温度和模拟渗滤液作用下黏土的渗透性能研究

采用改造的GDS全自动环境岩土渗透仪,分别以自来水和模拟渗滤液为试验用水,开展不同温度和围压下黏土渗透性能试验。研究表明,当温度从20℃升高至50℃时,渗透系数增大,最大增幅为3.5倍;当围压从50k Pa增大至200k Pa时,渗透系数从10-6cm/s数量级减小至10-8cm/s数量级。在温度和围压一定时,模拟渗滤液作用下黏土的渗透系数略大于自来水试验结果,二者最大比值为2.8。随着温度的升高,土中吸附结合水膜变薄,且土样体积减小,在两种效应的共同作用下,固有渗透率不是定值,相应条件下50℃与20℃固有渗透率的比值在0.72~2.99之间变化。在本试验条件下,渗透系数随温度的变化主要是由水动力黏滞系数的变化引起,但是在低围压、自来水试验时理论推算渗透系数小于实测值,高围压下理论推算值大于实测值。     

膨润土防水毯渗透性能的温度效应

以颗粒状钠基膨润土防水毯为研究对象,采用改造的GDS全自动环境岩土渗透仪开展渗透试验,研究温度和压力对渗透系数的影响。研究表明:低围压下膨润土防水毯的渗透系数随温度的增加而减小,温度较高时趋于平缓或略有增大;围压增为100 kPa时,渗透系数随温度的增加而增大。固有渗透率随温度的增加而减小;低围压下固有渗透率减小更显著,仅考虑流体物理性质变化的渗透系数估算值与实测值有很大差异。膨润土吸附结合水量随温度的升高而减小,不能解释膨润土防水毯渗透系数和固有渗透率随温度的变化规律。当温度升高时,粒间孔隙减小且颗粒状膨润土分解成凝胶态蒙脱石颗粒,在低围压下凝胶态蒙脱石颗粒层间距离减小,是渗透系数和固有渗透率随温度的升高而减小的主要原因。     

高围压下砂土的渗透特性试验研究

利用高压三轴渗透试验系统,对某矿区深部的粗砂和细砂进行了高围压条件下的渗透试验。研究了同一水力梯度下渗透系数与围压的关系;同一围压下渗透系数与渗透水力梯度的关系;同一水力梯度下,围压逐级加载的渗透系数与一次加载的渗透系数之间的差别。结果表明,粗砂和细砂在同一水力梯度下渗透系数均随围压的增大而逐渐减小,在同一围压下,渗透系数会随渗透水力梯度的增大而逐渐增大;同一水力梯度下,围压逐级加载下的渗透系数明显小于一次加载条件下的渗透系数。根据围压与渗透系数的关系拟合出了两种砂样渗透系数与围压关系的数学表达式。为探究高围压下渗透系数变化的原因,研究了砂样试验过程中的体积变化和试验前后的粒度成分变化。结果表明,围压的施加过程伴随着试样的体积减小,相应的孔隙度减小,渗透系数降低;高围压条件下,砂土颗粒被挤碎成细颗粒,使得砂土的细粒含量增多,孔隙度减小,导致了砂土渗透系数的降低。     

不同有效应力下矿山渗滤液对土工合成黏土衬垫渗透特性影响的试验研究

以模拟矿山渗滤液作为渗透溶液,使用柔性壁渗透仪,在不同有效应力条件下测定土工合成黏土衬垫(geosynthetic clay liner,GCL)的渗透系数。试验结果表明:矿山渗滤液作用下GCL渗透系数升高的幅度与其所受有效应力的大小紧密相关;当有效应力为24 kPa时,矿山渗滤液的渗透使GCL的渗透系数升高至1.52810-′m/s,比控制样(自来水渗透)的渗透系数高340倍,不能满足《一般工业固体废物贮存、处置场污染控制规范》对防渗层渗透系数的要求(k≤1.0910-′m/s)。而当有效应力为93、162、231和438 kPa时,矿山渗滤液的持续作用使GCL的渗透系数只分别升高了26、21、14和10倍,且全部满足规范要求。研究结果表明,在对矿山废弃物处置场中GCL的防渗性能进行评估时,必须考虑GCL试样在场地中的受力状态。     

压实黏土三轴压缩变形过程中的渗透性变化规律

对某高坝心墙黏土进行了三轴压缩过程中的轴向渗透试验,观测了不同压实密度的试样在不同围压下轴向渗透系数随轴向应变的变化过程以及试样的变形形态。试验发现,三轴压缩过程中试样的渗透系数的变化趋势与压实密度和围压有关。当围压大于试样的前期固结压力时,试样在三轴压缩过程中一直呈现体缩,变得更密实,因而渗透系数随着轴向应变的增加而减小,最后趋于稳定。当围压远小于试样的前期固结压力时,试样产生了对抗渗不利的集中剪切带,集中剪切带成为渗流通道,使得试样的表观轴向渗透系数随轴向应变的增加而显著增大。重度压实的黏土在低围压下的大剪切变形下会产生高渗漏性的集中剪切带的试验事实,可以用来解释土石坝心墙的局部渗漏现象。     

低应力与覆水环境下单裂隙粉砂质泥岩渗流特性

为探究不同外部环境因素影响下浅层粉砂质泥岩边坡裂隙渗流特性,采用自主研发的岩体裂隙渗流试验装置,对含6种不同裂隙面粗糙度（JRC）的粉砂质泥岩裂隙试样进行渗流试验,研究了不同低围压和覆水深度下粉砂质泥岩裂隙渗流特性。结果表明：不同覆水深度及JRC下围压与粉砂质泥岩裂隙渗透系数均呈反相关,两者之间关系可用幂函数表征,且渗透系数的降低过程可分为快速降低（围压为0～30 kPa）和缓慢降低（围压为30～50 kPa）两个阶段,CT扫描结果验证了围压增大使得粉砂质泥岩裂隙开度减小是渗透系数随围压增大而减小的主要原因。随围压的增大或覆水深度的减小,不同JRC粉砂质泥岩裂隙渗透系数的离散程度逐渐减小。当围压增至最大,同时覆水深度最小时,JRC对裂隙渗透系数的影响将会被消除。不同围压下,粉砂质泥岩裂隙渗透系数与覆水深度呈正相关,且两者关系可用指数函数表征。推导出了粉砂质泥岩裂隙渗流非线性Izabsh模型,该模型能较好地反映低应力及低流速下粉砂质泥岩裂隙渗流量与压力梯度之间的非线性变化关系,但随围压的增大,该模型的相关性有一定程度的减小。     

侵蚀性环境对地下结构渗透和力学特性影响研究

环境污染造成地下结构侵蚀劣化,使得地下结构面临严峻的长期稳定性问题。通过50 g/L Na2SO4溶液、50 g/L NaCl溶液以及含有50 g/L Na2SO4 + 50 g/L NaCl的垃圾渗滤液的浸泡侵蚀试验,研究了经上述溶液侵蚀后混凝土试样在不同围压下的气体渗透特性、氯离子渗透特性以及力学特性。结果表明：（1）经不同溶液侵蚀后试样的渗透率与所承受的围压大小密切相关。同一侵蚀时间下,随着围压的增大,渗透率逐渐减小。经垃圾渗滤液侵蚀后的试样渗透率随侵蚀时间线性增加,且围压越小,增大的速率越大;经硫酸钠溶液、氯化钠溶液侵蚀后的试样渗透率总体先减小后增大;经3种不同溶液侵蚀后,试样渗透率对应力的敏感程度均有所提高。（2）经3组溶液侵蚀后试样单轴抗压强度变化分为线性增加、缓慢下降两个阶段,但垃圾渗滤液侵蚀后的试样强度始终为最小值。弹性模量也呈现出相似的变化规律。（3）在同一侵蚀深度处,垃圾渗滤液侵蚀后的试样自由氯离子含量比氯化钠溶液侵蚀后的试样低20%～50%,垃圾渗滤液侵蚀下混凝土试样被氯离子侵蚀的程度比氯化钠溶液侵蚀下混凝土试样低。（4）气体渗透率随侵蚀的进行而变化最为明显,比单轴抗压强度、氯离子扩散系数更适用于评价地下混凝土结构长期稳定性。研究结果可为侵蚀性环境下地下结构长期稳定性分析提供理论依据。     

吸力可控条件下的北方红黏土蠕变特性

北方红黏土又称三趾马红土，在黄土高原地区呈不连续状分布于黄土之下，为典型的致滑地层。红黏土遇水后强度降低、变形增大从而构成滑动面的过程，与红黏土特别是非饱和红黏土的蠕变特性息息相关，然而相关的研究多集中于南方红黏土。我国南方和北方红黏土的工程特性差异较大，不能等同对待。本文以陕西蓝田典型的北方红黏土为研究对象，借鉴控制吸力的非饱和土研究方法，在吸力分别为0，100 kPa和200 kPa条件下分级施加围压，开展了吸力控制条件下的三轴蠕变试验，研究非饱和红黏土的蠕变特性和长期强度。试验表明，红黏土具有明显蠕变特性，不同围压下的应力-应变曲线变化特征相近，均呈现幂函数或对数函数变化特征。当围压和荷载一定时，蠕变量随吸力的减小而增大，稳定时间随吸力减小而增长。吸力越小土体的蠕变性越强，其屈服强度也较小，饱和红黏土(吸力为0)的长期强度比吸力为200 kPa时的红黏土长期强度降低了约50%，说明含水率增大会增大滑带红黏土的蠕变量，促使滑坡的形成，本研究可为红黏土致滑机理研究提供基础。     

低渗致密砂岩渗透率应力敏感性试验研究

储层岩石中孔隙流体压力的变化会引起有效应力发生变化,进而导致渗透率的改变,引发储层岩石渗透率应力敏感现象。以试验研究了不同围压下渗透率随孔隙流体压力的变化规律,试验包含了老化处理和升降内压4个回路,每个回路是在围压不变降低和增加孔隙流体压力下实现的,采用稳态法采集每个测试点的数据。试验结果表明,渗透率随着孔隙流体压力的降低而减小,随着孔隙流体压力的增加而增加;在低围压下渗透率的变化幅度较大,在高围压下,则变化幅度较小;在不同围压回路下,净应力相等的点对应的渗透率不相等;渗透率在随孔隙流体压力的变化中呈现出“台阶式”变化。根据Bernabe的模型计算了渗透率有效应力系数,结合Bernabe的观点分析计算结果发现渗透率呈“台阶式”变化是微裂缝随应力的变化而发生变形的表现。对试验岩样进行了储层岩石应力敏感性评价,结果表明,该低渗致密砂岩储层表现为中等应力敏感。     

温度-渗流-应力耦合作用下岩石损伤及声发射特征研究

深部地下围岩常常处于复杂的地质环境下,这些复杂的地质环境造就了岩石多变的物理力学行为,本文对取自某矿井的黏土岩开展温度-渗流-应力耦合特性及声发射试验研究,对黏土岩在不同地质环境下的变形特征、渗透特性、损伤及声发射演化特征进行分析。研究结果表明:温度和围压对试件的变形具有明显的损伤劣化和抑制作用,温度越高,围压越大,试件逐渐由脆性断裂向脆延性破坏转变;渗透率的变化对应于岩石体积变化出现降低-平衡-上升-回落四个阶段,体变和环向应变突变点为渗透性加速增大分界点;高围压和温度作用下,岩石的声发射呈高能高幅值特征,渐变特征不明显,最活跃值越滞后,低温和低围压下,声发射具有明显的渐变特征,最大值出现在峰值附近;同等围压下,渗透损伤值随温度的升高而增加,围压越大,渗透损伤值越小,温度越高围压越大,损伤发展越均匀。     

溶液和温度作用下膨润土防水毯的渗透性能

以颗粒状和粉末状膨润土防水毯(GCLs)为对象,运用GDS (global digital systems)全自动渗透仪开展渗透试验,研究CaCl_2溶液作用下GCLs渗透性能的温度效应,初步探讨其机理。试验表明:当水化液为0.05mol/L的CaCl_2溶液时,两种GCLs渗透系数随温度升高呈现增大趋势;当水化液为去离子水时,颗粒状GCL渗透系数随温度升高而减小,粉末状GCL渗透系数随温度升高而增大。去离子水情况下,膨润土吸附结合水量随温度升高而减小;CaCl_2溶液作用下,吸附结合水量较去离子水情况大幅降低。当CaCl_2溶液浓度一定时,膨润土膨胀指数随温度升高而略有增大;当温度一定时,膨润土膨胀指数随CaCl_2溶液浓度升高而显著减小。以去离子水进行试验时:颗粒状和粉末状GCLs渗透系数随温度的变化主要影响因素为凝胶态蒙脱石数量,其次为流体黏滞系数和吸附结合水量;颗粒状GCLs膨润土孔隙结构越不均匀,凝胶态蒙脱石数量的影响就越显著,导致渗透系数随温度升高而减小、固有渗透率随温度升高显著降低。以CaCl_2溶液进行试验时,两种GCLs渗透系数随温度变化的主要受流体黏滞系数和吸附结合水量的影响,而受凝胶态蒙脱石数量的影响较小。孔隙溶液性质、温度和膨润土类型均对GCLs的防渗性能具有重要影响。     

Laboratory investigation on hydraulic conductivity changes in sands due to injection pressure increase

In this research, the hydraulic conductivity changes in uniformly graded sands, due to injection pressure increase, were experimentally evaluated using a cell-type radial model. Conducted tests, simulating variation of media permeability at different depths along a recharge well, were monitoring variations of the samples’ hydraulic conductivity at predetermined three different overburden pressures. The startup low pressure inflow was afterward altered by increasing the injection pressure up to the point at which hydraulic conductivity started to change at each run; we called it the threshold injection pressure. The corresponding hydraulic conductivity at such pressure was measured. As the increased permeability was a function of distance to the simulated recharge, it was deemed too beneficial to develop an equation to enable predicting this new hydraulic conductivity at different distances. Findings indicate that in uniformly graded sands under overburden pressure up to 68.64 kPa, the hydraulic conductivity in the threshold injection pressure—compared to its primary amount up to 45 cm from borehole wall—show a remarkable growth. However, this growth rate for greater distances up to 60 cm is negligible. Furthermore, in the threshold injection pressure, the hydraulic conductivity seems not to be time dependent. But, in constant injection pressures above the threshold injection pressure, the hydraulic conductivity shows some sort of time dependency.     

温度和有效应力对砂岩渗透性影响的试验研究

为探讨温度和有效应力对渗透性的影响,在不同温度水平和不同有效应力水平下进行了砂岩的渗透率试验。根据试验结果,初步分析了温度和有效应力对砂岩渗透率及其水力传导系数的影响。试验结果表明,砂岩的渗透率及其水力传导系数都是温度和有效应力的函数:在温度一定的条件下,砂岩的渗透率和水力传导系数均随有效应力的增加而呈负指数规律减小;在有效应力一定的条件下,砂岩的渗透率随温度的升高而减小,但水力传导系数与温度之间的关系函数并非单调函数。因此,在工程实践中不考虑温度和有效应力对岩石 (体)渗透性的影响是不合适的。      

人造多晶冰三轴压缩强度特性试验研究

为研究冰的三轴强度特性,对人造宏观各向同性冰进行了不同温度和不同围压下的恒定加载速率三轴压缩试验,得到多晶冰三轴压缩的应力-应变曲线、抗压强度与温度之间的关系,利用莫尔-库仑强度准则分析了温度和围压对强度参数的影响.结果表明：轴向应变加载速率为1.67×10-4 s-1时,不同温度、不同围压下冰的应力-应变曲线均为应变...     

Effect of Water and Leachate on Hydraulic Behavior of Compacted Bentonite,Calcareous Sand and Tuff Mixtures for Use as Landfill Liners

Compacted soil–bentonite liners, consisting of a sandy soil mixed with bentonite as backfill, are used extensively as engineered barriers for contaminant containment. This paper studies the valorization of local materials containing calcareous sand, tuff obtained from Laghouat region (in the South Algeria), to associate with bentonite in order to improve their hydraulic characteristics for use as landfill liner material. Firstly, a geotechnical characterization of mixtures chooses from a fixed percentage to 10% bentonite and different percentages of calcareous sand and tuff so that they are complementary to 90% by not 10%. Thereafter, the determination of saturated hydraulic conductivity at falling-head permeability (K_v) and oedometer (K_id, indirect Measure) tests of all compacted mixtures at Optimum Normal Proctor have been carried out using both permeates by tap water and a landfill leachate in order to simulate long-term conditions. The results showed that the saturated hydraulic conductivity of tap water is relatively lower than the one saturated by leachate in the falling-head test, unlike the oedometer test. The B₁₀CS₂₀T₇₀ mixture has satisfied the hydraulic conductivity criterion of bottom barriers (i.e. water permeated: k_v20° = 1.97 × 10^?9 and k_id from 7 × 10^?9 to 1.83 × 10^?10 < 10^?9m/s; leachate permeated: k_v20° = 2.91 × 10^?9 and k_id from 7 × 10^?9 at 1.44 × 10^?10 < 10^?9 m/s). Finally, a comparison between direct measurements of the saturated hydraulic conductivity by triaxial (K_d) test and oedometer test (K_id) in the range of effective stress applied 100–800 kPa led to propose equations of correlations between these two methods. In conclusion, adopted formulation B₁₀CS₂₀T₇₀ perfectly meets the regulatory requirements in force and constitutes an economic product based on available local materials for engineers barriers.     

Eu(Ⅲ)溶液对膨润土-砂混合物渗透性能影响研究

在高放废物处置库长期运营过程中包封容器将发生破坏,核素会向外界迁移,缓冲回填材料的水力传导系数是评价处置库工程屏障性能的重要指标。采用柔性壁渗透仪,研究2.0×10-5 mol/L的Eu(III)溶液作为渗入液时膨润土-砂混合物的渗透特性。结果表明,膨润土-砂混合物的水力传导系数K=(2.07⁵.23)×10-10 cm/s;在05.23)×10-10 cm/s;在0⁵0%掺砂率范围内,膨润土-砂混合物吸水膨胀过程中渗透性能随掺砂率增大时没有明显的变化,能够满足高放废物处置库缓冲回填材料低渗透性的要求。使用有效黏土密度的概念,得到膨润土-砂混合物的体积膨胀率随初始有效黏土密度的增大呈指数增大的趋势;混合物水力传导系数的对数值与有效黏土密度存在良好的线性衰减关系;与蒸馏水相比,渗入液(ECDD)为2.0×10-5 mol/L的Eu(III)溶液时,膨润土-砂混合物的水力传导系数较小,可能是由于渗入液黏滞性的影响。