挥发性气体通过填埋场复合覆盖层的一维扩散解析解

为了评价填埋场覆盖层对挥发性气体的防渗性能,建立了挥发性气体在复合覆盖层中的扩散运移模型并采用分离变量法获得了模型解析解。解析解的计算结果与数值解结果吻合得较好。分析结果表明,对于土工膜/土工复合膨润土垫（GM/GCL）与土工膜/压实黏土（GM/CCL）组成的覆盖层,覆盖层顶部气体扩散达到稳态的时间比较接近,约为1.6 a;对于压实黏土（CCL）系统达到稳定状态的时间为0.5 a;稳态时通量依次为6.0×10⁵,1.0×10⁶和7.4×10⁵ mg/ha/a。在这3个覆盖层系统中,GM/CCL对气体扩散的控制性能最差。对于GM/GCL,GCL含水饱和度从0.85增加到1时,覆盖层顶部通量减小了82.5%。饱和时GM/GCL系统顶部气体达到稳态的时间是非饱和情况下的约100倍。对于GM/CCL,CCL含水饱和度从0.1增加到0.85时,覆盖层顶部通量减小了近1个数量级。含水饱和度的变化可导致覆盖层顶部挥发性气体稳态时通量发生数量级的变化。     

植被对土质覆盖层水分运移和存储影响试验研究

植被在土质覆盖层水分存储–释放环节中扮有重要的角色,对防渗能力有重要的影响。在填埋场现场建设了大尺寸黄土土质覆盖层试验基地(长×宽:30m×20m),在基地不同测试区种植了植被并进行了土质覆盖层现场降雨试验。实测验证了黄土土质覆盖层最大储水能力;分析了有植被条件下黄土土质覆盖层水分运移和渗透特性;对比了植被条件对覆盖层水分运移和储水能力的影响。结果表明:①有植被条件黄土土质覆盖层可用储水量理论值Sfac为278.32 mm,实测值Sf?ac为259.82 mm,实测值比理论值小18.50 mm(小6.65%);②植被种植增大了根系生长区的渗透系数,无植被条件饱和渗透系数ks为8.27×10-5 cm/s,有植被条件饱和渗透系数ks大于8.27×10-5 cm/s。无植被时水分首先在覆盖层浅部土层存储,随着降雨的继续逐渐下渗至深层土;有植被时水分在土层全断面存储;③须根系、初期植被条件对毛细阻滞覆盖层储水能力影响较小。有植被条件实测可用储水量Sf?ac为259.82 mm,无植被条件为251.95mm,前者仅比后者大7.87 mm(大3.12%)。有植被条件实测总储水量Sf?ac为381.90 mm,无植被条件为374.03 mm,前者比后者大7.87 mm(大2.10%)。有、无植被条件黄土土质覆盖层储水能力接近,一方面是由于须根植被根系深度分布较浅(0～50 cm);另一方面是由于植被生长时间短未能经历一个完整的生长周期对土体结构影响不显著。     

胶州湾海底隧道衬砌混凝土服役寿命预测

胶州湾海底隧道是中国自行建造的第2条海底隧道,其设计服役寿命为100 a。分析了海底隧道衬砌混凝土的服役环境,建立了综合考虑氯离子扩散、碳化和弯曲荷载影响的服役寿命预测模型。调查了海底隧道现行施工里程的混凝土耐久性关键参数,建立了海底隧道混凝土氯离子扩散系数与回弹强度间的函数关系,通过预测模型计算了混凝土中氯离子随时间的演化规律及衬砌混凝土服役寿命。结果表明:隧道衬砌混凝土的保护层厚度波动值-4(-6)~+15 mm,标准养护衬砌混凝土氯离子扩散系数均值为2.1(2.7)×10-12 m2/s,混凝土中初始氯离子浓度小于0.35 kg/m3。隧道衬砌混凝土氯离子扩散系数与回弹强度呈线性函数关系,施工里程内氯离子扩散系数波动为1.5~3.5×10-12 m2/s。基于模型计算,胶州湾海底隧道左右线衬砌混凝土的服役寿命均超过100 a。     

红黏土临界动应力与高铁无碴轨道路堑基床换填厚度

针对武广高速铁路无碴轨道红黏土路堑基床长期动力稳定与换填厚度问题，利用改造后的应力控制式动三轴仪，研究了循环荷载作用下原状结构红黏土动应变随振次的变化规律，获得了11种试验条下原状结构红黏土临界动应力。按曲线走势特征，红黏土
曲线可分为衰减型、临界型、破坏型3类，具有与其它黏性土相同的曲线型式。基于室内动力试验及现场动响应测试成果，采用临界动应力法初步评价了武广高速铁路无碴轨道红黏土路堑基床的长期动力稳定性，给出了相应的基床换填厚度最小值。探讨了含水比、围压、固结比对红黏土临界动应力及路堑基床换填厚度的影响，通过多元线性回归得到了两个简单实用的经验估算公式。红黏土临界动应力随含水比的增大线性减小，随围压、固结比的增大线性增大。基床换填厚度随含水比的增大线性增大，随围压的增大线性减小，固结比对基床换填厚度的影响就本次试验成果而言还不明显。研究成果为我国高速铁路无碴轨道路堑基床长期动力稳定性评价及换填厚度的确定提出了新的思路和方法，也为红黏土动力特性的深入研究积累了宝贵的第一手资料。     

冻结状态青藏粉质黏土的渗透系数测量研究

粉质黏土在青藏高原多年冻土地区广泛分布,为了充分认识其在冻结状态下的渗透性质,开展了一系列渗透试验测量了在-0.6℃~0.1℃条件下含水率为50%的青藏粉质黏土的渗透系数。结果显示:在高负温区间内,冻结粉质黏土的渗透系数处于8.22×10~(-11)~7.19×10~(-9) cm/s之间;另外,渗透系数与土温之间呈现出幂函数关系,土温越接近于0℃,渗透系数增大越快;冻土的渗透系数表现出随着未冻水体积含量的增加而快速增大的趋势。渗透性的存在可测意味着高温冻土在外荷载下会存在固结作用。     

低固结压力下土–膨润土防渗墙填料渗透和扩散系数测试

渗透和扩散是污染物在防渗屏障中迁移的重要方式,当前对低固结压力下土–膨润土防渗墙渗透系数和扩散系数测试是否必须采用柔性壁渗透仪、是否必须对试样进行固结尚无统一看法。按土–膨润土防渗墙施工工艺制备填料,使用柔性壁渗透仪测试了30,50和100 k Pa有效固结压力下填料渗透系数,进行刚性壁土柱渗透–扩散试验测试了10 k Pa固结压力下填料渗透系数和扩散系数,基于加速沥出试验原理提出快速测定高塌落度填料有效扩散系数的透析试验方法。柔性壁渗透试验结果表明,填料流入和流出渗透系数均随水力梯度增大而增大,存在起始水力梯度,柔性壁渗透试验的起始水力梯度在6.82~8,随固结压力由30 k Pa增至100 k Pa,渗透系数由5.21×10~(-8)降至3.78×10~(-8) cm/s。10 k Pa固结压力下,刚性壁渗透–扩散试验测得起始水力梯度为5.67,渗透系数为7.14×10~(-8) cm/s,试验不存在侧壁渗漏,填料中Cl~-有效扩散系数为3.12×10~(-6) cm~2/s。透析试验填料未经固结,测得有效扩散系数为4.45×10~(-6) cm~2/s。掺入6.02%膨润土后,粉土渗透系数降低约4个数量级,有效扩散系数仅降低约一半,扩散将是膨润土系防渗墙中污染物迁移的主要方式。     

厚覆盖层土石围堰组合防渗施工技术研究

厚覆盖层土石围堰的防渗性能一直是工程控制的重点。基于井冈山航电枢纽工程中厚覆盖层土石堰工程的实际情况,研究确定了一种由高喷灌浆加黏土心墙组合的厚覆盖层土石围堰组合防渗施工技术,并对该技术的施工过程、施工质量控制要点及特殊工程问题处理等问题进行了分析研究。从现场工程应用效果来看,研究技术具有良好的工程效益和推广价值。     

基于孔压静力触探的连云港海相黏土的固结和渗透特性研究

针对连云港海相黏土,分别进行室内试验和孔压静力触探原位测试,并通过现场监测资料进行反分析,比较固结参数的差异性。不同方法得到的结果比较表明:孔压静力触探消散试验确定的水平固结系数为(3.0～6.5)×10-3 cm2/s,通常比竖向固结系数高2～4倍;变水头渗透试验得到的水平渗透系数和孔压静力触探测试现场得到的水平渗透系数值一致性很好;反分析得到的水平固结系数值略低于孔压静力触探测试得到的的水平固结系数值。对连云港海相黏土,地基处理设计采用孔压静力触探方法确定的固结参数能很好地符合工程实际。     

核废料地下储库围岩长期水力响应特征

黏土岩由于其低渗透性和损伤自修复等特性,被认为是一种合理的高放废物处置地质屏障。以黏土岩为研究对象,结合相关室内试验和现场监测成果,在总结黏土岩蠕变变形规律的基础上,考虑蠕变过程中的损伤和应变累积,建立黏土岩非线性蠕变损伤本构模型,并将其应用于比利时核废料地下实验室长期水力响应特征分析。研究结果表明：(1)非线性蠕变损伤本构模型能较好地反映黏土岩的非线性蠕变损伤过程;(2)巷道开挖对巷道洞周围岩水力性质影响显著,洞周附近围岩变形增大、孔隙水压力迅速减小;(3)围岩变形与开挖巷道距离和流变时间密切相关：随着与巷道距离的增大,开挖对巷道洞周附近围岩变形、孔隙水压力的影响逐渐减小,而随着时间的增长,巷道洞周附近围岩变形、孔隙水压力逐渐增大;(4)高放废物处置库衬砌的蠕变变形规律与现场监测结果相吻合,验证了模型的可靠性。研究成果将为我国未来黏土岩核废料地下储库的建设和稳定性评估提供重要理论依据。     

改性水泥土墙隔离重金属污染的服役时间分析研究

为探究改性水泥土墙隔离(水泥∶高炉矿渣∶膨润土=8%∶8%∶4%)在重金属铅、锌污染下的服役性能及其影响因素，通过土柱试验测定了铅、锌离子通过改性水泥系隔离墙的运移参数特征；采用Van Genuchten解分析了渗流速度、水动力弥散系数和阻滞因子等因素对击穿时间的影响，给出了不同墙厚和水头下隔离墙的服役时间以及满足临时和长期服役条件下的墙厚取值；并基于Van Genuchten解析解，采用数值方法得到了改性水泥隔离墙设计厚度及服役时间的简化计算公式。研究结果表明：重金属锌运移通过改性水泥土的速度快于铅，且随重金属浓度增加，水动力弥散系数增大，而阻滞因子降低。当渗流速度高于10^-11 m/s时击穿时间主要由渗流速度控制，反之击穿时间则由水动力弥散系数和阻滞因子控制。改性水泥系隔离墙厚度为0.6 m时可满足5 a内的对锌、铅的阻隔要求；墙厚大于1.2 m可满足50 a的服役要求。服役时间与墙厚平方及阻滞因子成正比，与水动力弥散系数成反比关系。     

非饱和导排结构控制降雨入渗的边坡物理模型试验

膨胀土渠坡失稳是影响南水北调中线供水工程安全性的重要因素之一,而对其边坡进行防渗处理是解决膨胀土边坡失稳的有效途径。针对传统边坡防渗处理方法(面板与土工布覆盖等)存在生态功能弱以及使用寿命短等不足,开展了非饱和导排结构的边坡防渗效果的物理模型试验研究。利用土壤剖面负压动态监测数据,采用非饱和渗流理论,在不同降雨强度与不同初始含水量条件下,对比分析了两种非饱和导排结构即细/粗粒二元结构和粗粒单一结构,控制降雨入渗边坡的效果。研究结果表明:在降雨强度为4.18×10-4 cm/s的情况下,二元结构能有效阻止降雨入渗;且细粒层初始含水量越低,其储水能力越强,二元结构控制降雨入渗的效果相对越好。在降雨强度为1.72×10-4,4.18×10-4,4.97×10-4 cm/s的情况下,粗粒层单一结构对降雨入渗边坡均具有一定的控制作用,但有5.6%~10.7%的降雨从模型底部排出,存在入渗风险。总体上,从排水–渗流控制效果与生态功能角度考虑,二元结构明显优于单一结构。研究成果可为解决南水北调膨胀土边坡以及其它工程边坡的渗流控制问题提供技术支撑。     

农村保温墙体的热湿性能分析

通过建立非保温墙体和XPS保温墙体模型,应用COMSOL Multiphysics软件模拟墙体的热湿变化规律,分析农村保温墙体的热湿性能.结果表明:水泥砂浆与混凝土交界面、混凝土与水泥抹灰交界面分别受室外、室内温度影响大于相对湿度影响.潜热净吸热量密度在非保温墙体和XPS保温墙体内分别占净吸热量密度的21.7％和14....     

新型透明黏土制配及其物理力学特性研究

基于人工合成透明土材料和PIV技术的可视化模型试验方法是重要的岩土工程测试手段之一,然而,目前已有透明土材料中针对模拟天然黏土的材料仍相对较少。提出以Carbopol~ Ultrez10聚合物(简称U10)、NaOH粉末和纯净水为原材料,碳纳米材料掺入作为示踪粒子制成散斑场,制配一种新型透明黏土材料的技术方案与操作方法。基于调制传递函数(MTF)方法,对新型透明黏土材料的光学透明性进行量化分析,并与已有透明土材料的光学透明性进行对比分析,验证其优越性。基于微型十字板剪切试验、压缩固结试验、渗透试验及热传导试验等室内试验方法,对新型透明黏土材料的物理力学特性进行系统研究,探讨其模拟天然黏土的可行性。研究结果表明:新型透明黏土材料的光学透明厚度可达25～40 cm,较目前已有常规透明土材料的光学透明厚度提高约2～3倍;新型材料表现为中低灵敏性黏土、强度随时间明显增加,强度、压缩固结特性与天然淤泥(尤其是海相淤泥)或泥炭土的性质相近,渗透系数为2×10~(-7)～7×10~(-7)cm/s,热传导系数为0.62～0.71 W·M~(-1)·K~(-1)。     

酸雨作用下含磷固化剂处理铅锌镉复合污染土的半动态浸出试验研究

酸雨pH可显著影响固化重金属污染土的浸出量。定量评价固化污染土在暴露条件下(例如酸雨)对周边水土体环境的影响,需要明确固化污染土的有效扩散系数和阻滞因子这两个关键参数。现有研究多集中在固化污染土的浸出特性和表观扩散系数,有关有效扩散系数和阻滞因子的研究很少。本次研究旨在研究改进的KMP固化剂固化重金属Pb、Zn、Cd复合污染土在酸雨作用下的有效扩散系数和阻滞因子。解吸附试验表明,随着污染土中重金属Pb、Zn、Cd浓度增加,固化污染土的解吸附量增大,且解吸附曲线满足Freundlich平衡吸附/解吸附方程。半动态浸出试验结果表明,污染土中重金属Pb、Zn、Cd浸出机制主要由扩散控制,且拟合曲线斜率分别为0.60,0.56和0.61,表观扩散系数Dobs为1.05×10~(-16),7.84×10~(-13)和2.11×10~(-12) m~2/s。结合解吸附试验和半动态浸出试验结果可知,Pb、Zn、Cd的阻滞因子Rd分别为17165.6,254.6和109.3,有效扩散系数De分别为1.82×10~(-12),1.96×10~(-10),2.34×10~(-10) m~2/s。与其他学者结果相比,固化污染土中Pb的有效扩散系数低于其他学者的两个数量级,而Zn和Cd的求算结果与其他学者一致。     

沉积相和深度对第四纪土动剪切模量和阻尼比的影响

依据苏州第四纪地层特点,使用GCTS循环三轴试验仪对取自典型钻孔剖面100 m以浅的40个原状土样进行了剪应变10~(-5)~10~(-2)量级的动剪切模量和阻尼比试验,研究了土的沉积环境、深度和土类对土体的规准化动剪切模量比G/G_(max)和阻尼比λ的影响。当剪应变g1×10~(-4)时,G/G_(max)折减很小,土体处于非线性弹性状态。沉积相、土层深度和土类对苏州第四纪地层土的G/G_(max),l与g关系曲线的影响有明显差异。相同沉积相的同类土,土层深度越深,G/G_(max)随g增长而衰退越慢,l越小;深度相近的同类土,滨海相土比河泛相土具有更为明显的非线性,而滨海相土的l略高于河泛相土。沉积相相同、深度相近时,粉砂、粉质黏土、黏土的G/G_(max)随g增长而衰退的速率依次减慢;应变水平相同时,粉砂的l最小,粉质黏土的次之,黏土的最大。     

宽级配砾质土防渗性能研究

宽级配砾质土是一种性能良好的防渗料,然而土体的细粒含量、细粒物理特性、击实功以及颗粒级配等多种因素均对其渗透系数有很大的影响。针对以上因素对宽级配土的渗透系数影响因素展开试验研究。采用不同细粒含量、不同种类细粒部分以及不同级配的宽级配砾质土进行室内变水头渗透试验,探究这些因素对渗透系数的影响规律。试验结果表明:宽级配砾质土的渗透系数随着细粒含量的升高先迅速降低后趋于平稳;随着细粒料液限和塑性指数的增加,宽级配砾质土的渗透系数逐渐降低;以粉质黏土和黏土为细粒料的宽级配砾质土的渗透系数均随击实功的增加呈指数函数形式下降;粗粒料级配连续性越好,宽级配砾质土渗透系数越低。根据大坝心墙渗透系数小于1×10~(-5) cm/s的防渗要求,提出了以界限含水率和细粒料百分比为控制指标的宽级配土防渗料的控制标准。     

考虑板状颗粒间相互作用的黏土强度时效性的微观解释

为了探寻黏土强度时效性的微观机理,将时效强度与板状黏土颗粒搭接方式和相互作用势能联系起来,颗粒间的相互作用力使颗粒朝着势能较低的位置搭接,当颗粒间相互作用势能最低时,时效强度达到稳定值。提出了可考虑两板状颗粒间夹角θ和距离d影响的颗粒相互作用总势能公式,可用Zeta电位代替表面电位来计算势能,计算结果与实际情况相吻合。通过计算可知:①黏土时效强度与电解质浓度有很大关系,电解质浓度较低时(≤10^-3mol/L),两颗粒相互垂直时的总势能最低;电解质浓度较高时(≥10^-1mol/L),两颗粒相互平行时的总势能最低,时效强度几乎不变,甚至会减小;中间电解质浓度是过渡状态;②两黏土颗粒的稳定搭接方式主要是垂直和平行,两颗粒之间总会趋于向稳定搭接方式转化,这也是时效强度经历一定时间而达到稳定值的过程;③解释了黏土触变强度恢复的原因,即颗粒会一直趋于搭接强度最高的垂直稳定搭接。     

双环注水试验装置的研制及其应用

针对现有双环注水试验装置在高渗透性土体中应用时的缺陷,研制了一套轮换注水式双环注水试验装置。该装置由注水系统和供水系统组成,巧妙地采用了在内环、外环中分别设置两组流量瓶向环内轮换注水,外接水箱向注空的流量瓶中供水的结构设计,保证了试验过程环内水头高度的稳定和连续注水。采用新研制的试验装置测试安哥拉格埃路地层(Quelo)棕红色砂土的渗透系数,获得了满意的应用效果。试验结果表明:安哥拉Quelo砂在天然状态下的渗透系数在10~(-3)~10~(-2) cm/s数量级,经压实后(重型击实试验控制,压实系数λ≥0.95)可降低1~3个数量级;在同一孔隙比下,现场双环注水试验结果高于室内变水头渗透试验结果约0.5个数量级。