粉煤灰增强回填碱渣工程特性的试验研究

碱渣与饱和卤水混合制成浆体回填到盐矿废弃盐腔可同时解决碱渣处理问题和地下废弃盐腔存在的地质隐患。回填碱渣强度是影响充填效果的重要因素。因此,为了提高回填碱渣强度,采用掺入粉煤灰制成复合碱渣对其强度特性进行改良。针对不同粉煤灰掺合比的碱渣开展了组成、力学和细观试验。研究结果表明：（1）掺入粉煤灰能明显改善碱渣的强度,使其黏聚力、内摩擦角都大幅提高,抗剪强度大幅增加;（2）粉煤灰掺合比越大,增强效果越明显,但强度并非随掺合比呈线性变化,对黏聚力而言,在0～20%内的掺合比下增加速度最快,而对内摩擦角则在20%～30%的掺合比区间增加最快,对抗剪强度而言,0～20%的掺合比内增加最明显;（3）粉煤灰掺入还可显著改善碱渣的压缩固结特性,使其固结系数大幅提高,从而提高碱渣固结速度,缩短充填工期,其中在0～10%的掺合比内对压缩固结特性改善最显著;（4）矿物组成分析表明,粉煤灰掺入改变了矿物组成,使得亲水性矿物含量急剧锐减,进而改变了其沉积特性。而细观分析则表明,粉煤灰掺入使碱渣从絮凝团细观结构变成了粉煤灰充当骨架的充填结构,且粒间支撑和拉联效应明显。从增强效果提高、压缩固结特性增强、控制成本和工期综合分析表明,最优掺合比为20%左右,建议工程中以不高于20%的掺合比作为实用掺合比即可取得较为理想的充填增强效果。该研究为揭示碱渣增强机制及废弃盐腔碱渣充填工艺优化提供了有益参考。     

多级荷载下弱膨胀土的膨胀变形特性试验研究

为研究压实弱膨胀土的膨胀变形特性,对取自高淳某边坡的弱膨胀土进行固结及浸水膨胀变形试验,研究了在300,200,150,100,75,50,25和12.5 kPa共8种上覆压力下不同初始干密度及初始含水率土体的固结及膨胀变形特征。试验结果表明:初始含水率及初始干密度对弱膨胀土的膨胀变形特性均存在一定的影响,在其余条件相同的情况下,膨胀土的膨胀变形量随着初始干密度的增大而增大,随着初始含水率的增大而减小。分析了膨胀土固结及膨胀变形过程的典型曲线特点,研究了不同初始干密度及初始含水率下土体固结与膨胀曲线膨胀区与压缩区分界点特征,得出在初始含水率相同时,分界点的上覆压力与分界点孔隙比及土体的初始干密度均呈正比关系。通过对土体试验数据的分析拟合,结合土体变形过程中的孔隙比与初始状态关系的推导,提出了弱膨胀土的膨胀变形量计算方法,结合工程包边法路堤填筑的荷载分布,采用分层总和法推导了工程包边法膨胀土路堤填筑的膨胀变形量计算方法,并用于路堤膨胀量的预估中。     

重塑膨胀土非线性强度特性及一维固结浸水膨胀应力-应变关系

采用南水北调中线工程南阳膨胀土和新乡膨胀岩重塑试样,开展一系列干湿循环后的强度试验和一维固结后的有荷浸水膨胀试验。试验结果表明,(1) 膨胀土强度随竖向应力增加表现出明显的两阶段特性,低应力状态与高应力状态下的强度指标差别很大;(2) 同一上覆压力下,膨胀土的有荷膨胀率随着初始含水率的增大而线性减小,随着初始干密度的增大而线性增大,分别给出考虑初始含水率、上覆压力双因素影响的膨胀率表达式和考虑初始干密度、上覆压力双因素影响的膨胀率表达式,给出膨胀土一维固结后有荷浸水膨胀的应力-应变关系。分析认为,(1) 膨胀土边坡多发生浅层滑动,应测定低应力状态下的强度参数用于边坡稳定分析;(2) 膨胀土边坡浅层部分和坡脚的压实度不宜过高。     

软土次固结阶段桩侧负摩阻力变化规律研究

设计软黏土中单桩模型箱试验,模拟了桩周土逐级加荷沉降,通过量测超孔隙水压力、土体沉降及桩身轴力变化,分析了软黏土进入次固结阶段时,桩侧负摩阻力及桩身中性点位置变化情况。研究表明,在次固结阶段桩周土所产生的沉降对桩侧负摩阻力仍具有一定影响,沿桩身呈先增大后减小的趋势;当桩周土所施荷载等级达到一定程度时,桩身中性点位置将随着桩周土次固结时间的增长而逐渐上移。次固结阶段产生的沉降量与土体上所施加的荷载等级有关,随着桩周土荷载等级的增大,次固结阶段产生的沉降所占总沉降的比例逐渐减小,其蠕变效应逐渐减弱。     

固结与荷载耦合作用下吹填土力学性质与微结构参数关联性

固结条件与荷载条件对吹填土的力学特性具有明显的影响,且土的微观结构特征是决定其宏观力学性质的本质因素,为了研究吹填软土力学特性在不同固结条件和荷载条件下的变化规律及与微结构参数的关联性,对天津滨海新区重塑吹填软土进行不同初始固结条件与荷载效应综合作用下的蠕变试验和微观结构测试,研究此条件下吹填土力学特性的变化规律,并通过灰色关联度理论建立宏观力学参数与微结构参数之间的关联性。试验结果表明:稳定性蠕变对吹填软土强度的增长起到积极作用,有偏压固结较无偏压固结强度增长更快,且初始固结越充分,强度增长越快;随蠕变时间的增加,颗粒的等效直径、形态比和圆度呈增大的趋势,而颗粒和孔隙的数量与周长、孔隙的等效直径、形态比和圆度则呈减小的趋势;抗剪强度指标C,φ值随颗粒等效直径、形态比和圆度的增大而增大,但随颗粒和孔隙的数量与周长、孔隙的等效直径、形态比和圆度的增大而减小。关联度分析表明,颗粒（孔隙）等效直径和圆度是影响吹填土力学性质演化的重要微结构参数,固结与蠕变越充分,土体微结构参数调整越稳定,强度越高。     

泥砂互混吹填土自重沉积及颗粒分布规律

开展大尺寸沉降柱试验,获得不同初始含砂比、不同初始含水率的泥砂互混吹填土在自重作用下的泥面沉降量和沉降速率的基本特征,结合分层抽取法获得试样沿高度方向的密度剖面与颗粒分布变化规律。试验结果表明,泥砂互混吹填土沉积和颗粒分布规律与初始含砂比、初始含水率有较大关系,增加初始含砂比能显著增加沉降量,且存在一个合理含砂比,超过合理含砂比后沉降量反而降低,初始含水率越低该种现象越明显;沉降-时间曲线基本可以分为3个阶段,其中第Ⅱ阶段呈现出比较明显的非线性特征,随着初始含水率降低,3个阶段和非线性特征逐渐不明显;密度剖面呈阶梯变化特征,并随初始含水率和初始含砂比的降低而逐渐过渡到线性特征;初始含砂比和初始含水率均影响着泥砂互混吹填土的颗粒分布模式,初始含砂比和初始含水率越大越有利于粒径大于0.075 mm的颗粒沉积;初始含砂比越大,底部沉积的粒径小于0.005 mm颗粒相对越多,体现出群体沉降特征。     

循环荷载下压实黄土动力特性的试验研究

以吕梁压实黄土为研究对象,通过大量动三轴试验,研究了含水率、干密度、围压和固结应力比等因素对压实黄土动剪切模量和阻尼比的影响。结果表明:压实黄土的动剪切模量随动剪应变的增大而减小,可用半对数坐标系下的直线方程进行拟合;动剪切模量和初始动剪切模量均随含水率的增大而减小,随干密度、围压和固结应力比的增大而增大;固结应力比对动剪切模量的影响随着动剪应变的增大而减弱;阻尼比大致上随着含水率的增大呈缓慢增大趋势,随着干密度、围压和固结应力比的增大呈缓慢减小趋势。进行压实黄土的动力研究,对高烈度黄土地区的大规模基础建设具有重要的理论和现实意义。     

常规次固结沉降计算方法的改进研究

软土具有高含水率、大孔隙比等特点,在荷载作用下超静孔隙水压力消散后会产生次固结变形。实际工程中很多工程问题是由土体的次固结引起,因此对其沉降进行计算和预测很有必要。针对常规次固结沉降计算方法的不足,进行了改进,使随时间的发展,次固结沉降趋于一个定值而不是无限增长。对Yin & Graham一维弹黏塑性模型进行了简要介绍,并进行了改进,结合改进模型提出一种次固结沉降起讫时间的确定方法。与常规计算公式相比,改进公式可行,且更加合理,可用于实际工程地基次固结沉降的计算。     

重塑马兰黄土渗透性试验研究

为了研究干密度和初始含水率对重塑黄土渗透性的影响,对延安新区I期工程所取的重塑马兰黄土进行了饱和渗透试验。结果表明:在非饱和状态,干密度对饱和时间的影响最为显著,饱和时间随干密度的增大而增大,而初始含水率对饱和时间的影响不明显。重塑马兰黄土的渗透系数随着干密度的增大而减小,其关系可以拟合为幂函数关系。在一定干密度范围内,渗透系数随初始含水率的增大而减小,其关系可以用直线关系拟合。渗透系数与孔隙比之间可以用幂函数关系拟合,渗透系数随孔隙比的减小而减小。初始含水率、干密度以及孔隙比都是影响重塑黄土渗透性的重要因素,其主要是通过对试样微结构的影响而影响渗透系数。该研究对延安新区的工程建设具有一定的理论指导和实际应用价值。     

原状黄土的结构性及其与变形特性关系研究

在不同含水率下对兰州、西安原状黄土进行压缩试验,根据同一压力下原状、重塑及饱和黄土的孔隙比定义了一个定量结构性参数,探讨了结构性参数随压力及含水率变化的规律性。研究表明：（1）用结构性参数随含水率及压力变化特性来研究结构性对原状黄土的压缩性、湿陷性的影响可以得到良好的规律性。（2）同一含水率下结构性参数在压力未达到结构强度以前,随压力的增大而增大;达到结构强度之后,压力增大使结构性参数明显减小或缓慢增大。（3）同一压力下结构性参数在含水率未达到结构破坏起始含水率?f之前降低很小;达到?f之后,含水率增大,使结构性参数快速减小。?f随压力的增大而减小,高压力处含水率变化对结构性参数有显著影响。（4）两地黄土在不同压力或含水率下湿陷系数与结构性参数mp关系可以归一为一条直线,即湿陷系数受结构性影响的规律是相同的。     

盐分对黏性土的沉积特性与表面电位影响研究

为了明晰黏土矿物和盐分浓度在沉积过程中所起的作用及物理机制,选取高岭土、膨润土及两者组成的混合土进行粒径分析试验、沉积试验和Zeta电位测试。结果显示,盐分环境下高岭土和膨润土的平均粒径增大,部分黏粒组向粉粒组转化。高岭土在蒸馏水环境下和盐水环境下,最终都形成土-水的稳定分界面,但是絮凝稳定时间在盐分环境下更短。膨润土在蒸馏水环境下处于稳定的分散体系中,在盐水环境下迅速絮凝沉积。混合土在蒸馏水环境下,上部澄清层和下部沉淀层之间存在土颗粒的悬浮层,且该层的高度最终稳定;盐水环境下,混合土则迅速的发生土水分离。随着NaCl浓度增加,膨润土和高岭土的Zeta电位绝对值降低,因此胶粒组的絮凝行为对平均粒径产生影响,进而影响其沉积特性。     

CaO添加顺序对废弃泥浆絮凝效果的影响

针对温州某钻孔灌注桩废弃泥浆进行了沉降柱试验和颗粒分析实验,研究有机絮凝剂APAM以及无机絮凝剂CaO对泥浆沉降性能和颗粒粒径的影响,着重探究了无机絮凝剂CaO的不同添加顺序对有机絮凝剂APAM絮凝效果的影响。结果表明：在较少APAM添加量(10 mL)下后添加CaO能增大泥浆的初始沉降量;先添加CaO再添加APAM,不利于APAM絮凝作用的发挥;后添加CaO的情况下,CaO对于最终的絮体粒径的影响主要取决于絮体本身的强度及搅拌强度。     

侧限条件下充填散体压缩承载和传力特性

充填散体的压缩承载和传力特性对防控充填开采矿山的地表变形具有重要意义。通过河卵石、碎石、尾矿、河砂、尾砂5种散体材料和7组不同粒径河卵石的侧限压缩试验,以及河卵石数值模拟压缩试验,分析了其压实过程和粒径对其变形、承载的影响,揭示了散体压缩过程中的传力特性。结果表明：散体压缩过程可分为空隙压密、颗粒破碎压密和压实固结3个阶段,且散体类型和粒径对其非线性压实过程基本没有影响,但对其内部结构重组过程有较大影响;压缩过程中,存在一个临界密实度使不同粒径河卵石的承载能力次序发生反转,且河卵石散体平均变形模量与颗粒特征因子呈负指数关系;基于河卵石数值模拟压缩试验得到的散体内部力链强度分布和“压力拱”,很好地证实了室内压缩试验中散体垂直应力沿加载方向呈递减的趋势,以及侧向应力在整个散体高度上先增后减这一试验结果。     

Model Test on Self-Weight Consolidation of the Red Mud Tailings Placed in the Karsts

The management of tailings depends on its consolidation behavior to great extent. The red mud tailings in Pingguo, Guangxi is of high water content and void ratio. The present paper takes the red mud aluminiferous tailings in Pingguo, Guangxi as prototype. Model tests were carried out to study the consolidation behavior of red mud aluminiferous tailings that were landfilled layer by layer. The layered settlement and the water discharge caused by self-weight consolidation were studied. The influence of the latter landfilled layer of red mud on the previous layer was analyzed. The results show that the settlement at the surface with time can be divided into two stages. During the first stage, a thin layer of water appeared and the thickness kept increasing at the top of the mud surface with the particle of red mud sinking. During the second stage, water drained from the mud and settlement developed slowly. Cracks developed at the surface due to evaporation and the red mud near the surface became unsaturated. When the previous landfilled layer consolidated to the degree that the water content was less than 40%, the later landfilled layer of red mud will have little influence on the settlement of previous landfilled layer.     

Crushed Salt Consolidation for Borehole Sealing in Potash Mines

Consolidation tests have been performed to determine the mechanical properties of crushed salt as affected by applied stresses and consolidation period. The crushed salt with particle sizes ranging from 0.075 to 4.76 mm mixed with 5% saturated brine are consolidated under axial stresses ranging from 2.5 to 10 MPa. The consolidation curves show instantaneous and transient strains. The densities, uniaxial compressive strengths and elastic moduli measured after consolidation for 3–180 days increase with applied stresses and time. The crushed salt properties are determined as a function of mean strain energy required during consolidation. The relations are used to predict the crushed salt properties installed in exploratory boreholes under various external pressures. Two main mechanisms strengthen and stiffen the crushed salt mass: (1) consolidation by volumetric change due to particle rearrangement and cracking, and (2) recrystallization and healing processes. The borehole depth and installation time are significant factors controlling the long-term density, strength and stiffness of the crushed salt seal.     

全尾砂-废石混合回填膏体渗透特性试验研究

塌陷区混合回填膏体是由全尾砂、废石人工制备得到的复合宽粒级散体,其渗透性能直接影响到塌陷区回填体稳定性及次生灾害发生的可能性。采用自制的渗透性试验装置,研究了废石含量、废石粒径对混合回填体渗透系数的影响,并对回填体固有特征参数（粒径小于0.075、0.02 mm颗粒含量、不均匀系数 、平均粒径）与渗透系数之间关联性进行了研究。试验结果表明,回填膏体渗透系数随废石掺量及粒径增大而增加,细粒效应显著。回填体中粒径小于0.075、0.02 mm颗粒含量对其渗透性影响至关重要,与渗透系数呈负指数关系。渗透系数随 值增大而增大。当 20时,渗透系数增加趋于稳定。给出了混合回填体渗透系数定量方程,其结果与试验结果较为一致。     

食盐析出实验对盐湖盆地沉积研究的启示

将物理模拟实验结果与地震、岩芯资料相结合,对东濮凹陷盐岩沉积的古地理位置、成因机制提出新的认识。研究认为:洼陷带的边缘、中央隆起带等浅水部位是盐岩沉积较早的部位,可以沉积厚度大、粒度小的单盐层,而靠近湖盆中心,矿物结晶时间充分,沉积的盐岩粒度大,单盐层厚度可大可小,甚至可以缺失,盐岩沉积的古地理位置受古盐度影响明显;盐湖盆地绝大多部分地区,湖水有一定深度时便已形成湖底盐层,湖水变浅时盐层已具备一定厚度,保证了其下部泥页岩的还原环境,盐岩沉积后基本保持了原有的构造形态,其上可以再次接受泥页岩沉积;湖盆边缘的渗滤带在湖水退去以后仍可以沉积盐岩,该处盐层最薄、粒度细小,下部地层常见氧化环境标志。     

考虑幂函数渗透压缩变化的双层砂井地基固结性状

采用Barron轴对称固结及大变形固结问题的某些简化与假定,推导建立了砂井地基大变形固结控制方程,利用建立的双层砂井地基大变形固结方程及编制的计算程序,通过引入软土渗透系数、有效应力与孔隙比之间的幂函数关系k =ced与e=a( )b,对瞬时加载下双层砂井地基固结性状进行算例计算。结果表明：（1）双层软土幂函数渗透关系及压缩关系中诸参数对双层砂井地基固结性状有重要影响：随着两层软土幂函数渗透关系中参数c1、c2的增加（渗透性增加）、或幂函数压缩关系中参数a1、a2的增加,各土层水平径向与竖向孔隙比减小更快,沉降发展速率与超静孔压消散速率也相应增加,且沉降发展速率快于孔压消散速率。（2）两层土在分界面处的孔隙比及平均超静孔压均出现明显的突变,将沿深度分布曲线分成形状不同的两段,表现出不同的固结性状。     

A numerical model for sedimentation from highly-concentrated multi-sized suspensions

The principal numerical approach to describing sedimentation from multi-component suspensions (Mirza and Richardson, 1979) has been applied only to systems containing two or three particle size populations, but is theoretically applicable to suspensions containing a wider range of particle sizes. In order to adapt this model to the simulation of sedimentation from natural high-density sediment-laden flows, we have conducted computational tests on the sedimentation of suspensions with up to ten particle size populations. The tests run smoothly with binary systems and sometimes ternary systems, but fail with systems containing more than three particle size populations. One cause of the discrepancy between theoretical predictions and computational tests arises from the method used to calculate the changing concentration of particles in each zone of a stratified settling suspension. In quantifying the changing sediment budget for each sedimentation zone, the equation set fails to include the apparent outflow of finer particle populations across the upper boundary of the zone. In the present study, we express the sediment budget of each particle population within each sedimentation zone as the net sediment flux, the algebraic sum of the apparent particle inflow from the zone's lower boundary and the apparent particle outflow across the zone's upper boundary. This revised model successfully predicts the evolution of multi-component suspensions containing up to ten particle size populations over the length of time required for complete sedimentation, up to 8×10⁵ seconds. It can be used to predict the sediment sorting and the vertical textural variation of beds formed by the simulated sedimentation of a multi-component suspension. The model provides the basis for future computer simulation of sedimentation from highly concentrated sediment flows and for the prediction of downslope textural and structural variations of turbidites.