高吸力下高庙子钙基膨润土的土水-力学特性

高庙子钙基膨润土具有明显的湿胀干缩特性,吸力变化会引起持水状态和孔隙比的变化。用蒸汽平衡法测得高吸力段（3～287 MPa）高庙子钙基膨润土的土水特性和变形特性。分析比较了吸力路径、试样初始孔隙比、应力加载历史以及土体结构对土水特性、变形及吸力应力的影响。研究表明,脱湿和吸湿过程中孔隙比的差异会引起体积含水率和饱和度的滞回。饱和度与吸力间关系受试样初始孔隙比和孔隙结构影响较大,与应力加载历史无直接关系。由吸力引起的吸力应力随吸力的增大而非线性增大,并在较高吸力时趋向于一定值。吸力应力受吸力路径、初始孔隙比以及孔隙结构的影响。     

膨润土吸湿过程中膨胀力演化及水分分布特征

压实膨润土被广泛地用作密封阻隔材料，其膨胀力变化对于工程设计十分重要。采用蒸汽平衡法控制吸力，研究增湿过程中的膨胀力变化规律，并采用核磁共振（NMR）和X射线衍射（XRD）技术，分析吸湿过程中土体水分分布状态与宏观膨胀行为的关联机制。结果表明，在控制湿度条件下，随着吸力降低，膨胀力先线性增加后稍稍降低；当吸力超过21.8 MPa后，不同干密度试样的含水率基本一致，在低吸力段，含水率随干密度降低而增加；吸湿过程中膨润土矿物晶层间逐层吸水，形成不超过2层水分子厚度吸附水；利用T2分布曲线计算了不同干密度试样的吸附水和毛细水含量，发现膨润土中主要为吸附水，存在少量毛细水（<5%）。分析认为，在吸湿过程中，水分首先吸附到层间区域，膨胀力线性增加，当形成少量毛细水后，颗粒滑移导致膨胀力降低。即，膨胀力的演化在高吸力下受层间水合作用控制，在低吸力下受孔隙结构变化影响。     

荆门非饱和压实膨胀土的吸力特征及其本构方程

 吸力与非饱和土的力学性状密切相关,为探讨非饱和膨胀土吸力变化规律,以滤纸法为研究手段,测定6种不同压实度与13种不同重力含水率组合条件下荆门弱膨胀土的总吸力与基质吸力。试验基本覆盖该膨胀土持水状态与密实状态的可能变动范围。研究表明：土体持水状态与密实状态均对压实膨胀土吸力影响显著。相同密实状态下,吸力随持水程度的增大而降低,且变动幅度较大。相同持水状态下,吸力随密实程度的增大而增大。密实度小的试样吸力变化幅度大,密实度大的试样吸力变化相对平缓。在明确吸力变化规律的基础上,构建吸力–饱和度–孔隙比关系的本构方程,数值再现结果与模型预测结果均表明该方程能够有效描述压实膨胀土在可能密实状态与持水状态范围内的吸力变化规律。     

微观结构对用于工程屏障的高压实膨胀黏土性状的一些作用

近10a米，用丁高放废物工程屏障的高压实膨胀黏土的性状受到了广泛关注。据此通过吸力控制试验获取了一些高压实膨润土的试验数据，并从微观结构特性角度进行了解释。水分滞留和迁移特性，以及吸力变化下的膨胀反应都与微观机理相关，同时对吸附阳离了的作用也进行了评价。     

含水率变化下压实路基土动态回弹模量试验研究与预估模型

路基土动态回弹模量MR是路面设计和使用性能评价采用的关键参数,运营期间受含水率变化影响显著。以压实红黏土为研究对象,制备了6个不同含水率和3种不同压实度的试样,采用滤纸法测试了不同状态下的基质吸力,并通过动三轴试验研究了含水率、压实度、动偏应力和围压对动态回弹模量的影响。试验结果表明:MR随压实度、围压的增大而增大,随动偏应力增大呈非线性减小;MR随含水率增大急剧降低,从最佳含水率增加4.5%时,不同压实度下MR均降低约50%,动偏应力和压实度对MR的影响随含水率增大逐渐减弱;MR随含水率和饱和度的变化规律与土性显著相关,而不同土样的MR随基质吸力变化趋势基本一致。进而引入基质吸力,建立了综合考虑含水率和应力水平影响的压实路基土MR预估模型,通过本文和文献试验数据证实了该模型的适用性,并基于13种土样的试验结果建立了模型参数与物性指标之间的经验关系。     

考虑压实度时的土水特征曲线和温度对吸力的影响

取甘肃平定高速路堤黄土,采用张力计量测不同压实度、不同含水率下土样基质吸力随温度的变化;取重庆绕城高速路堤黏土,采用压力板仪量测不同压实度下,土样的土水特征曲线（SWCCs）。试验结果表明：①相同压实度和含水率条件下,基质吸力随温度的升高,近似线性降低;②相同压实度和温度下,随着含水率升高,基质吸力降低;③相同温度和含水率条件下,压实度对SWCCs的影响主要体现在曲线的中段,且压实度越高,影响越大,而在吸力较高段和含水率较高段,压实度对基质吸力的影响很小;④根据不同压实度下重庆黏土的SWCCs,提出了包含压实度的SWCCs直线段的线性表达式,与陈正汉等采用甘肃压实黄土得到表达式相似。     

侧限状态下高压实高庙子膨润土非饱和渗透性的试验研究

高放废弃物深地质处置库中,由高压实膨润土形成的人工屏障,起着阻障围岩中地下水渗入内库并引起核素迁移以及库内高放废物的辐射扩散的作用。因此,有必要研究侧限状态下高压实膨润土的非饱和渗透性能。采用瞬时截面法试验研究了侧限状态下高压实高庙子膨润土的非饱和渗透特性。结果表明:侧限状态下,干密度为1.7g/cm3的高压实高庙子膨润土的非饱和渗透系数,数值为1.13×10-13～8.41×10-15m/s,且与土中吸力呈非单一增减关系。当土中吸力约为68MPa时,非饱和渗透系数最小;吸力大于68MPa时,其非饱和渗透系数随着吸力的增加而增加;而当吸力小于68MPa时,非饱和渗透系数随着土中吸力的增加而减小。     

高庙子膨润土GMZ001三向膨胀力特性研究

为研究高庙子钠基膨润土GMZ001的三向膨胀力特性,改进了三向胀缩仪,扩大了该仪器膨胀力的测量范围,进行了一系列不同干密度和不同初始吸力的三向膨胀力试验。研究结果表明:①在所研究的干密度、含水率范围内,竖向(平行于压实方向)膨胀力、水平(垂直于压实方向)膨胀力均主要与干密度有关,初始吸力对其没有明显影响。②水平膨胀力与竖向膨胀力之比随干密度的增大而减小;当干密度较小时,竖向膨胀力与水平膨胀力基本相等;当干密度大于1.6 g/cm3时,水平膨胀力与竖向膨胀力之比变化很小,其值稳定在0.78左右。③初始吸力、干密度均会显著影响膨胀力随时间变化曲线的形状;对于高吸力高干密度试样,其膨胀力–时间关系曲线在中间一段出现"平台"。④相同初始吸力下,膨胀力变化速率随干密度的增大有所增加,但不同干密度试样的膨胀力变化速率的差异随时间逐渐缩小;相同干密度下,尽管初始阶段高吸力试样的膨胀力发展更快,但一段时间后低吸力试样的膨胀力变化速率会比高吸力试样的大。⑤膨胀力最终平衡时间随干密度增大有所增加,而初始吸力对平衡时间影响不大。     

非饱和土石混合料的初始吸力

土石混合材料广泛应用在土石坝、堤防、路基等工程中,而这些土工结构的边坡稳定性是工程上关注的问题。在非饱和土石混合料的边坡稳定分析时,需要知道边坡的负孔隙水压分布。现场直接测试吸力（气压为零时吸力是负孔隙水压的绝对值）成本高、精度有限。因此在研究土石混合料的初始吸力特性基础上,估算初始吸力分布不失一种可行方法。本文对不同初始物理状态下土石混合材的击实试样进行初始吸力测试,分析了土石混合料的物理状态与初始吸力的关系。试验结果表明：土样的饱和度比含水率与初始吸力有更显著的关系;在饱和度相同的情况下,土样的干密度较大的土样有较大的初始吸力;土样的初始吸力随着净压力的增大而减小;在干密度、饱和度相近的情况下,土石比越大初始吸力越大;相同的击实能量下,土石比大的试样干密度小。     

压制压力对膨润土压实性能的影响

膨润土作为高放射性核废料处置库回填/缓冲层的首选材料,需实现隔离防渗的目标。获得高压实膨润土是实现这一目标的必备条件。而压制压力是影响膨润土密实度的因素之一。以纯膨润土粉末为研究对象,采用静力压实方法,开展了不同含水率(0%～30%)膨润土试样在不同压制压力(0 k N～45 k N)作用下的压实试验,提出干密度增长率与增长率增量参数评价压力对膨润土的压实效果。结果表明,在同一含水率状态下,膨润土的干密度随着压力的增大而增大。但在低含水率状态下,受粒间摩擦力的影响,膨润土干密度增长缓慢;在高含水率状态下,受粒间摩擦力与孔隙水压力的双重作用,导致压制压力持续增大到某一压力值后,膨润土的干密度增长率增量逐渐趋于稳定。压制膨润土试样时,可根据目标干密度值选择初始含水率以及压制压力,以便有效减少机械与时间成本。     

Experimental study on hydro-mechanical coupling behaviours of highly compacted expansive clay

Highly compacted expansive clays have been usually considered as a possible material for sealing and backfill in deep geological disposal of radioactive waste. In this condition, the material is simultaneously subjected to water infiltration from the geological barrier and stresses generated by the swelling of engineered barriers in confined conditions. Its behaviour under hydro-mechanical loading is essential to the safe design of the whole storage system. In the present work, MX80 bentonite, a kind of expansive clay from Wyoming, USA, was studied. After compaction, its dry density was 1.8 Mg/m3 and its initial suction was 110 MPa. Firstly, the soil was humidified under controlled suction and free-swelling conditions. Significant swelling was observed. Secondly, four values of suction of 110, 39, 9 and 0 MPa were employed to perform isotropic compressive tests at constant suction conditions. That allowed studying the effect of suction on the yield pressure, elastic and plastic compressibility parameters. The results show that the elastic and plastic compressibility parameters increase when the suction decreases. The relationship between these parameters and the logarithm of suction can be linearly correlated. The yield stress drastically decreases upon wetting under free-swelling conditions, from 12 – 18 MPa (at an initial suction of 110 MPa) to 0.2 MPa at saturated state.     

Numerical thermo-hydro-mechanical modeling of compacted bentonite in China-mock-up test for deep geological disposal

The China-mock-up test is to evaluate the performance of the compacted Gaomiaozi(GMZ) bentonite under coupled thermo-hydro-mechanical(THM) conditions in deep geological disposal.A numerical study of the test is conducted in this paper.The principal THM characteristics of the bentonite are presented at first.A THM model is then presented to tackle the complex coupling behavior of the bentonite.The model of Alonso-Gens is incorporated to reproduce the mechanical behavior of the bentonite under unsaturated conditions.With the proposed model,numerical simulations of the China-mock-up test are carried out by using the code of LAGAMINE.The time variations associated with the temperature,degree of saturation,suction and swelling pressure of the compacted bentonite are studied.The results suggest that the proposed model is able to reproduce the mechanical behavior of the bentonite,and to predict moisture motion under coupled THM conditions.     

Experimental research on water retention and gas permeability of compacted bentonite/sand mixtures

Highly compacted bentonite-based materials are often considered as buffer or sealing materials for deep high-level radioactive waste repositories. In situ, the initial state of bentonite-based materials is only partially saturated, which has a very high suction that will promote water absorption from the host rock. In addition, a gradient of water saturation will be formed between the external part and the central part of the compacted bentonite blocks. In this paper, water retention tests, under both constant-volume and free-swelling conditions, were performed to investigate the suction behavior of a compacted bentonite/sand mixture. In order to investigate the sealing ability of the partially saturated bentonite/sand mixture, gas permeability tests were also carried out under the in situ confining stress. It was found that the confining conditions have a limited effect on the water retention capacity of the compacted bentonite/sand mixture at lower levels of relative humidity (RH), while this influence is significant at higher RH levels. The results of gas permeability tests show that gas permeability is very sensitive to the water content and the confining pressure. When the sample (stable at RH=98%) was subjected to a in situ confining pressure (7–8 MPa), the gas permeability was very low (1.83×10^–14 m/s) which indicates that gas tightness can be obtained even though the sample is not fully saturated.     

圆饼状高压实膨润土膨胀力各向异性特征研究

针对作为我国缓冲/回填材料的高压实高庙子膨润土，采用自主研制的膨胀力-渗透性一体化测试仪器开展膨胀力试验，分别测定圆饼状试样的轴向膨胀力和径向膨胀力发展规律，研究试样初始干密度、初始吸力和尺寸效应对其膨胀力各向异性特征的影响。试验结果显示，轴向膨胀力和径向膨胀力均随着试样初始干密度的增加呈指数增大，膨胀力各向异性特征愈加显著。轴向膨胀力和径向膨胀力均随着试样初始吸力的增加而呈减小趋势；相同初始吸力条件下，径向膨胀力均大于轴向膨胀力，但是膨胀力各向异性系数随着初始吸力增大而不断减小。试样尺寸对膨胀力有显著影响，增加试样高度，轴向膨胀力不断增加，径向膨胀力增加到某一数值后不再随高度增加，膨胀力各向异性系数随着试样高度的增加逐渐减小。最后，基于膨润土膨胀机理、压实效应和尺寸效应，分析了膨胀力各向异性特征的形成机理。     

自由膨胀条件下高压密膨胀粘土微观结构随吸力变化特征

核废料处置问题是世界各国安全利用核能所关心的重大问题。作为用于封堵通往地下处置库的通道,以隔断处置库内核废料与外界环境联系的首选隔绝用材料——膨胀性粘土的特性正越来越受到岩土工程界的关注。利用压汞测试法和电镜扫描法方法,对吸力控制条件下高压密蒙脱石充分自由水化后微结构变化特征展开平行对比试验,以研究高压密蒙脱石在不同吸力条件下的体积变化特征。吸力的控制采用了渗析(液相)法。试验对不同密实度的压密膨胀土随吸力变化特征的进行了研究。研究结果表明:(1)压实膨胀土水化过程中的膨胀势与初始压实密度有关,初始压实密度越大,膨胀势越大;(2)体积膨胀量与水化过程的控制吸力之间存在近似的半对数衰减关系,且随着控制吸力的增大,衰减速率减弱;(3)体积的膨胀主要来源于膨胀土集合体结构中集合体之间的大孔的扩张。     

全吸力范围红黏土干湿循环土–水特征曲线

采用轴平移法、滤纸法以及饱和盐溶液蒸汽平衡法3种方法相结合,对单峰(泥浆土)和双峰(压实土)孔隙结构的重塑红黏土土样进行了一系列室内试验,研究了全吸力范围内(0～286.7 MPa)孔隙结构和初始孔隙比对土–水特征曲线(SWCC)的影响,分析了干湿循环下两种土的滞回性及体积变化规律。试验结果表明:不论泥浆土还是压实土,初始孔隙比对SWCC的影响均主要体现在低吸力阶段;孔隙结构对SWCC影响显著,压实土和泥浆土的SWCC分别呈现"双台阶"和"单台阶"特征;初始孔隙比相同时,泥浆土的进气值更大,持水性能更好;干湿循环下压实土的滞回性明显小于泥浆土,但泥浆土的体变更大。     

高庙子膨润土的土水特征曲线

近年来，用于高放废物深地质处置工程屏障的高压密膨润土越来越受到关注。经过全国范围内的比较和筛选，内蒙古兴和县高庙子膨润土矿床被确定为我国高放废物处置库缓冲材料的首选矿床。采用渗析法和水汽平衡法来控制吸力技术，通过上水特征曲线测定试验、环境扫描电镜和乐汞试验，研究高庙子高压密膨润土在不同吸力下的持水特性及其微观结构特征。利用压汞试验结果推算膨润土在恒体积条件下的土水特征曲线，并与实测数据进行比较。研究结果表明：在不同吸力作用下，膨润土的持水特性与其微观结构之间有着密切关系。