NaCl溶液对土体持水特性影响的试验研究

分别采用不同浓度的NaCl溶液对低塑性黏土进行饱和,然后进行压力板和蒸汽平衡法试验,获得整个吸力范围内的土-水特征曲线（SWCC）。分析不同浓度的孔隙溶液对SWCC的影响规律,结果表明：盐分对基质吸力的影响较小,对总吸力影响较大,这主要是因为盐溶液引起的渗透吸力所致。在蒸汽平衡法试验中,随着含水率的降低,孔隙浓度增大,渗透吸力增大。然而,基质吸力随着含水率的减小迅速增大,使得渗透吸力所占的比例逐渐减小。在非饱和土中,总吸力包括基质吸力和渗透吸力;基质吸力包括毛细部分和吸附部分,当土体中含水率较低时,主要是吸附效应在起作用;渗透吸力与溶液浓度有关。根据试验结果深入分析了吸附水膜和土颗粒之间的相互作用,得出由于溶质的存在对分子间吸附力的影响规律。根据表面化学原理,建立了分子间作用力和吸附水膜厚度之间的关系,以描述处于吸附状态的土-水特征曲线。     

弱膨胀土的膨胀特性试验研究

目前测量土体膨胀力的主要方法有膨胀反压法、加压膨胀法、平衡加压法和恒体积法。基于测量膨胀力的恒体积法,利用TST-55型渗透仪、高精度压力传感器和数采系统改进了测量土体膨胀力的装置,并研究了膨胀土的膨胀特性。试验结果表明,土样初始含水率和干密度对土体的极限膨胀力都有显著的影响,并建立了极限膨胀力与两者之间的关系式;较低初始含水率时,不同干密度的土样在膨胀力达到峰值之后,都有不同幅度的降低,随着干密度的增大而降低的越多,并且发现极限膨胀力降低值与干密度之间在双对数坐标轴上存在线性关系;而在较高初始含水率时,不同干密度的土样在膨胀力达到峰值之后,会保持平稳趋势。极限膨胀力的对数与初始含水率之间具有很好的线性关系,土样吸水量的对数与初始含水率以及干密度均有着很好的线性关系。     

盐溶液饱和黏土的等向压缩特性

利用不同浓度NaCl溶液饱和黏土,进行等向压缩试验并分析渗透吸力对等向压缩特性的影响规律。试验结果表明：渗透吸力对于黏土的等向压缩行为存在明显影响,主要体现在对初始弹性压缩线斜率、初始屈服应力的影响上。随着渗透吸力的增大,初始弹性压缩线斜率增大、初始屈服应力逐渐减小;而渗透吸力对弹塑段压缩线斜率和卸荷回弹线斜率影响不大。基于等向压缩试验结果,建立了盐溶液饱和黏土的本构模型,经过验证该模型能有效地模拟盐溶液饱和黏土的等向压缩特性。此外,该模型还可以模拟恒定等向压力下渗透吸力改变引起的试样变形。该等向压缩试验结果及所建立的模型为进一步分析及模拟化学-力学耦合行为提供了数据支持和理论基础。     

大位移剪切下钙质砂破碎演化特性

为了揭示钙质砂在大位移剪切作用下的破碎及形状演化规律,对南海钙质砂进行了系列不同剪切位移下的环剪试验。首先,利用筛分和激光粒度分析获取试验后的颗粒粒径分布,分析颗粒分布变化情况;其次,通过粒径分布对破碎进行定量分析;最后,运用图像处理技术计算颗粒圆度和扁平度,分析了颗粒形状的变化情况。试验结果表明,在不同的竖向压力下,颗粒会达到不同的稳定级配,但达到稳定所需的剪切位移相同;经历大位移剪切后,出现粒径为0.01～0.075 mm钙质砂破碎严重的现象;随剪切位移的增加,颗粒的圆度和扁平度减小。针对细小颗粒破碎严重的现象,修正了相对破碎率;修正后的相对破碎率能考虑粒径为0.01～0.075 mm颗粒发生的破碎。剪切后的钙质砂颗粒更为规则,整体轮廓趋于圆形、表面更光滑。     

盐溶液饱和黏土的力学行为模拟

由于黏性土表面带有丰富的负电荷,孔隙水溶液化学状态的变化对黏性土的物理力学特性存在明显影响。随着化学-力学耦合的相关岩土工程问题日益突出,进行有效的化学-力学耦合行为的数值分析评价显得尤为重要。因此,建立一个简单有效的考虑化学-力学耦合的本构模型是非常关键的。基于传统的修正剑桥模型,提出了一个简单的化学-力学耦合模型。该模型采用渗透吸力π描述孔隙水的化学状态,建立了前期屈服应力,临界状态线斜率M和弹性刚度与渗透吸力π之间的关系式,从而实现了模型对盐溶液饱和黏性土的变形和强度特性的有效模拟。通过与试验数据的对比和分析,说明该模型能有效地模拟孔隙盐溶液饱和黏性土的等向压缩行为、 状态下压缩行为以及 状态下化学-力学循环加载行为。此外,通过对黏性土三轴压缩试验的模拟,说明该模型能反映黏性土三轴应力状态下的基本力学特征。     

基于扰动状态概念的含水合物土弹塑性模型

含水合物土是由水合物赋存在土体中形成的特殊土,其力学特性不仅与饱和度有关,和赋存模式也有很大的关系。不同赋存模式的水合物胶结结构不同,其力学特点也不尽相同。考虑含水合物土在荷载作用下胶结结构会发生破坏,采用扰动状态概念,建立含水合物土的应力-应变模型来描述胶结结构受载破坏的全过程。同时,采用水合物的有效饱和度表示的伤变量来描述含水合物土的内部结构的在受载条件下的发展规律。根据含水合物土的力学行为,采用理想弹塑性模型和摩尔-库仑模型来描述两个参考状态,形式相对简单,参数易于确定。最后通过三轴剪切试验对模型进行了检验,结果表明该模型能较为合理的模拟含水合物土在扰动过程中的变形特点。     

饱和黏土平均粒间应力的确定方法

粒间作用力是控制土体强度和压缩特性的重要参量,但由于黏土中矿物颗粒与孔隙水间存在复杂的物理化学作用,其粒间应力及其变化规律一直无法确定。对泥浆重塑样在不同水化学条件下进行了一系列黏土一维侧限压缩试验,探讨不同浓度的NaCl溶液对饱和黏土压缩过程的影响,并确定土中粒间应力的大小及其变化规律。结果表明：同一级固结应力作用下,随替换溶液浓度的增加渗透固结变形量增大;对于相同浓度的孔隙溶液,固结应力越大,相应的渗透固结变形量越小。根据太沙基有效应力原理,提出了一种利用渗透固结变形来计算平均粒间应力的方法,在此基础上确立了粒间应力（或广义渗透压力）相对变化量与浓度和孔隙比之间的定量关系。该研究提供了一种简单有效的确定饱和黏土粒间应力的方法,为今后校正和验证多场耦合下土本构理论模型奠定基础。     

矿物微孔对有机污染物吸附的机理和影响因素

有机污染物对地表和地下水环境的污染是当前环境保护领域的重要问题之一。矿物的微孔结构(2.0nm)对有机污染物在地下水环境中的长期迁移与归宿以及吸附处理污染水体方面具有重要的意义和应用价值。本文在介绍矿物微孔吸附机理的基础上,探讨了矿物孔道的表面化学性质,有机污染物本身的物理化学性质,以及水环境中的共存溶解性有机质和金属离子对有机污染物在矿物微孔中吸附的影响。     

非饱和土水-力本构模型及其隐式积分算法

在已有工作基础上建立了水力-力学耦合的非饱和土本构模型,在硬化方程中考虑饱和度的影响,同时在土水特征曲线中考虑了塑性体变的影响,从而使模型可以反映非饱和土中的毛细现象与土中弹塑性变形现象的耦合行为。采用隐式积分方法,建立了非饱和土耦合模型的数值模型,并推导了得到了水力-力学耦合的非饱和土的一致切线模量。利用该算法编制了本构模型计算的子程序,使其能向外输出切线刚度矩阵,用于有限元计算。为了验证该算法和程序的正确性,用所编制程序对不同路径下的土体行为进行了预测。通过预测结果与试验结果相对比,表明程序预测结果与试验数据相吻合,模型可以较好地模拟土体的水力-力学耦合行为特性。     

气饱和含CO2水合物砂的三轴压缩试验

在改造的高压低温三轴仪中采用过量气法制备了气饱和状态的含CO2水合物砂样,并进行了三轴压缩试验。以水合物饱和度为指标对过量气制样法的可重复性进行分析后发现,受孔隙阻隔效应的影响,虽然利用高的初始水饱和度的砂样可以制成高的水合物饱和度的含水合物砂,但是制样的可重复性低;试验表明,采用过量气法制取水合物饱和度低于40%的含水合物试样的可重复性较好。三轴试验结果表明,含水合物砂的剪切和变形特性与水合物饱和度和净围压密切相关：随净围压的增大,试样的强度、刚度、塑性和压缩性都增大,随水合物饱和度的增加,试样的强度和刚度增加,塑性和压缩性降低;黏聚力随水合物饱和度的增加而增加,但摩擦角并没有明显的变化。