热-水-应力耦合条件下三项因素对核素迁移影响的有限元分析

目前在放射性核素随地下水迁移的研究中还很少涉及温度场和应力场的影响。针对这一问题,引入渗透迁移方程,将所开发的饱和-非饱和孔隙介质中热-水-应力耦合弹塑性模型及其二维有限元程序进行了扩展和改进,使之可以同步地对温度场、渗流场、应力场和放射性核素浓度场的变化进行解析。对一个假想的核废料处置库算例,通过分别改变影响地下水中核素迁移的3个因素：渗透系数、分配系数和分子扩散系数,考察了在热-水-应力-迁移耦合作用条件下近场放射性核素浓度的分布及变化,从而认识到：当缓冲层的渗透系数小到一定程度后,缓冲层中核素迁移基本不再受渗流场的影响;缓冲层分配系数越小,分子扩散系数越大,核素迁移越快。     

压实黄土非饱和渗透系数试验研究

压实黄土非饱和渗透特性具有重要的工程意义。对不同干密度的压实黄土试样,采用非饱和导水率测定系统进行非饱和渗透系数量测,得到不同干密度压实黄土的渗透系数与吸力的关系。试验结果表明：渗透系数随吸力的增大而成非线性减小,随干密度的减小而增大;在低吸力时,干密度对渗透系数的影响较大;在较高吸力时,干密度对渗透系数的影响较小。进一步给出了压实黄土的渗透系数模型并进行回归分析,得到各Wind幂函数模型参数与干密度的关系,建立了基于干密度的压实黄土渗透系数的确定方法。     

原状与重塑黄土冻融过程渗透特性对比试验研究

通过冻融条件下西安Q₃原状和重塑黄土的电镜扫描观测和三轴固结渗透试验,对比分析了冻融作用对原状和重塑黄土渗透特性的影响规律。结果显示:冻融条件下原状与重塑黄土微观结构均发生明显变化,土体胶结连接强度变差且颗粒排列更加松散,孔隙比增加,渗透性增强。冻融作用对原状和重塑黄土表面结构破坏均较严重,但原状黄土表面结构破坏程度较重塑黄土更为强烈;冻融过程产生的裂缝使得土中水分渗流和迁移的通道形成,导致原状与重塑黄土体渗透性增强。冻融条件下原状与重塑黄土渗透系数随含水率增加均先增大后减小,表现出抛物线变化特征;渗透系数随冻融次数增加均先增大然后趋于稳定,表现出指数增大特征;渗透系数随围压增大均先减小然后趋于稳定,表现出指数下降特征;相同条件下原状黄土渗透系数高于重塑黄土;原状与重塑黄土渗透系数差异随围压增大逐渐减小。     

原位非饱和黄土渗透系数研究

非饱和渗透系数为非饱和黄土分析中的关键参数,是基质吸力或体积含水率的函数,具体为何种函数关系尚难有定论,且非饱和渗透系数测定较为困难,运用土-水特征曲线间接推导具有较大随机性,稳态法及室内瞬态剖面法需考虑土体扰动影响。为此用原位瞬态剖面法处理黄土地区降雨入渗监测数据,得到黄土的非饱和渗透系数与体积含水率之间的关系,同时引入了田间测定非饱和渗透系数的θ法,二者计算结果具有较高的吻合度,证明了θ法的适用性。此外,基于不同时间体积含水率对深度的变化,提出用对数曲线拟合体积含水率与深度的关系,并应用到瞬态剖面法数据处理中,用此关系对θ法的一个基本假定进行了修正,得到了更接近实际的结果。     

放射性核素在不同介质中的迁移研究进展

从受关注的放射性核素、不同介质及实验模拟等方面,对当前放射性核素在不同介质中的迁移研究进展进行了较为全面的分析总结。提出了今后放射性核素迁移的重点研究方向:①核素在多介质之间的迁移研究;②核素在三维空间的迁移模式研究;③核素在非均匀介质中的迁移规律研究,特别是对其滞留机制的研究。     

干密度及冻融循环对黄土渗透性的各向异性影响

黄土作为特殊土之一广泛分布于我国中西部季节性冻土地区,以具有明显各向异性的西安Q3原状黄土为研究对象,采用GDS三轴渗透仪测量不同干密度原状黄土竖直向及水平向渗透系数。结果表明,原状黄土水平向渗透系数大于竖直向渗透系数,水平向渗透系数和竖直向渗透系数均随干密度增大而减小;原状黄土渗透各向异性随干密度增大而增强。在封闭系统下用冻融循环箱对干密度相同而初始含水率不同的原状黄土进行冻融试验,结果表明冻融后试样水平向及竖直向渗透系数均随冻融时试样初始含水率的增大而增大;冻融后黄土渗透各向异性随冻融时试样初始含水率的增大而减弱。随着冻融次数增加,黄土水平向及竖直向渗透系数先增大然后趋于稳定;黄土渗透各向异性随冻融次数增加而显著改变,表现在黄土的水平向渗透系数与竖直向渗透系数比值随着冻融循环次数的增加而减小。最后通过观测黄土的微观结构分析了其对黄土渗透性的重要影响。     

温度变化条件下重塑黄土水分迁移试验

土体内部由于所处环境差异会造成水分场的不均匀分布,为了探究不同影响因素下重塑黄土水分迁移的规律,配置不同干密度、初始含水率水平的重塑土样,在不同温度梯度、不同温度水平下进行重塑黄土水分迁移室内试验,分析在4种不同因素变化下黄土体内部水分场的变化规律及机理。结果表明:土样两端施加的温度梯度越大,水分迁移速率就越快,温度势是引起土体内部水分迁移的主要驱动力;土样的干密度越大,基质势越大,同时渗透系数越小,阻碍了水分的迁移,故水分迁移速率越慢;当土样含有较大的含水率时,由于渗透系数较小,造成迁移速率较小,当土样初始含水率较小时,由于总土水势较小,造成迁移速率较小,当初始含水率在一定范围内时,其迁移速率较快;在土样两端施加的温度水平越低,导致总土水势越大,故水分迁移速率越快。      

晚更新世黄土渗透性的各向异性及其机制研究

非饱和黄土的渗透性是非饱和黄土性质的重要组成部分。研究黄土不同方向的渗透性对确定其湿陷范围和由于水的渗透引起的黄土滑坡具有很重要的理论意义。研究了黄土渗透性的各向异性特征及其机制。以具有明显各向异性的西安Q3原状黄土为研究对象,用TEN型张力计测量了黄土试样不同方向的、不同含水率下的吸力;用变水头渗透试验测量了黄土竖直和水平方向的饱和渗透系数。结果表明,当体积含水率在23%～41%时,张力计沿不同方向插入土样所测吸力相差不大;竖直方向的饱和渗透系数是水平方向的4.02倍。在吸力测量的基础上,根据土-水特征曲线,确定了竖直和水平方向的非饱和黄土的渗透系数。得出在黄土不同方向,随着吸力的增大或减小,渗透系数减小或增大;竖直方向的渗透系数普遍地大于水平方向的渗透系数;当吸力小于57 kPa时,随着吸力的增大,竖向渗透系数与水平向渗透系数的差值减小。通过观测黄土的结构,得出黄土结构对其渗透性有重要影响。     

延安Q3原状黄土渗透各向异性及微结构分析

为研究原状马兰黄土的渗透各向异性,以延安削山造地重大工程开挖所揭露的完整黄土剖面中的马兰黄土层为研究对象,采用室内变水头渗透试验获取不同埋深不同渗流时长原状黄土垂直向和水平向的渗透系数,并对试验前后黄土试样垂直向和水平向SEM（scanning electron microscope）电镜扫描结果进行分析,从微观结构上揭示原状马兰黄土结构各向异性的原因。结果表明：原状黄土垂直向和水平向饱和渗透系数具有显著各向异性,且垂直向和水平向渗透系数都随渗流时间的持续而减小,各向异性渗透性能在时间尺度上具有某种衰减关系;同时,原状黄土各向异渗透性能随埋深的增大而逐渐减弱;土颗粒结构的接触、排列方式是导致黄土原生各向异性的根本原因,也是导致渗流初始阶段渗透系数各向异性的原因,而渗流作用产生的次生结构各向异性则使渗透系数各向异性在时间尺度上表现得更为明显。     

多种计算方法确定黄土渗透系数的对比分析

渗透系数是工程降水设计重要的水文地质参数之一,由于水文地质本身的复杂性和计算的多样性,致使渗透系数计算值往往存在着较大的差异。而对于渗透系数的计算模型较多,究竟哪种数学计算模型比较接近黄土渗透性的实际情况,不同的专家有不同的观点。以西安地铁四号线火车站地下车站段抽水试验为例,运用了完整井稳定流中的单井法、带观测井法考虑井损的单井法数学计算模型,非完整井稳定流数学计算模型,水位恢复法数学计算模型3种方法综合确定黄土的渗透系数。分析对比了各种数学计算模型优缺点,给出了计算黄土渗透系数较为合理的数学计算模型。     

垃圾土渗透性和持水性的试验研究

通过室内常水头试验测定了垃圾土的饱和渗透系数,通过室内压力板仪试验测得垃圾土的土-水特征曲线。基于土-水特征曲线预测了垃圾土的非饱和渗透系数,并通过室内入渗试验进行了初步验证。常水头试验得到深层、中层和浅层垃圾土的饱和渗透系数分别为3.56×10-4、3.50×10-3、4.81×10-2 cm/s。土-水特征曲线试验表明,垃圾土饱和含水率和残余含水率较高,进气值很小,土-水特征曲线在低基质吸力时存在陡降段,其中浅层垃圾土的陡于深层垃圾。验证试验表明,预测得到的非饱和渗透系数与实测结果接近,基于土-水特征曲线预测垃圾土非饱和渗透系数的方法基本可行。     

压实黄土水分入渗规律及渗透性试验研究

为了研究压实黄土中的水分垂直入渗规律和非饱和渗透系数函数,在实验室内利用一维土柱垂直入渗模型试验装置,对两组压实黄土土柱试样分别进行了常水头入渗和降雨入渗试验。得到主要结论如下:（1）常水头入渗试验中,累积入渗量和湿润锋前进距离都随入渗时间呈幂函数形式增长,累积入渗量和湿润锋前进距离之间存在线性关系。入渗率在入渗初期最大,之后随入渗时间而快速降低,并在土柱试样底部出水以后达到稳定,且与湿润锋前进距离呈反比关系。（2）降雨入渗试验中,得到两组试样入渗过程中土-水特征曲线数据,分别用van Genuchten模型和Fredlund-Xing模型对两组试样进行了特征曲线拟合。并利用瞬时剖面法处理了入渗过程中水分和水势传感器的监测数据,得到两组试样的非饱和渗透系数,并拟合得到非饱和渗透系数与体积含水率之间的指数函数关系式。同时,采用van Genuchten和Fredlund等渗透系数模型分别对两组试样的非饱和渗透系数进行预测,通过对比模型预测结果和瞬时剖面法实测值,发现van Genuchten渗透系数模型预测结果更接近实测值。     

混合型缓冲回填材料非饱和水分扩散试验研究

设计了专门的浸水试验装置,测定了膨润土-石英砂混合物在非膨胀条件下吸水引起的水分分布及膨胀应力变化,研究了混合型缓冲回填材料非饱和水力学性质。试验结果表明,干密度约1.70 g/cmP3、掺砂率为30%的GMZ001膨润土-砂混合物的水分扩散系数与含水率的关系呈U型变化,即随着含水率增加,汽态水分扩散系数减小,液态水分扩散系数增大。根据理论推导建立非饱和导水率估算方程。计算发现,混合物的非饱和导水率随含水率的增大而增大。其中,汽态水分非饱和导水率先增大后略有减小,液态水非饱和导水率始终增大。试验发现,试样吸水后干密度趋于均匀化,试样内部不同位置的应力发展与水分迁移过程密切相关：渗入端的应力在入渗初期增长很快,随后减慢;渗出端的应力持续稳定增长;入渗96 h后,两端应力趋于一致。估算出的水分扩散系数及非饱和导水率,可用于评价混合型缓冲回填材料阻隔核素迁移安全性。     

Effects of lime treatment on the hydraulic conductivity and microstructure of loess

Lime treatment of loess in foundation engineering modifies the soil structure, leading to changes in mechanical and hydraulic properties of soil, which in turn will affect the flow of water and transport of contaminants in the loess. In light of this, it is essential to identify the dominant effects of different lime treatments on hydraulic conductivity, and to ascertain the optimum lime treatment. For this purpose, we investigated the effects of dry density and lime content on changes in hydraulic conductivity and microstructure of loess in Yan’an City, China. The results indicate that hydraulic conductivity has a log negative correlation with dry density, and lime addition can result in a decrease of hydraulic conductivity of loess at the same dry density. Under a given degree of compaction, however, lime addition can lead to a decrease in dry density due to an increase in flocculation and aggregations. The significant decrease of dry density leads to an increase in hydraulic conductivity when lime content (in mass percentage) is lower than 3%. Nevertheless, when lime content is higher than 3%, the reactions between loess particles and lime will be intensified with an increase in lime content, and become the primary factors affecting pore characteristics. These reactions can further decrease the hydraulic conductivity of lime-treated loess, and the lowest hydraulic conductivity was obtained for lime-treated loess with 9% lime content. The excess lime (above 9% lime content) dramatically increased pore size, leading to a significant increase in hydraulic conductivity. Therefore, 9% is the optimum lime content for loess treatment, and the degree of compaction in engineering should be higher than 95%. In addition, statistical analysis of microstructure of lime-treated loess shows that the distribution trends of macro- and meso-pores coincided with that of saturated hydraulic conductivity, which indicates that lime content affects saturated hydraulic conductivity of lime-treated loess by changing the soil structure, especially the properties of pores larger than 8 µm.     

含节理黄土渗流数值模型研究

本文建立了在考虑黄土中有节理存在时,水分场数值计算的有限元方法。采用质量守恒的观点推导了质点元中饱和度的变化与流速的关系。进而利用达西定律得到以水头为变量的渗流基本方程。针对黄土垂直节理的渗流特点,确定了节理渗流基本方程中的参数。采用四边形等参元,利用Galerkin加权余量法建立考虑节理影响的黄土非饱和渗流的有限元形式。对局部水头边界条件下的黄土节理二维水分入渗问题进行了数值分析。结果表明,节理对黄土场地湿润峰的迁移有很大影响。     

非饱和黄土水蒸气扩散规律模型试验研究

黄土强度受含水状态的影响作用较为显著,其随含水状态的周期性变化而变化,进而引起一系列病害。为研究非饱和黄土中水蒸气和温度的扩散运移规律,通过室内填筑模型试验,在重塑黄土中通入高温高压水蒸气,分析了非饱和重塑黄土中水蒸气和温度扩散运移规律。试验结果表明:在非饱和重塑黄土中,水蒸气扩散范围近似为椭球形;水蒸气扩散速率沿径向逐渐减小,增加蒸气压,蒸气扩散速率、扩散范围和增湿程度都将增大;蒸气压在加速水分扩散的同时,加速了温度的运移,气压为50 kPa土体升温速率约为0.75 ℃ ·min-1,气压为200 kPa时升温速率1.12 ℃ ·min-1;土体密度越大,水蒸气扩散时受到土颗粒的阻碍越大,随着水蒸气径向扩散距离增大,这种阻碍作用越显著,含水率减小的量值越大。     

土壤非饱和导水率模型中参数的敏感性分析

针对邵明安根据再分布过程得出的非饱和导水率模型,对其中参数的敏感性进行分析,通过实测资料计算非饱和导水率对不同参数的敏感度,对比参数对非饱和导水率的影响程度。研究表明采用线性关系表示土壤湿润剖面的平均湿度和湿润锋处湿度之间的关系时,非饱和导水率对参数的敏感性比其他参数高得多。