微生物注浆固化粉土矿化反应的沿程变化特性

加固土体不均匀是制约微生物注浆固土技术应用的重要因素。为揭示微生物注浆固化粉土时矿化反应过程沿渗流路径的变化规律,采用微生物一维注浆固化粉土试验,分析在不同渗径长度条件下,细菌生物量、pH值、离子浓度和碳酸钙生成量等矿化反应参数沿渗流方向的变化特性。结果表明,土体中的游离细菌生物量随着相对渗径长度增大呈指数衰减。孔隙液的pH值、游离钙离子和铵根离子浓度随相对渗径长度增大呈抛物线变化。固化土中胶结碳酸钙生成量随相对渗径长度增大而逐渐衰减,与游离细菌生物量线性正相关,并随胶结液浓度增大而增大。细菌生物量的沿程变化是影响微生物固土胶结物分布的根本原因。提出了以归一化相对渗径长度为基本参量的碳酸钙生成量沿程分布的预测公式,预测值与试验结果具有较好的一致性,可适用于不同渗径长度的微生物注浆固化粉土效果的预测。该研究能够为微生物注浆加固粉土地基的设计与施工提供参考。     

反映坝基帷幕体防渗时效的多场耦合数值模拟

坝基的渗流动态,很大程度上受控于坝基帷幕体的完好程度和止水效果,但是由于地下水长期存在的物理–化学作用,造成帷幕体防渗性能的衰减。为了能够再现坝基帷幕体防渗性能衰减的过程,依据渗流水力学以及水文地球化学的基本理论,建立了反映帷幕体防渗时效的多场耦合作用模型。该模型由渗流模块、溶质迁移模块、地球化学模块及帷幕体侵蚀模块构成,并采用 FEM 数值法求解。工程实例计算结果表明帷幕体的防渗效果随着时间的推移而弱化,此主要源自帷幕体中 Ca(OH)₂ 一类可溶性物质的溶失。在整个模拟时段,帷幕体中的钙质始终处于溶解状态,其不同部位发生溶蚀的强度也不相同,帷幕体底部的溶蚀量要高于其上部的溶蚀量;靠近坝基上游侧的帷幕的溶蚀量要高于下游侧的溶蚀量。钙离子迁移主要由于水动力条件和弥散作用共同引起的,且坝基各点的钙离子浓度随时间呈非线性变化。     

微生物矿化碳酸钙改良土体的进展、展望与工程应用技术设计

利用微生物矿化碳酸钙（Microbial Induced Calcium carbonate Precipitation,简称MICP）沉积出具有胶结功能的碳酸钙,填充土内孔隙、胶结土颗粒,能够提高土体强度、降低渗透性,具有很好的土体改良作用,在微生物注浆、加固土坝、防风固砂、库底防渗、坝体防渗、污染土壤（地下水）修复等方面具有工程应用前景。对MICP土体改良研究进行了总结、分析和展望：利用MICP技术能够将砂土的无侧限抗压强度提高到20MPa以上,渗透系数降低到处理前的1%,剪切波速提高4倍,能够胜任岩土工程任务;认为下一步应重点对处理效果的均匀性、适用的地基土范围、处理土的全面性能开展系统研究,如耐久性、动力性能和防腐性能等。MICP技术已经在砂砾体稳定、地下室堵漏中得到了少量应用,工程应用施工技术是MICP应用的瓶颈。对MICP在岩土工程领域应用的施工技术进行了设计,包括地基加固、液化地基改良、污染土壤（地下水）修复、坝体防渗堵漏和加固砂桩,以推动MICP技术的实际工程应用为盼。     

多场耦合理论在污染物运移过程中的应用

污染物在多孔介质中的传输过程,不仅是地下水渗流场和浓度场相互耦合的问题,而且介质的变形及内部温度的改变对污染物浓度的分布起着重要的控制作用,是一个多场耦合动力学问题.论述了污染物在多孔介质中运移的几类环境污染问题,并对引发环境污染的地质环境因素进行研究和分析,初步探讨污染物在多孔介质中迁移转化的动力学行为,详细阐述了多场耦合理论在污染物运移过程中的应用,并提出需要进一步解决的问题.     

环境土工基本理论及工程应用

随着工业化和城市化的快速发展,各类固体废弃物产量迅速增大,地下水土污染不断加剧,人类赖以生存的环境日益恶化。岩土工程研究者力图利用岩土工程的原理和方法来研究和解决这样的环境问题,并逐步形成了岩土工程学科的一个新兴分支——环境土工。环境土工问题伴随着生化反应、物理变化和机械运动等过程,目前国内外尚未建立统一的基本理论体系。该文论述了土体的生化反应、骨架变形、孔隙水运移、溶质迁移和孔隙气运移机理,并建立了考虑生化反应-骨架变形-水气运移-溶质迁移耦合作用的模型及其控制方程,界定并明确了模型参数及测试方法;揭示了高厨余城市固体废弃物填埋场存在严重的生化降解酸化抑制、骨架弱化和液气传导相互阻滞现象,以及城市固体废弃物压缩变形和液气产生及运移、污染物迁移与土体固结相互作用、污染物击穿防污屏障及覆盖屏障防水闭气的内在机理;结合笔者研究团队近二十年的环境土工研究和工程实践积累,总结了所提出的填埋场固废降解程度、渗滤液产量、填埋气收集率、填埋体沉降与填埋场容量、填埋场边坡稳定、防污屏障服役寿命评价方法以及所研发的填埋场液气立体导排、新型防污屏障和TDR污染土勘察技术的合理性和可靠性,并给出了工程应用实例。     

幂率型裂隙分布煤层渗流场与变形应力场耦合模型及数值模拟

煤体的微观结构对其产气量有着显著的影响,然而,现阶段的煤层气开采模型都未将此因素考虑在内。为了定量分析煤层微观结构对宏观渗流过程的影响,基于幂律分形渗透模型,构建一种能够同时考虑煤层微观结构与多物理场因素相互作用的裂隙–孔隙渗流模型。模型将多物理场效应(包括气体吸附–解吸效应、气体渗流诱导储层形变效应、煤层基质形变、裂隙–基质相互作用等)定义为储层有效应力的函数,进而作用于储层孔隙率与微观结构。分析煤体的主要结构参数对宏观渗透率的影响,包括：(1)裂隙长度幂律指数α;(2)裂隙长度最值比r;(3)最大裂隙长度l,并分析煤层形变及渗透率的时空演化趋势。模拟结果表明：煤体结构参数对煤体渗透率有着显著的影响。当孔隙率等其他煤体参数保持不变时,储层宏观渗透率与裂隙长度最值比r、最大裂隙长度l成正比,与裂隙长度幂律指数α成反比;此外,与裂隙长度幂律指数、裂隙长度最值比相比,煤层最大裂隙长度对煤层渗透率有着更为显著的影响。     

煤矿立井冻结壁温度场演化规律数值模拟分析

为了研究煤矿立井冻结壁温度场发展规律,采用COMSOL Multiphysics 多物理场耦合程序,建立了立井冻结壁有限元分析模型,该模型考虑了冻结过程中相变潜热因素影响,模型与工程实际更为吻合。为验证模型的准确性,以某矿风井为研究对象,进行了170 d的冻结过程模拟,并与实测数据进行了对比分析,模拟结果与实测吻合度较好。依据模拟结果,可得出:①冻结过程中,测温孔温度呈负指数型下降,最终趋于恒定值;②冻结壁厚度初期增长幅度较大,而进入156 d增长趋势趋缓,最终趋于稳定,厚度达到8.2 m;③主面温度曲线以冻结管位置为中心呈V型发展,界面温度曲线则近似呈弧形发展。本模拟方法为冻结壁温度场研究提供了一种新的分析手段,相应研究成果对冻结法凿井准确把握井壁温度场演化具有较好参考价值。     

超临界CO2吸附效应对页岩地层井壁稳定影响研究

当利用超临界CO₂作为钻井液钻进页岩地层时,井壁稳定是重点关注问题。超临界CO₂与页岩相互作用复杂,而对于超临界CO₂吸附效应对超临界CO₂开发页岩油气资源过程中的井壁稳定性影响则研究较少。本文将超临界CO₂吸附效应对页岩变形和力学性质影响纳入到超临界CO₂渗流的多物理场耦合过程中,在超临界CO₂运输特性和热力学特性的基础上,构建考虑吸附效应的超临界CO₂钻井多物理场耦合井壁稳定模型。基于有限元数值计算方法,分析超临界CO₂钻进过程中的地层温度、孔隙压力和地层应力的时空分布规律,研究超临界CO₂吸附效应对井壁稳定性的影响。结果表明：超临界CO₂吸附效应引起的固体变形对地层温度和流体渗流没有明显影响;吸附效应对应力分布具有显著影响,吸附应变会使应力值增大,而吸附对弹性模量的影响则会使应力值降低;忽略吸附应变会小幅度低估井壁失稳风险,而忽略吸附对页岩弹...     

矿化垃圾与碱性添加剂对餐厨垃圾发酵产氢的影响

研究了不同配比的矿化垃圾与碱性添加剂对餐厨垃圾发酵产氢的影响。试验结果表明，矿化垃圾主要起种子菌作用，此外其高孔隙率和高阳离子交换能力可提高传质效果；而碱性添加剂则能够抑制耗氢菌活性，缓冲体系的pH。在矿化垃圾与碱性添加剂的协同作用下，餐厨垃圾与污泥进行联合发酵产氢，获得最大的氢气浓度为41％，氢气产率为95．8mL／gVS；产氢体系进行的主要是丁酸型发酵，且氢气的产生量与VFA的产生量直接相关；水解反应生成的有机酸进一步发酵转化为气相的过程成为发酵产氢的限制性步骤，只有在矿化垃圾和碱性添加剂的协同作用下，微生物才可将产生的大量有机酸迅速向气相转化。     

多孔介质多场耦合作用理论 及其在资源与能源工程中的应用

详细介绍土木工程领域、环境工程领域、资源与能源开发工程领域中的多孔介质多场耦合作用的科学与技术问题,进而论述多孔介质多场耦合作用的科学内涵,其耦合作用理论包含固体应力场、渗流场、温度场和浓度场4个场的耦合作用,以及溶解的化学反应.介绍耦合作用的本构规律的研究重点与数学模型的组成,并深入讨论国内外关于固液、固气耦合作用下,孔隙与单一裂隙的渗流本构方程及其存在的问题.较详细介绍煤层气开采的裂隙介质固气耦合模型与应用、盐矿开采的固流热传质耦合模型与应用、高温岩体地热开采的固流热耦合模型及油页岩原位开采的相关技术与理论问题,讨论该类问题的数值模拟求解策略以及该类工程面临的深刻的理论与技术难题.     

多孔介质中化学–热–水力–力学耦合过程本构模型和数值模拟

本文发展了一个多孔介质中的化学–热–水力–力学(CTHM)耦合本构模型。该模型基于文献[1]中多孔介质热–水力–力学(THM)本构模型、文献[2,3]中的污染物传输本构模型和文献[4]提出的化学–力学本构模型。在本构模型中引入化学软化函数以模拟孔隙水中有机污染物对多孔介质力学性质的影响。考虑了温度对污染物传输机制的影响。本文CTHM耦合本构模型已在多孔介质的热–水力–力学–污染物传输数学模型中建立。在CTHM本构模拟框架中对计及化学塑性效应、描述在热–水力–污染物传输耦合作用下多孔介质力学行为、在应力–吸力–温度四维空间中包含了五重屈服面的耦合本构模型发展了一致性切线模量矩阵。数值结果突出显示了污染物浓度在多孔介质化学–热–水力–力学(CTHM)耦合系统中的影响。     

Numerical simulation of solute transport and structural analysis for groundwater connection medium based on the tracer test

Solute transport characteristics and groundwater connection structures are mainly studied in this paper by adopting the numerical simulation and field tracer test. Firstly, the simulation method of solute transport is proposed. Then two kinds of representative geological models of tracer test are built, and the process of solute transport is simulated. The variation characteristics of solute transport under the conditions of straight pipeline and branch pipeline are summarized by analysis of the simulation results. The effects of the pipeline width, flow velocity and path difference of branch pipelines on the tracer curve are discussed. General laws of groundwater connection tracer curve are obtained. Finally, based on the field test results, and combined with engineering geological conditions, characteristics of karst groundwater systems, the groundwater connection structures are analysed and speculated in detail by the flow velocity and local monitoring curve. The results show that: (i) As the flow velocity increases, the peak of the tracer curve decreases gradually, as well as the time to peak; (ii) The peak of the tracer curve gradually decreases with the increasing pipeline width; (iii) Under the different path difference of branch pipeline, the tracer curves all present obvious ‘trailing’ phenomenon; (iv) The analysis process of groundwater connection structures can provide references for the same type of hydrological geological problems.     

裂隙岩体渗流溶质运移耦合离散裂隙模型数值计算方法

研究裂隙岩体渗流溶质运移问题对于岩土工程地下水污染物预测控制具有重要意义。基于离散裂隙网络模型,采用实体单元模拟基质岩块、无厚度单元模拟复杂裂隙网络,提出了裂隙岩体渗流溶质运移耦合的三维数值计算方法。针对无反应项和含反应项两种情况,通过算例分析了单裂隙中溶质迁移行为,并与精细模拟方法、解析方法的结果进行对比验证;进一步将该法应用于预测大规模裂隙岩体溶质浓度分布规律及发展趋势,并评价了主要影响因素。结果表明,该法可有效模拟裂隙网络、基质岩块中水分溶质传输行为;由于贯通裂隙网络的优势流影响,溶质羽主要受控于裂隙水的对流作用,出现了高度非均匀分布现象;通过参数敏感性分析发现,相较于岩块基质的扩散作用,裂隙开度产生的对流作用是影响浓度场分布的主控因素。在保证精度的前提下,该法可大幅减小计算量和计算时长,对于解决含复杂裂隙网络岩体渗流传质的三维数值模拟问题具有明显优势。     

含瓦斯煤岩固气耦合动态模型与数值模拟研究

首先在多孔介质的有效应力原理中引入瓦斯吸附的膨胀应力,推导出了适用于含瓦斯煤岩的有效应力计算公式。通过分析含瓦斯煤岩的孔隙度和渗透率在不同变形阶段的变化特点,在前人的研究成果基础上,建立了含瓦斯煤岩的孔隙度和渗透率的动态模型。假设含瓦斯煤岩是一种各向同性的弹塑性材料,同时考虑瓦斯吸附的影响,得出了含瓦斯煤岩的应力场方程和渗流场方程,建立了能描述固气耦合情况下煤岩骨架可变形性和瓦斯气体可压缩性的含瓦斯煤岩的固气耦合模型。最后通过给定模型的定解条件和相关参数,利用有限元方法建立了相关的数值计算模型,并得出了含瓦斯煤岩固气耦合模型的数值解。研究成果对进一步充实和完善含瓦斯煤岩固气耦合理论有一定意义。     

第四纪松散沉积层地下水疏降与地面沉降三维全耦合数值模拟

针对第四纪松散沉积层地下水疏降引起的地面沉降问题,以比奥固结理论为基础,考虑土体的非线性特征及土的渗透性随应力状态的动态变化,将地下水渗流场和土体应力场耦合起来,建立了地下水疏降与地面沉降变形的水土全耦合三维数学模型,并采用三维有限元数值分析方法,以上海市地铁四号线董家渡段隧道修复深基坑降水为例,模拟预测了基坑中心水位降至标高-23.4 m时基坑周围地下水渗流场与地面沉降变形场的分布特征。该模型稳定性好,收敛速度快,能模拟复杂三维地质体和整个基坑降水工程的结构,具有重要的工程实用价值。     

天津津塔钢板剪力墙焊接应力监测与数值模拟

天津津塔为采用钢板剪力墙系统的超高层钢结构建筑,考虑到结构的特殊性和施工过程对结构应力状态造成的影响,在两种类型钢板墙的重要位置布置了传感器,对施工过程进行了应力监测。通过改变焊接顺序和焊接速度监测了剪力墙焊接应力场及残余应力场的变化;同时采用间接和直接的耦合分析方法分别对结构的应力状态和热效应进行了有限元模拟。在分析中采用了单元生死技术模拟焊接过程对结构的温度和应力场的影响,与温度场和应力场监测结果的对比分析证实了有限元模拟的有效性。不仅为天津津塔结构的性能评价和施工方法提供了依据和建议,对其他钢板剪力墙结构的设计与施工也具有参考价值。     

建筑物帷幕注浆加固效果的数值模拟分析

通过广州某地铁车站的施工对周边既有建筑物影响的三维数值模拟分析，探讨了地表钻孔帷幕注浆对既有建筑物的保护作用。实践证明，帷幕注浆起到了阻隔地层变形及地下水渗流的作用，有效地减小了建筑物的沉降量及倾斜度，保证了建筑物的安全。     

溶质运移与高放核废物处置

通过对溶质运移和高放核废物处置的介绍,结合核素迁移以及我国高放核废物处置的情况,介绍了在核素迁移过程中T-H-M-C四场耦合的组合分类,提出在核废物处置过程中进行四场耦合的研究,并指出在将来的四场耦合研究过程中加强化学场研究的重要性,对高放核废物处置具有一定的指导作用。