吸附模式及固结变形对溶质运移规律的影响研究

目前关于溶质在变形土体中运移规律的研究相对较少,但是荷载作用又是实际工程中必须考虑的因素。基于比奥固结理论和溶质运移理论,建立渗流场、应力场和浓度场耦合的溶质运移模型,并采用有限差分法对溶质在变形土体中的运移规律进行研究。此外,许多学者在研究溶质运移规律时,多数情况下采用线性吸附模式,但是细粒土对金属离子、有机物或者高浓度溶质的吸附多表现出较强的非线性,因此研究了不同吸附模式作用下溶质的运移规律。研究结果表明,固结变形对溶质的运移过程具有持久性的阻滞作用,导致了溶质运移深度的减小;吸附模式对溶质运移规律没有本质的影响,但是吸附模式对溶质运移的快慢有较大影响,并且随着运移时间的增加,吸附模式对溶质运移快慢的影响不断增大。     

土体固结与溶质运移三维耦合模型

考虑堆场上覆堆积体自重引起的土体固结与溶质运移的耦合效应已成为环境土工领域中的热点问题。在 Biot 固结理论和溶质运移理论相结合的基础上,以孔隙率作为耦合参量,将固结方程与运移方程相联系,考虑土体固结对溶质运移模型参数的影响,建立了溶质在固结变形土体中运移的三维耦合模型。采用多场耦合有限元软件 COMSOL Multiphysics 对模型进行了数值求解。数值模拟结果表明,土体固结变形对溶质运移过程具有较强和持久的阻滞作用,导致溶质运移深度以及污染羽范围的减小,在模拟运移20 a 时,运移距离减小率已高达27．75％,且随着时间的增加而逐渐增大;溶质在水平方向的迁移距离不可忽略,随着横向水力梯度的增大而增大。     

非线性吸附条件下填埋场污染物运移过程二维数值分析

假设填埋场下部为三层结构体系,且渗流场稳态,建立了污染物二维运移控制方程。在控制方程中分别考虑垃圾降解效应、压实黏土衬里的非线性吸附特性、滞水层与含水层的线性吸附特性及各向异性。采用数值分析方法对某一假想填埋场进行具体计算。通过变动参数计算与分析,计算结果表明:压实黏土衬里和滞水层的垂直弥散系数为污染物二维运移的敏感因素。仅考虑压实黏土衬里的非线性吸附特性下,复合参数Sl,m为污染物运移的敏感因素,当Sl,m取值较大时,污染物的水平向运移能力增强,而对吸附强度Kl,l不敏感。滞水层线性吸附对污染物运移影响显著而含水层吸附性影响较弱。     

考虑黄土时效变形特性的高填方工后沉降预测

对压实黄土进行一维固结蠕变试验,分析压实度、含水率及固结应力对黄土次固结特性的影响,提出了一种考虑黄土时效变形特性的模型。试验结果表明:压实黄土次固结系数随着固结压力的增大呈增大趋势,次固结系数在低应力水平下对含水率和压实度不敏感,在高应力水平下,随含水率提高而增大,随压实度的提高而减小。通过验证发现本文提出的模型能较好地描述黄土高填方工后沉降规律。研究结果对类似工程有一定的借鉴意义。     

相对厚度变化下双层软黏土地基固结特性研究

采用改装的固结仪,针对吹填场区特有的双层软黏土地基,开展了固结特性试验研究,探讨了土层相对厚度变化对地基变形特性的影响规律。试验结果表明:单层软黏土的变形随试样厚度的增加而增大,双层软黏土的变形与试样厚度比呈明显的正相关关系;上层土厚度为2 cm的双层试样与高度为2 cm的单层试样,前者的稳定沉降大于后者,荷载等级较大时,双层试样的沉降曲线分离程度明显大于单层试样;随着厚度比的增大,厚度比变化对双层地基土体变形的影响逐渐减小;压缩指数随单层软黏土厚度的增大而增大,增大幅度不明显;相对于下层试样,上层试样对双层试样的沉降变形影响更大;随着上层压缩性大的土层厚度的增加,双层地基变形增大、固结速率减小。受土体结构性随固结应力变化的影响,不同厚度及厚度比试样,其沉降曲线随固结压力的增大呈“S”型变化。     

黏土垫层水力–力学–化学耦合模型研究

在城市固废堆场建造运维、污染场地土壤、地下水围封阻隔等环境岩土、污染防治领域中,均会涉及到土体力学行为、孔隙水流动以及污染物运移之间的耦合作用问题。将土体的固结变形分为由力学荷载引起的力学固结变形及由化学荷载引起的化学–渗透固结变形,引入广义达西定律,并考虑土体物理特性和输运性质的动态变化,通过理论推导建立了适用于堆场黏土防渗垫层的水力–力学–化学耦合模型,模型最大的特点是实现了土体固结变形、孔隙流体流动与污染物运移过程之间的全耦合,各模型参数均能够体现耦合效应的影响。采用多场耦合有限元分析软件COMSOL Multiphysics对所建模型进行数值验证和求解,模拟结果表明:所建模型可从机理上描述水力–力学–化学全耦合过程,模拟结果与Peters和Smith模拟结果吻合较好,能够正确揭示超孔隙水压力、污染物浓度时空分布及土体固结变形的演化规律。     

固结作用下非均质隔离墙中污染物二维运移规律研究

土-膨润土隔离墙广泛应用于污染场地管控和修复工程.在隔离墙自重和侧向土压力的作用下,墙体沿深度方向呈现非均质性.基于双向固结理论,建立了非均质隔离墙-含水层系统中污染物二维运移模型.模型采用高斯函数表征污染源局部非均匀分布,并考虑了屏障系统中污染物对流—弥散—吸附—降解耦合运移过程.结合边界条件和层间连续性条件,选用大...     

温州超固结软黏土次固结试验研究

为研究超固结比对软黏土次固结特性的影响,对温州正常固结和超固结软黏土开展长期一维压缩试验,系统性研究先期固结压力、超固结比等因素对次固结变形和次固结系数的影响。试验结果表明:先期固结压力对软黏土固结变形发展曲线有显著影响,固结压力小于先期固结压力时,曲线变化较小,接近直线,此时次固结系数随固结压力增长较快;当固结压力超过先期固结压力后,曲线变化明显,呈三段式发展,次固结系数随固结压力的增大略有减小,最后趋向某一稳定值。软黏土的次固结系数随超固结比的增大而减小,通过试验结果分析得到了次固结系数随超固结比变化的计算式。次固结变形随时间的变化在双对数坐标下近似为直线关系,基于此建立了次固结变形累积方程。     

沿河公路饱和路基土的一维次固结特性试验研究

通过对淮江公路扬州段饱和原状路基土进行的一维次固结试验研究,探讨了次固结系数、蠕变速率与时间的关系,次固结系数与固结压力、深度的关系,得到了一些规律性的结论:迎水面与背水面的次固结系数大小相近,离散性较小;在整个次固结阶段土体的变形具有非线性特征,应变速率随时间的增加而减小;次同结系数随着同结压力的增大而增大,随深度的增加先增大后减小,背水面土体的次同结系数比迎水面的次固结系数大.这些对于沿河路基的理论设计与工程实践具有重要的指导意义.     

深部低透气性首采层煤与瓦斯气固耦合模型

立足于消除煤层渗透及扩散特性对于煤与瓦斯气固耦合模型的干扰,在分析首采煤层所处应力状态特点的基础上,建立更符合煤体的孔隙裂隙二重介质特性的修正的P-M渗透率模型,提出考虑解吸–扩散效应及Klinkenberg效应的煤与瓦斯气固耦合模型,详细阐述多物理场之间的耦合作用关系。应用该模型模拟分析深部首采层顺层钻孔预抽消突过程中煤层瓦斯压力及渗透率的演化规律。模拟结果表明,Klinkenberg效应对低渗透煤层瓦斯运移的促进作用显著,并随着瓦斯压力减小促进效果增大;煤体绝对渗透率的动态变化是骨架压缩效应及基质收缩效应的竞争结果,瓦斯压力开始减小时,骨架压缩效应首先起主导作用,渗透率减小,瓦斯压力持续降低时,基质收缩效应逐渐取代其成为主导作用,渗透率增大。     

水库枢纽区抬升变形水文地质结构模式研究

水库蓄水引起枢纽区产生抬升变形的现象在国内外水利工程中比较少见。为了解岩体水文地质结构对抬升变形的影响,通过对国内外文献研究,提出了坝基及近坝库岸边坡产生抬升变形的水文地质结构模式:即坝址区存在倾向下游或两岸的相对隔水层,且相对隔水层下存在透水性较大的水文地质结构层。采用流固耦合数值分析方法研究了相对隔水层产状要素变化对抬升变形空间分布规律的影响。研究结果表明:相对隔水层在上游库区的出露区域至坝体距离越近,下游岸坡抬升变形范围越大,抬升变形量也越大;随着相对隔水层倾向下游倾角的增大,枢纽区最大抬升位移呈先增大后减小的变化规律;隔水层倾向角的变化将引起抬升变形空间分布位置的变化。     

Adsorption Modelling for Building Contaminant Dispersal Analysis

Two families of macroscopic adsorption models are formulated, based on fundamental principles of adsorption science and technology, that may be used for macroscopic (e.g., whole-building) contaminant dispersal analysis. The first family of adsorption models – the Equilibrium Adsorption (EA) Models – are based upon the simple requirement of adsorption equilibrium between adsorbent and room air. The second family – the Boundary Layer Diffusion Controlled Adsorption (BLDC) Models – add to the equilibrium requirement a boundary layer model for diffusion of the adsorbate from the room air to the adsorbent surface. Two members of each of these families are explicitly discussed, one based on the linear adsorption isotherm model and the other on the Langmuir isotherm model. The linear variants of each family are applied to model the adsorption dynamics of formaldehyde in gypsum wall board and compared to measured data. These applications and a more general consideration of the dynamic character of adsorption provided by these models indicate that simple physical adsorption and desorption transport processes h e the potential to significantly affect the dispersal of contaminants in buildings.     

地基固结特性对堆载被动桩影响的数值分析

通过建立三维数值模型,对堆载-被动桩-地基的共同作用进行了分析,得出了桩侧堆载完成后软土在固结过程中桩身的内力和变形特征。结果表明:堆载完成后随着软土地层不断排水固结,桩基水平位移逐渐增大,其变形曲线沿深度呈直线减小的趋势,桩身沉降也随着固结时间的推移不断增加,桩基轴力逐渐增大而弯矩值有所减小。因此,在软土地面堆载过程中要充分考虑地基固结的时间效应。     

天津滨海重塑软黏土一维固结蠕变特性研究

软黏土蠕变产生的长期变形严重影响建筑物及地基的安全性和稳定性,故通过设置不同预压条件模拟软黏土的初始受力状态,对重塑软黏土进行一维固结蠕变试验。研究表明:不同预压条件下,重塑软黏土一维固结蠕变历时曲线的瞬时变形较大,随着加载时间的增长,土体产生缓慢的蠕变,变形量逐渐减小,最终趋于稳定;此外,软黏土一维固结蠕变等时曲线中应变随应力水平的增大而增大,曲线延伸方向逐渐向应变轴靠拢,非线性愈加明显。基于上述研究,引入时间参量t,建立了软黏土一维固结蠕变预测公式,并对公式的准确性和适用性进行验证。该公式可对软黏土地基因蠕变产生的长期变形进行预测分析,为实际工程的设计、施工提供理论指导。     

武广客运专线红粘土地基固结变形特性研究

客运专线对地基变形要求非常严格,需要对红粘土地基的固结变形进行深入研究。选取一线路横断面并在不同深度埋设了3个单点沉降计,监测红粘土地基不同深度的沉降,在监测断面附近不同深度钻孔取样,进行室内固结及膨胀性实验,根据现场监测数据和室内试验结果,研究了红粘土地基的变形特性。研究表明:红粘土从表层到底层压缩性逐渐增大;中层土体的回弹性、粘滞性均比上下层大;红粘土的膨胀性对地基的变形规律影响较大,修建在红粘土地基上的客运专线路基必须有足够的换填高度,以抵制地基的膨胀压力;在修筑上部结构前应放置足够长的时间,使地基土体内部应力或变形能够充分调整完成,从而减少工后变形。     

考虑非均衡吸附的多孔介质中循环注入污染物运移规律

由经典的吸附解吸作用下污染物运移控制方程出发,将Freundlich线性等温吸附模型中溶质浓度上升、下降过程视为吸附、解吸过程,从而建立了非均衡吸附问题理论模型;并给出了累计质量分数及相对浓度的相关表达。利用Comsol Multiphysics数值分析方法讨论了三角函数、高斯脉冲函数循环注入下污染物运移规律,结果表明:吸附、解吸平衡常数的差值对污染物吸附量有较大影响,其值越大吸附量则越大;随着弥散度的增大,穿透曲线峰值有先增大后减小趋势,且穿透过程越久。此外,对于连续注入,注入时间存在一个临界值,小于该值时溶质浓度峰值随注入时间的增大而增大,而大于该值时溶质浓度峰值恒等于注入浓度平均值;且注入时间越大峰值出现时刻越晚;而相对浓度随注入时间的增大而减小。     

Numerical modeling of contaminant advection impact on hydrodynamic diffusion in a deformable medium

The self-weight of solid waste or machine-rolled compaction can induce or trigger contaminant migration in the landfill. Although the consolidation-induced hydraulic gradient driving solution transport has been extensively investigated, little attention has been paid to ion migration caused by its concentration gradient variation. It is necessary to more precisely predict the multi-stage contaminant transports in deforming porous material. Based on the modified Cam-clay model, the proposed fluid-solid coupled model can simulate the elastoplastic deformation behavior of layered kaolinite and KBr solution transport/sorption, and its modeling results were validated by published laboratory data. The solid-fluid interactions were analyzed by comparing various transport manners of K⁺ and Br^? from excess pore pressure generation to dissipation. Results reveal that the consolidation process can accelerate KBr solute advection from the contaminated layer into the uncontaminated layer, and then affects the subsequent diffusion, mechanical dispersion and sorption for K⁺ and Br^?. The simulations also indicate that consolidation-induced solute transport is time-dependent, and therefore the ion diffusion and mechanical dispersion should receive more attention.