黏土中多离子体系的扩散机理研究

黏土微观结构、颗粒表面电场以及黏土孔隙液中离子之间相互作用对离子运移有着重要的影响,但如何考虑上述因素对离子运移的影响一直是个没有解决的难题。针对黏土颗粒表面电场对离子运移影响这一核心问题,从微观角度(纳米级)采用Nernst-Planck方程和Poisson方程描述离子在带电黏土多孔介质中的运移。在参考已有实验成果的基础上,建立了黏土中微观多离子运移数值分析模型,采用多场耦合分析有限元软件Comsol Multiphysics求解。数值分析表明:由于黏土颗粒表面负电荷的作用,阳离子浓度明显升高,阴离子浓度则明显降低;不考虑颗粒带电,阳离子和阴离子浓度分布相同。在颗粒表面形成明显的双电层,浓度越高,双电层厚度越小;浓度越低,双电层厚度越大。研究成果将有助于深入理解离子在黏土垫层中的扩散运移机理,为进一步宏观分析提供详尽的基础数据。     

A 3D synthetic rock mass numerical method for characterizations of rock mass and excavation damage zone near tunnels

In practice, a damage zone is generally formed after tunnel excavation in jointed rock mass. This damage zone is closely related to rock mass properties and requires careful examination in order for cost effective supporting designs. In this research, a synthetic rock mass (SRM) numerical method is applied for characterizations of the jointed rock mass and excavation damage zone (EDZ) near underground tunnels in 3D. The SRM model consists of bonded particles and simulates deformation and crack propagation of the rock mass through interactions between these particles. The effects of joint stiffness and distribution on the rock mass properties are systematically examined by comparing the numerical data with an empirical geological strength index (GSI) system and an associated Hoek-Brown strength criterion. The numerical results suggest that rock mass properties are comparable to the empirical GSI/Hoek-Brown system only when inclined joints are simulated in the rock mass subjected to axial loading. The rock mass is strengthened and the empirical GSI/Hoek-Brown characterization becomes inappropriate when the joints are less favorable to shear sliding. The SRM method is then applied for characterizations of tunnel EDZ. It appears that the depth and location of the EDZ are a function of the tunnel orientation, joints, and in situ stresses. The EDZ depth is expected to be higher when inclined joints are simulated. The EDZ area is reduced when the joints in the rock mass are horizontally and vertically distributed.

     

溶液特征对石屑掺膨润土混合土的渗透特性影响

垃圾填埋是目前世界各地处置城市固废的主要方法,为了有效防止渗滤液污染地下水和周边环境,在垃圾填埋场底部铺设含黏土或膨润土掺砂混合土的防渗系统。利用采石场的石屑和膨润土配制防渗材料,通过渗透试验、Zeta电位试验和X射线衍射试验,分析溶液种类和浓度对渗透特性的影响机理。研究结果表明随着离子浓度的增大,混合土的渗透系数变大,其主要是由于溶液中的离子与钠基膨润土进行离子交换,膨润土土粒间斥力与土粒双电层厚度减小,且膨润土中的蒙脱石层晶间距增大。     

周边双层中部单层球面网壳结构的特征值屈曲分析及其极限承载力

在大跨结构中,将单双层网壳结合起来形成的一种结构形成———周边双层中部单层球面网壳结构,可充分发挥两种结构形式的优点。本文采用刚铰接模型,即单层部分采用空间梁单元、双层部分采用空间杆单元,应用BlockLanczos方法对该种网壳结构进行了特征值屈曲分析;采用柱面等弧长技术跟踪了网壳结构的平衡路径。在对网壳结构进行多参数分析的基础上,包括单双层跨度比、矢跨比、杆件规格等,总结了单双层网壳结构的失稳规律,得出了临界荷载和极限荷载的拟合计算公式,并与一实际工程的数值分析结果进行了比较。     

强电场作用下极细颗粒黏土渗流特性分析

采用常水头渗流法试验,利用数据直流电源提供强电场,研究极细颗粒黏土的渗流的电场效应,在相同试验条件下完成了人工高岭土与人工膨润土按一定比例混合的试样的渗流特性测试。测试结果表明,外加电场对极细颗粒黏土的渗流特性有相当显著的影响,随着电场强度的升高,试样的渗透系数呈先减小后增大的趋势;在相同的电场强度下,试样的渗透系数会随着时间逐步变化,最终趋于稳定。对有无电场作用下渗流后的试样分别进行压汞试验,测试结果表明,在强电场作用下黏土颗粒产生重新排列,从而改变了孔隙结构和尺度,使渗透系数有所增加。试验结果分析认为,电场作用下,黏土颗粒和孔隙水都会产生极化现象,土颗粒和水分子在这种静电力作用下作定向排列,从而改变了试样的孔隙分布情况和孔隙水的粘度,进而影响孔隙水渗流特性。     

碱性氧化剂对水泥固化淤泥强度的影响研究

为消除淤泥中有机质对水泥固化淤泥的不利影响,提出了氧化降解有机质、减薄双电层厚度、维持pH值稳定等对策来提高水泥固化淤泥的强度。采用高铁酸钾和碳酸氢钠作为碱性氧化剂,配合水泥对淤泥进行固化处理。通过无侧限抗压强度试验,初步了解碱性氧化剂对水泥固化淤泥强度的影响规律,并利用有机元素试验、动电电位试验、比表面积试验和SEM等手段,进一步探究碱性氧化剂的固化机理。研究结果表明:掺碱性氧化剂的水泥固化淤泥7d无侧限抗压强度达到了1.536 MPa。碳酸氢钠通过中和有机酸,维持水泥固化淤泥为p H=9～10的碱性环境;该条件下,高铁酸钾能高效降解有机质,除去黏土颗粒表面聚合态的有机质胶膜,有利于SiO_2与Al_2O_3游离于孔隙溶液中,促进水泥水化产物的生成。同时,孔隙溶液中游离的高价阳离子与黏土颗粒表面低价阳离子交换吸附,减薄双电层厚度,引起土颗粒的絮凝团聚。     

大型斜面剪切仪的研制和试验

位于垃圾填埋场斜坡上的衬垫结构在垂直应力作用下沿斜坡滑移的剪切状态与底坡上衬垫结构的不同,为了模拟斜坡上衬垫结构间剪切特性,研制了斜面剪切仪。通过对标准砂和黏土的大型斜面和普通直剪剪切试验,发现两种试验得到的标准砂和黏土剪切应力位移特性基本相同,强度指标也相同。在此基础上,进行了光面HDPE土工膜与黏土复合衬垫界面斜面剪切试验,得到的剪应力与正应力比-位移曲线均有峰值和峰值后的软化现象。斜面剪切试验的特点是能够得到剪切面上法向应力和剪切应力同时增加的变化规律,可以揭示更详细的剪切特征,这有利于分析剪切过程中剪切面上法向应力和剪切应力的特性,如剪切面上法向应力和剪切应力变化规律以及剪切面上法向应力和剪切应力比的变化规律。     

地下爆炸的地表运动研究

将整个地下爆炸破坏区看成爆炸地震波的震动源,根据爆炸等效荷载理论和爆炸近区破坏理论,得到用速度表达的空腔边界荷载。提出地下爆炸震源的简化计算模型,将地下爆炸的地表响应转化为弹性半空间内球面膨胀波的传播和反射问题。运用不完全分离变量法的理论计算爆炸地震波在半空间内传播,得到地表质点响应的运动场。以数值计算为基础,定量分析地下爆炸的地表运动,得到地表最大质点速度的指数衰减规律。与国内外试验得到的经验公式进行对比,验证该计算方法的正确性。     

考虑土体侧胀性的路堤沉降计算探讨

土体侧胀性是引起地基沉降的重要因素,一维分层总和法的理论基础是侧向完全限制的压缩试验,故沉降计算结果中不能反应出土体侧向变形的影响。为了提高软基路堤沉降的计算精度,针对均质、非均质路基情形,通过大量非线性有限元分析,分别给出了其考虑侧胀性影响的沉降修正系数式子,它们是在路堤高度及路基土体孔隙比等因素之间直接建模的。实例计算表明:经过它们修正后,路堤沉降一维法计算结果基本上能考虑到土体的侧胀性,且修正后的沉降比较接近实测值。在实际工程中,具有一定的参考价值。     

考虑粒间法向接触力作用的粗粒土颗粒破碎试验研究

利用岩石双轴流变试验机,采用砂岩、石灰岩和板岩3种材料模拟粗粒土进行了球-球法向接触的颗粒破碎力学试验,对粗粒土颗粒破碎的过程、破碎形态、弹性核和力-位移曲线进行了研究,分析了不同粗粒土材料和颗粒尺寸对法向接触力学特性及颗粒破碎规律的影响。通过试验研究,发现粗粒土颗粒在法向接触力作用下,先在颗粒接触点处开始产生局部破碎,形成弹性核,继而产生贯通裂缝,最后颗粒发生整体破碎。通过拟合,分别建立了球形颗粒破碎准则和弹性核尺寸的经验公式。本文从粗粒土颗粒接触角度研究颗粒破碎的力学机理,开辟了研究粗粒土颗粒破碎的新途径,也可为离散元数值模拟直接提供接触力学参数。     

双层堤基管涌通道扩展机制和计算方法研究

双层堤基管涌通道是否扩展,取决于砂层颗粒条件、通道内冲刷水流和边壁渗流力等因素。通过分析通道边壁颗粒的受力平衡条件,引用河流动力学的相关公式,考虑砂粒相对暴露度、脉动流速、起动标准和管涌通道水流特性等因素提出通道扩展的判定条件。用2个砂槽模型试验研究冲刷水流和边壁渗流力的不同组合对通道扩展的影响,并用一维渗透试验证实渗流溢出面附近实际坡降远小于平均坡降的现象,说明提出渗流力有效比参数的合理性。在上述研究的基础上,用通道边壁稳定条件控制,建立有限元计算迭代流程,对管涌通道的扩展进行了数值模拟,并与试验结果进行对比,验证该方法的可行性。     

Effect of spatial variability of block-type cement-treated ground on the bearing capacity of foundation under inclined load

Deep mixing methods are widely used for stabilizing soft clayey soils and improving their bearing capacity. However, spatial variability in the shear strength of the cement-treated ground introduces uncertainties in estimating the bearing capacity for design. This paper evaluates the reliability of, block-type, cement-treated foundation under inclined load conditions using random field numerical limit analyses. The undrained shear strength is modelled as a random field which is characterized by a log-normal distribution and a spatial correlation length. Monte Carlo simulations are then used to interpret the stochastic bearing capacity factor and failure mechanisms for inclined concentric loading conditions at selected ratios of the shear strength ratio of cement-treated ground to original clay, the coefficient of variation in undrained shear strength and correlation length of the cement-treated zone. Variability of the undrained shear strength can reduce the expected bearing capacity of the cement-treated ground by 50–70% compared to homogeneously mixed clay.     

基于有效孔隙比的黏性土渗透系数经验公式研究

 粗粒土的渗透系数可由与渗透性能相关且较易量测的常规参数估算,研究黏性土的类似经验公式具有重要的理论意义。首先考虑结合水膜对黏性土渗透特性的影响,定义了黏性土的无效孔隙比和有效孔隙比的概念,利用黏性土的稠度界限指标液限、渗流的起始水力坡降和双电层参数3种方法,推导了无效孔隙比和有效孔隙比的计算公式,然后对常用的粗粒土渗透系数经验公式进行修正,得出了适用于黏性土的渗透系数经验公式。最后选取泾阳黄土、南海软黏土和科威特盐渍土的相关物理参数,分别代入粗粒土和黏性土的渗透系数经验公式中,得到渗透系数的计算值,将其与室内试验的实测值进行对比,验证了黏性土渗透系数经验公式的合理性。在比较分析了渗透系数经验公式及3种有效孔隙比计算方法的优缺点后,推荐采用稠度指标法修正的柯森–卡门和斯托克斯经验公式作为黏性土渗透系数的计算公式。     

上海第④层淤泥质粉质粘土的热传导特性

地层土体的热传导特性是开展地铁隧道周围土体温度场分析的关键参数。本文采用基于热探针法的KD2热传导仪,对上海地区地铁隧道经常穿越的第④层淤泥质粉质粘土的热传导特性进行了试验测试,分析了热导率与孔隙比的相关性,并应用若干现有经验公式对上述热传导试验数据进行了拟合,以检验各公式的适用性。结果表明:淤泥质粉质粘土的孔隙比越大,其热导率越小,上海第④层淤泥质粉质粘土的热导率变化范围在0.98~1.25 Wm^-1K^-1之间,使用Woodside公式能较好地拟合淤泥质粉质粘土的导热系数。     

Settling Behaviour and Clay Mineralogy

Sedimentary soils are formed due to the process of settling of soil particles in suspension. The settling process is physico-chemical in nature as the soil contains chemically active clay minerals. The extent to which the clay mineralogy affects the settling process depends upon the initial water content of the soil-water suspension. For montmorillonitic soils, the limiting water content at which the nature of settling changes from a discrete free type to a flocculated free type increases with an increase in the soil plasticity and decreases with an increase in the soil plasticity for kaolinitic soils. While the diffuse double layer repulsion controls this kind of behaviour of montmorillonitic soils, the behaviour of kaolinitic soils can be attributed to the fabric effect.     

双尺度渐进展开计算黏土渗透率影响因素研究

在岩土工程中,可采用双尺度渐进展开法反演计算土体渗透率,其表征单元体(REV)的选取直接影响计算的准确度。以海洋黏土渗透率为例,对REV颗粒形状、排列方式、建模维度以及对土体实际性状代表性等因素进行对比分析。通过4种正多边形模型对比、圆形颗粒正对排布与交错排布对比、3D与2D模型对比,计算结果均与实测值存在较大偏差,而各对比模型彼此间差别不大,说明颗粒形状、排列方式与模型维度对计算准确度影响甚微。而在考虑黏土颗粒多呈扁平状,以及颗粒表面存在强结合水膜的情况下,采用椭圆颗粒结合水膜单元模型(E-W模型),其计算准确度大大提高,并且能够在孔隙比较小时减小结合水膜带来的计算误差,说明REV能否充分表示土体实际几何和物理特性是计算准确度的主要影响因素。E-W模型对高岭土与伊利土渗透率的计算同样有较高的准确度,因此可将其用作双尺度渐进展开法对黏土渗透率的计算REV模型。     

黏土触变过程中强度恢复的微观机理

触变性是复杂的流变特性之一,它是指外力扰动导致土体强度衰减,静止后随时间增长逐渐强度恢复的现象。为了探寻黏土触变过程中强度恢复机理,开展了在长达500 d的龄期内,观测湛江黏土扰动后不同静置龄期下的无侧限抗压强度与贯入阻力,分析触变强度的恢复时间与过程,利用触变强度比率评价湛江粘土的触变性。利用扫描电镜与压汞试验,分析不同静置龄期下的结构演变规律。结果表明,湛江粘土具有明显的触变性,扰动后静置500 d后土体持有强度是其扰动后的2.58倍,但触变恢复强度仅占扰动损失强度的21.2%~23.5%。对于高灵敏性、强结构性的地基土,因施工扰动带来的强度损失引发的工程灾害不容忽视。黏土触变过程中的强度恢复主要是颗粒间引力与斥力的相互作用的力场变化使结构有分散趋向絮凝发展所导致,这一过程中结构产生自适应调整,孔隙分布均匀化发展,微观结构向亚稳定结构转变,在一定时期内表现出触变现象。     

Alignment and breakthrough errors in tunneling

Misalignment and breakthrough errors have been a threat for tunnelers for 2500 years, and they still represent a problem that has been studied in detail on the occasion of certain rather recent major tunnels.From these analyses precise formulae permitting to compute the uncertainties in tunnel alignment and the breakthrough error have been proposed. Since these formulae are complex, require geodetic details and do not permit direct estimation of the order of magnitude of these errors, the latter have remained an obscure point for non-specialists.In this paper we explain why such errors occur and, based on the theory of error propagation and numerical approximation techniques, we derive certain simple formulae which permit to predict the magnitude of errors in tunnel alignment and in breakthrough in three dimensions. These formulae are for simple horizontal tunnels, constrained by geodetic observations at one portal and indicate that errors broadly follow a cantilever-type pattern. In addition, hints on how these formulae can be easily extended to all other cases of curved, inclined, etc. tunnels are provided. In the case, however, of complex tunnels (for instance double tunnels connected with transversal segments) errors are smaller for their propagation is controlled by redundant observations.     

遗传算法在斜条分上限法中的应用探讨

 应用斜条分上限解法求解边坡稳定、地基极限承载力等问题时,需要借助优化手段寻求最优的上限解。由于斜条分法中增加了条间倾角作为优化自变量,导致优化变自量增加,传统的数值优化算法经常陷入局部极值的陷阱。本文以无重力地基承载力问题为例,通过基于非均匀变异的微型遗传算法求解其临界滑移模式。发现改进后的遗传算法具有较好的全局搜索能力和局部收敛能力,能使问题较好地收敛到闭合解;采用改进遗传算法与单纯形法结合或滑裂面坐标和条块界面角分开优化的方式可以得到更为精确的解答。最后用该数值方法对地基承载力公式中考虑地基土重力的经验系数进行了对比验证。     

薄壁空心球节点承载能力的非线性数值分析

现行网架规程中的焊接空心球承载力设计公式是以试验为基础的经验公式 ,对以稳定性控制的球壳 ,难以求得较为精确的屈曲临界点。应用对称旋转薄壳屈曲的非线性有限元理论 ,对空心球节点进行大位移弹塑性屈曲分析 ,得出了可供设计参考的空心球承载力数据表 ,并回归出适用于大直径空心球计算的近似公式 ,以确定空心球节点的失效状态及临界荷载。