层边界顶部的反应满足相对误差条件时,所选取的土-地下结构体系土体边界尺寸满足波传播的要求。以一个地下隧道工程为背景,基于ABAQUS有限元数值计算平台,应用等效土柱模型确定其远置自由边界尺寸。在此基础上,建立合适尺寸的自由边界模型并对其施加近似粘弹性人工边界及动力无限元边界条件,与通过等效土柱模型确定的自由边界模型的结构反应进行了对比,考察了不同边界条件的设置对结构动力反应的影响。结果表明:对该土-地下隧道工程,通过等效土柱模型确定的可以满足波传要求的自由边界为1 200 m时可控制相对误差在2%以内;自由边界模型与设置了近似黏弹性人工边界及动力无限元边界模型的结构动力反应符合较好;设置近似黏弹性边界及无限元单元的模型能以相对小的计算成本达到与等效土柱模型确定的大尺寸自由边界模型相近的计算效果。确定土体自由边界尺寸的等效土柱模型方法为SSDI问题中土体自由边界的选取与设置提供了有效借鉴与参考。

用水平土柱估算土壤入渗性能和水分布简化模型方法

在对Green-Ampt修正模型研究的基础上,根据水量平衡原理,提出了在水平土柱试验供水量、土壤初始与饱和含水率、土壤含水率线性分布假定的基础上计算土壤入渗性能的简化模型方法。用本研究提出的简化算法计算得到的土壤入渗性能与其他方法得到的结果非常接近。将该简化方法计算得到的土壤含水率分布与实测值进行比较表明,平均误差为4.18%,证明该方法估算的土壤含水率分布与实测值非常接近。结果表明该方法可以较为准确地估算土壤入渗性能在时间上及含水率在空间上的分布,能方便地应用到相关研究与应用中。

垃圾渗滤液污染物在土壤中迁移规律试验及模拟

为全面系统地研究垃圾渗滤液迁移规律,科学地分析污染物运移规律和预测污染物浓度分布情况,通过垃圾渗滤液的动态淋溶试验,研究了垃圾渗滤液主要污染物包括有机物(CODCr)、Cl-、SO42-、总硬度等在土壤水环境中的运移机理,试验结果表明迁移速度最快和最慢的分别为Cl-与有机物(CODCr);并对建立的一维数学模型求解表明,模型曲线与COD试验曲线较好的吻合,说明所建数学模型模拟有机污染物的有效性。

小比例尺地下结构振动台试验模型土的设计与试验研究

基于结构与地基土相似设计相匹配的原则,通过采用卓越周期相似关系来简化锯末混合模型土,进行小比例地下结构振动台模型试验研究。通过对不同配比的锯末混合土进行共振柱试验,在采用等效线性本构模型分析原型土和混合模型土的特性参数(Gmax和G/Gmax-γ)的基础上,进一步确定了混合模型土配合比。对采用本文方法设计的自由场地模型土进行了一致地震激励下的振动台试验。试验结果表明:简化设计模型土满足了小比例地下结构振动台试验主要相似关系,取得了良好的试验效果,为以后进行土-地下结构相互作用的振动台试验奠定了坚实的基础,并且可以为类似试验提供借鉴。

多环芳烃室内土柱淋溶行为的CDE模型模拟

采用土柱淋溶实验方法对多环芳烃(PAHs)在人工污染土柱中表面活性剂淋溶下的运移进行了实验室研究,获得了示踪剂Br- 和PAHs的穿透曲线(BTCs) ;并通过室内批量平衡试验(PAHs和表面活性剂吸附试验和表面活性剂对PAHs吸附 解吸影响试验)获得了吸附系数,进而获得阻滞因子.基于这些实验室结果,通过CXTFIT2. 1软件,用平衡CDE模型拟合了Br- 的BTCs,获得物理和水动力参数;并在此基础上应用CDE非平衡模型拟合PAHs在表面活性剂淋溶条件下土柱中的BTCs以及不同时刻、不同埋深处PAHs浓度的动态变化,预测了PAHs在土柱中的迁移趋势.

一维土柱试验的数学模型

主要讨论了一维土柱试验模型及其反问题.考虑到溶质在土壤及地下水中迁移的非线性行为,认为通常模型中的阻滞因子应改为与溶质浓度相关的泛函,而零阶产出项应为与时间、空间及溶质浓度相关的非线性项,进而提出了一类新的描述一维土柱试验的非线性数学模型.对于模型参数的识别问题,给出了两类典型的确定阻滞因子与源(汇)项系数的土柱试验反问题.最后,以淄博张店孝妇河-张冉原状土柱试验为例,应用所建立的数学模型对试验结果做了初步的阐释.

隧道上覆土柱水平地震力传递机制及动力模型试验研究

为改变隧道横断面抗震计算静力法中上覆土柱水平地震力传递机制不清的现状,以Ⅴ级围岩为例,利用动力有限元法对隧道上覆土柱水平地震力传递机制进行研究,对静力法进行了修正,并通过动力模型试验予以验证。研究结果表明:隧道上覆土柱水平地震力以均布剪切摩擦力形式作用于二衬上半拱圈;埋深25m条件下,隧道上覆土柱水平地震力传至二衬结构上的摩擦力最大;埋深小于50m时,地震烈度越大,摩擦力越大;埋深大于50m时,摩擦力受地震烈度的影响很小,隧道进入深埋状态,结构受地震影响很小;以均布剪切摩擦力代替水平集中力修正静力法,修正后静力法的抗震计算结果偏于安全,比原静力法计算结果更接近动力计算结果,更能反映实际地震中隧道结构的动力性能。研究成果可为隧道抗震设防设计提供参考。

客运专线无砟轨道桩网结构模型试验研究

无砟轨道线路状态的调整只能通过扣件系统进行,其对轨下的基础沉降、差异沉降及弯折变形提出严格要求。为了研究在经过桩网结构地基加固后的土质路基上修建的无砟轨道是否满足要求,在室内进行了桩网结构大比例模型试验研究,测试在填筑和循环载荷试验情况下的路基沉降、基床动应力、桩顶与桩间土土压力,以及桩的应力应变分布等数据。研究表明:①桩网结构累积沉降值较小,能满足无砟轨道对工后沉降25.0 mm的要求;②桩网结构中的网具有荷载分担作用,桩起竖向增强作用,桩土应力比约为2.45;③桩的承载力由桩侧摩阻力与桩端支承力共同贡献,当地基中存在软土层时,桩侧有产生负摩阻力的趋势,中性点位于软土层下部交界面处。

桩网结构加固土质路基的离心机模型试验研究

研究目的:本文通过两种典型布桩方式进行离心模型试验,对采用桩网结构加固土质路基的原理及工程应用效果进行系统探讨,并对遂渝铁路高路堤情况下无砟轨道桩网结构土质路基的桩土相互作用及沉降特征进行分析。研究结论:研究结果表明:(1)桩网结构中的网(加筋垫层)具有荷载分担作用,桩起竖向增强作用,桩的承载力中侧阻占绝大部分,桩主要表现为摩擦桩的特征;(2)桩间距对桩网结构路基的累积沉降影响显著,该工程桩间距宜取为2 m,桩网结构路基累积沉降值及工后沉降值较小,能满足无砟轨道的要求;(3)研究结果对高速铁路路基处理设计新方法的选择有一定的指导意义。