侵蚀环境中碱渣-矿渣固化淤泥的力学性质

为扩展碱渣和矿渣等工业固体废弃物的资源化利用途径,以碱渣和矿渣为固化剂对淤泥进行固化处理,开展侵蚀环境条件下固化淤泥试样的表观和无侧限抗压强度等性质试验研究,探讨侵蚀溶液对固化淤泥的作用机理。研究表明,自来水和30 g/L的NaCl溶液浸泡时,标准养护28 d的固化土表面完整性较好,试样密度随浸泡时间的增加而增大;15 g/L的MgSO4溶液和NaCl-MgSO4混合溶液浸泡时,固化土表面受到明显侵蚀,随着浸泡时间的增加,侵蚀程度逐渐加深,试样体积、质量和密度呈减小趋势。当浸泡时间从28 d增至42 d时,自来水浸泡试样的无侧限抗压强度增大,溶液浸泡试样的无侧限抗压强度基本保持不变;浸泡导致试样的延性增强,抵抗变形的能力减弱。在浸泡时间相同的条件下,MgSO4和NaCl-MgSO4混合溶液浸泡时固化土强度约为自来水和NaCl溶液浸泡时强度的一半,抵抗变形的能力也较弱。钙矾石、水化氯铝酸钙等水化产物的形成使碱渣-矿渣固化淤泥抗NaCl侵蚀能力强,但由于侵蚀作用形成微观裂隙及疏松结构导致其抗MgSO4侵蚀能力较弱。     

钢纤维陶粒混凝土抗氯离子侵蚀性能的研究

在近海水文环境下,混凝土全地下结构以及重要建筑的基础通常需要面临地下海水水质的中、强等腐蚀,因此提高建筑基础混凝土结构的耐酸碱性能对于其安全性显得尤为重要。文章以基体强度等级（LC20、LC30、LC40、LC50）、钢纤维体积率（0%、1%、1.5%、2%）、侵蚀制度、氯盐溶液浓度（NaCl浓度3%、7%）为试验变化参数,研究不同因素对钢纤维轻骨料混凝土（SFRLC）损伤程度的影响规律,并根据该影响侵蚀规律建立SFRLC的氯离子侵蚀模型,分析SFRLC抗氯离子侵蚀性能的作用机理;根据氯离子侵蚀的试验结果和性能衰减规律,提出SFRLC的寿命预测评估模型。     

致密砂岩高围压和高孔隙水压下渗透率演化规律及微观机制

深部岩石工程具有高地应力和高水头压力的特点。为了研究岩石在高围压和高孔隙水压条件下渗透率演化规律,选取致密砂岩开展不同围压条件下变孔隙水压的渗流试验。研究结果表明:(1)在所研究的围压范围内(0~50 MPa),随孔隙压力增加,渗透率依次呈现3种不同的变化趋势,即快速增长阶段(围压为10~20 MPa)、缓慢增长阶段(围压为30~40 MPa)和保持恒定阶段(围压为50 MPa);在围压卸载时,由于高围压作用使试样内部产生不可逆变形,导致渗透率具有明显的不可恢复现象,且随围压降低,渗透率恢复存在滞后效应。(2)渗流试验过程中,体积应变和渗透率演化具有较好的一致性。(3)在围压加卸载过程中,高孔隙水压力条件下渗透率对应力的敏感程度和恢复程度均大于低孔隙水压力。(4)偏光显微镜图像从微观角度揭示了试样在围压加卸载过程中产生不可逆变形的内在机制:骨架颗粒相互挤压、错动导致原有微裂隙压缩、孔隙减小甚至坍塌,引起渗透率不可恢复。渗流试验后,纵波波速增大,说明岩石致密性提高,与试样内部微观结构变化具有较好的一致性。     

水泥土在侵蚀环境中的试验研究和等效分析

拱北隧道是港珠澳大桥连接线的重要组成部分,隧道基底采用水泥土加固体处理。在加固体所处的环境中,由于地下承压水与海水相连,海水中所含的侵蚀性离子易对加固体产生一定的影响。通过室内试验和理论推导,研究侵蚀环境下水泥土的力学性能和耐久性。自制水泥土试块并模拟侵蚀环境,水泥土试块在侵蚀环境中浸泡时间分别为90、180、270 d,对浸泡后的水泥土试块进行无侧限抗压试验。试验结果表明：在侵蚀环境的影响下,水泥土试块强度的最大值出现在90～ 270 d之间。浸泡时间超过90 d,氯化镁和氯化钠的混合溶液（MCN）使水泥土试块的抗压强度表现出明显的衰减响应。在低浓度（1.5 g/L和4.5 g/L）条件下,MSN中的硫酸镁与水泥土中的3CaO•2SiO2•3H2O充分反应,使水泥土的抗压强度达到最高值,同比情况下对水泥土的抗压强度损伤最小。在相同的浓度下,氯化镁对水泥土试块的抗压强度影响比硫酸镁大。从化学动力学基本原理出发,基于硫酸镁与水泥水化产物的化学反应过程,推导得出侵蚀性溶液浓度与侵蚀时间之间的关系式(C1/C2)β=t2/t1,即当水泥土被侵蚀后达到同等抗压强度时,侵蚀性物质浓度的反应级数次方与侵蚀时间成反比。根据公式,可以通过较高浓度的侵蚀性溶液对水泥土试样浸泡较短时间条件下的强度试验结果,预测分析较低浓度的侵蚀性溶液对水泥土试样浸泡较长时间条件下的水泥土强度。最后结合试验数据对理论结果进行了验证。     

基于砂岩型铀矿原状岩心的渗流特性试验研究

为研究不同围压、不同组合形式下疏松砂岩的渗透率变化规律,以砂岩铀矿原状岩心为试验对象,采用自行研制的HKY-1型长岩心渗流试验仪进行了应力-渗流耦合试验。笔者分别从围压、排列次序和长度占比三个方面开展试验研究,结果表明:1)梯度围压条件下,两段岩心组合后的整体渗透率与围压呈负相关,符合二次多项式函数衰减规律;2)围压梯度递增,多段岩心组合中不同岩性试样孔隙尺寸的差异逐渐减小,细砂岩的排列次序对整体渗透率的影响也随之减弱;3)5 MPa围压作用下,当两种试样长度占比为1∶1时,组合试样的整体渗透率与目标试样长度占比之间的变化规律符合幂指数分布,粗砂岩组递增,细砂岩组递减,中砂岩组为近似水平分布。     

不同温度条件下饱水风化花岗岩强度及变形特性分析

为研究温度和围压对风化花岗岩抗压强度、 剪切强度参数及变形特性的影响规律, 以新疆天山某一矿区的风化花岗岩为研究对象, 对不同温度（15、 -5、 -15 ℃）、 不同围压（0、 4、 7、 10 MPa）条件下的饱水风化花岗岩进行单轴和三轴压缩试验。结果表明： 相同温度条件下, 围压在0 ~ 10 MPa变化时, 风化花岗岩三轴抗压强度随围压线性增大。在相同围压下, 抗压强度随温度的降低而明显提高, 风化花岗岩的黏聚力c随温度降低而增大, 内摩擦角φ随温度的降低呈增长趋势。弹性模量随围压的增大不断提高, 但随着温度的降低, 增长幅度逐渐减小。泊松比也随温度降低和围压的增加呈增大趋势。温度和围压对风化花岗岩试样的破坏形态影响机制不同。温度降低使矿物颗粒及内部的微裂纹和间隙收缩, 进而胶结强度增大; 荷载和围压的增大会使岩石内部形成微裂隙并逐渐贯通, 同时孔隙冰破碎裂隙充分接触, 进一步增加摩擦力提高岩石强度。     

温度和模拟渗滤液作用下黏土的渗透性能

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50kPa增大至200kPa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。     

地下结构混凝土渗透特性试验研究

根据地下结构承受水压及构件存在裂缝的情况,采用自制混凝土试块模具、自制可控开裂混凝土装置、自制可控压力水头装置、裂缝测宽仪组成的试验系统,在不同水压、氯离子浓度、裂缝宽度以及浸泡时间等工况下进行了开裂混凝土渗透特性试验。试验结果表明：当其他试验条件相同时,压力水头下与自然浸泡状态下的氯离子运移规律有明显的差异,压力水头作用下混凝土各层自由氯离子含量均有明显的提高;存在控制氯离子浸泡溶液运移的裂缝宽度阈值,且该阈值不受水头压力大小的影响。该试验方法可作为同类研究的借鉴和参考。     

考虑微结构特征的黄土动力特性影响因素研究

选取1920年海原地震震中滑坡密集分布区宁夏回族自治区西吉县庞湾乡的黄土,分别进行了不同围压,不同含水率条件下的原状、重塑土动三轴试验。结合动三轴试验前后的微观变化图像,探讨围压和水分对黄土试样土颗粒的作用机制,从微结构的角度阐释了两者对黄土动力特性影响的特点。研究结果表明:所取试样动剪切模量与动剪应变的关系可以用H-D模型的推导式拟合,随含水率增加,围压减小,参数a,b值增大;水分在原状试样和重塑试样的作用不同,随着含水率的增加,动剪切模量降低,阻尼比增大,原状试样动剪切模量和阻尼比的变化速率先快后慢,而重塑试样相应值的变化速率先慢后快;除了水分和围压等外在条件的影响,土样本身土体的微观特征如孔隙分布、颗粒大小、粒间间距、联结方式、密实程度等因素对土体动剪切模量和阻尼比等宏观特性产生重要影响。     

某高层住宅楼氯离子污染地基的处理

毗邻化工厂的某高层住宅楼地基上,长期遭受氯离子的侵蚀,该化工厂排放废水的氯离子含量高达75000mg/L。根据《岩土工程勘察规范》（GB50021－94）对其腐蚀性进行评价,认为住宅楼东面地基土对混凝土具有中等以上的腐蚀性。为防止氯离子渗过基坑腐蚀住宅楼混凝土基础,采用水泥搅拌桩形成防渗墙隔断氯离子的渗透;基坑开挖后,采用换土垫层法进行处理,以过量的水泥隔断氯离子渗透,可有效防止氯离子通过基坑底部对基础产生腐蚀。     

渗滤液水位以下垃圾体产气对孔隙压力影响研究

为了研究渗滤液水位以下产气对孔隙压力的影响,从孔隙气在渗滤液水位以下特定的流动状态出发,采用峰值产气模型,结合了达西定律、理想气体状态方程和多孔介质流体动力学理论,建立了渗滤液水位以下考虑产气作用的气液迁移模型。运用差分法对产气引起的气液迁移问题进行了数值求解。计算结果表明,渗滤液水位以下垃圾体的产气对孔隙压力的影响主要有渗滤液渗流引起的附加孔隙压力和水位升高引起的附加孔隙压力,按孔隙气所处阶段的不同可以分为孔隙气被封闭时孔压积聚阶段、孔隙气突破孔隙水封闭时的孔压急剧消散阶段以及由对流作用控制的气液运移阶段;高产气速率、高渗滤液水位和低渗透系数都会使得垃圾体内产生较高的孔隙压力;降低填埋场内渗滤液水位是减小产气对孔隙压力影响的有效措施。     

循环荷载下含层理页岩渗透特性试验研究

深入理解含层理以及含宏观裂缝页岩在循环荷载扰动下渗透率的演化规律,对于页岩气隧道安全施工而言意义重大。利用GCTS岩石力学测试系统对含轴向层理及轴向宏观裂缝页岩试件在循环轴向应力和循环围压下渗透率的演化规律开展相关试验研究。结果表明：含轴向层理页岩试件渗透率随轴向应力的加载和卸载基本不发生明显改变,而随围压增加以负指数的形式下降,随围压的减小以指数的形式增加;含宏观裂缝页岩试件的渗透率随轴向应力的加、卸载近似以线性形式降低和增加,而随围压的增大以负指数形式下降,随围压的减小以指数形式增加;含轴向裂缝页岩试件的渗透率相较含轴向层理页岩试件而言有大幅提升,其二者比值约为9倍左右;页岩试件对围压的敏感性约为轴向应力的26倍;试件渗透率几乎不随轴向应力循环次数发生明显改变,而随围压循环次数的增加呈负指数式下降,且其降幅主要集中在第1循环阶段内。研究成果可对页岩气隧道的安全施工提供一定的理论支撑。     

水-岩作用下单裂隙灰岩渗流特性演化规律研究

针对某水电站地下洞室裂隙灰岩的渗漏问题,现场采集岩样和库水,设计进行了两种方案的水-岩作用试验,历时360 d,其中,方案1在浸泡过程中定期更换浸泡溶液,模拟地下水的长期浸泡和流动更新现象,方案2主要模拟长期浸泡过程。综合水-岩作用下裂隙面微观形貌特征以及浸泡溶液中离子浓度变化,分析水-岩作用下裂隙灰岩的渗流特性变化特征及机制。研究结果表明：在浸泡过程中,单裂隙灰岩的渗透系数呈“先快后慢”的增大趋势,浸泡360 d后,2.5、3.0、3.5、4.0 MPa等4种侧向应力在两种方案下单裂隙灰岩的渗透系数分别增大了729.90%～384.17%、549.04%～297.45%,侧向应力越小,裂隙岩样的渗透系数增大趋势越明显,增长趋势分别在120 d和90 d后趋于稳定。比较而言,方案1裂隙灰岩的渗透系数增长速率和幅度明显较大,为方案2的1.34～2.07倍。方案1定期更换浸泡库水,保持了浸泡溶液的不平衡状态,使得岩样与浸泡溶液间形成了较大的浓度梯度,增加了反应化学势,加快了裂隙表面矿物溶解、溶蚀速率,而方案2中,长期浸泡使得溶液中离子浓度逐渐接近平衡状态,导致裂隙面矿物溶解、溶蚀速率明显低于方案1。长期水-岩作用使得裂隙面粗糙度和波动性明显减小,局部坡度和起伏度逐渐减小,整体溶蚀深度逐渐增加,据此,建立了水-岩作用下单裂隙灰岩渗流通道演化模型,在长期水-岩作用下裂隙岩样的渗流通道逐渐向吻合度低、开度大的方向演化,从而导致了裂隙岩样等效水力开度及渗透系数的大幅度增长。相关研究思路和成果为裂隙岩体的水-岩作用模拟提供了较好的参考。     

峰后围压卸载对原煤变形和渗透特性的影响

运用自主研制的煤岩热-流-固耦合试验系统,以原煤为研究对象,进行峰后轴压保持在不同应力水平下围压的卸载试验,以分析围压卸载对原煤变形特性和渗透特性的影响。研究结果表明：通过径向应变 、轴向应变 和体应变 的不可恢复变形量以及三者在力加载过程中的响应程度来定义损伤变量,满足损伤变量的变化区间[0, 1],并以此计算煤样在卸载过程中的损伤量,得到在峰后轴压 保持不变,对围压 进行卸载时,损伤量D随着 的减小而增大,煤样的损伤程度越来越大;当轴压卸荷到不同应力时,煤样的渗透率随围压卸载次数的增加而增大,表明当 减小时, 对渗透率的影响越来越重要,同时煤样内部的孔隙裂隙以发育、扩展、延伸为主。此外,渗透率k在 卸载初期,几乎不增加;当 继续卸载时, 开始增大,并且斜率越来越大,表明煤样的损伤加剧。当保持 不变,对 进行卸载时,相当于摩尔应力圆半径增大,煤样向破坏的趋势发展,发生二次破坏的可能性增大。随着 的卸载,卸围压前 越大,摩尔应力圆半径越大,煤样的承载能力就越弱,更易发生煤样的二次破坏,表现在煤样的轴向应变 和径向应变 发生突变。     

水-土作用对土体渗透系数的影响研究

随着环境的改变,水质成分日趋复杂,水-土作用对土体性能的影响越来越明显。针对这一情况,考察了不同种类、不同浓度及不同pH值溶液对土体渗透系数的影响。结果表明,水-土作用对土体渗透系数存在正负两个方向的影响,且影响显著,对土体SEM照片分析后发现,水土之间通过阳离子交替吸附作用和溶蚀及结晶沉淀作用,使土体微观形貌及孔隙特征发生变化,最终导致其渗透性发生改变。     

突出危险煤渗透性变化的影响因素探讨

通过对突出危险煤渗透性试验研究,系统分析了不同围压、不同瓦斯压力和不同应力-应变状态条件下突出煤样的渗透特性,分别建立了突出危险煤的渗透性与围压、瓦斯压力和应力-应变等主要控制因素之间的定性和定量关系,探讨了不同载荷条件下突出危险煤渗透性的控制机制和变化规律。研究结果表明,载荷条件对突出危险煤的渗透性具有重要影响：(1) 在固定瓦斯压力条件下,突出危险煤样的渗透率随围压的增大而减小,且服从指数函数变化规律。(2) 在固定围压条件下,受Klinkenberg效应影响,渗透率与瓦斯压力之间大致呈“V”字型变化;Klikenberg效应发生在瓦斯压力p < 1 MPa的范围内。(3) 在三轴压缩下的应力-应变全过程中,不同载荷条件下突出危险煤样的渗透率-应变曲线变化趋势几乎一致,且都呈“V”字型走势;在微裂隙闭合和弹性变形阶段,煤样渗透率随应力增大而减小;进入屈服阶段后,渗透率达到最小值并在峰值强度到达之前完成反超过程;峰值强度之后渗透率持续增大直至试验结束;煤样渗透率反超后的变化要较反超前变化平缓。     

莫高窟崖体可溶盐分布特征研究

通过对莫高窟崖面不同高度取样,运用经典溶液化学的研究方法,调查研究莫高窟崖体中所含硫酸钠(Na2SO4)和氯化钠(NaCl)以及中溶盐硫酸钙(CaSO4.2H2O)的分布。经过水化学分析,浸出液的水化学类型主要为SO4.Cl—Ca.Na型,离子为引起壁画疱疹、粉层起甲、颜料层粉化、颜料层片状脱落、壁画地仗酥碱的主要成分。同时,查明了莫高窟崖体物质组成,数据显示,崖面砾岩以大孔隙为主,渗透性变化范围广,有利于盐分溶液渗透。分析结果表明,莫高窟崖体上盐分随高度的分布规律受地表淋滤下渗和历史上风积沙掩埋期的毛细上升等综合因素影响,且后一种作用引起的盐分聚集有可能是底层洞窟壁画病害的主要原因。     

Experimental Studies on Permeability of Intact and Singly Jointed Meta-Sedimentary Rocks Under Confining Pressure

Three different types of permeability tests were conducted on 23 intact and singly jointed rock specimens, which were cored from rock blocks collected from a rock cavern under construction in Singapore. The studied rock types belong to inter-bedded meta-sandstone and meta-siltstone with very low porosity and high uniaxial compressive strength. The transient pulse water flow method was employed to measure the permeability of intact meta-sandstone under a confining pressure up to 30 MPa. It showed that the magnitude order of meta-sandstone’s intrinsic permeability is about 10^?18 m². The steady-state gas flow method was used to measure the permeability of both intact meta-siltstone and meta-sandstone in a triaxial cell under different confining pressures spanning from 2.5 to 10 MPa. The measured permeability of both rock types ranged from 10^?21 to 10^?20 m². The influence of a single natural joint on the permeability of both rock types was studied by using the steady-state water flow method under different confining pressures spanning from 1.25 to 5.0 MPa, including loading and unloading phases. The measured permeability of both jointed rocks ranged from 10^?13 to 10^?11 m², where the permeability of jointed meta-siltstone was usually slightly lower than that of jointed meta-sandstone. The permeability of jointed rocks decreases with increasing confining pressure, which can be well fitted by an empirical power law relationship between the permeability and confining pressure or effective pressure. The permeability of partly open cracked specimens is lower than that of open cracked specimens, but it is higher than that of the specimen with a dominant vein for the meta-sandstone under the same confining pressure. The permeability of open cracked rock specimens will partially recover during the unloading confining pressure process. The equivalent crack (joint) aperture is as narrow as a magnitude order of 10^?6 m (1 μm) in the rock specimens under confining pressures spanning from 1.25 to 5.0 MPa, which represent the typical ground stress conditions in the cavern. The in situ hydraulic conductivity measurements conducted in six boreholes by the injection test showed that the in situ permeability of rock mass varies between 10^?18 and 10^?11 m². The lower bound of the in situ permeability is larger than that of the present laboratory-tested intact rock specimens, while the upper bound of the in situ permeability is less than that of the present laboratory-tested jointed rock specimens. The in situ permeability test results were thus compatible with our present laboratory permeability results of both intact and jointed rock specimens.     

Anisotropy of gas permeability associated with cleat pattern in a coal seam of the Kushiro coalfield in Japan

An underground investigation has been performed in a subbituminous coal seam exhibiting a particular cleat pattern in the Kushiro coalfield, Japan. The coal cleat pattern shows some analogy to isolated straight joints, and is believed to have been formed during the late Tertiary period by a compressive tectonic stress, roughly in the east–west direction. Three cylindrical coal specimens representing the three orthogonal axes of the coal seam with respect to the bedding plane and its associated cleat were cored from a large block of coal. Gas permeabilities of the three coal specimens were measured under the same hydrostatic pressure conditions. Results clearly revealed anisotropy in permeability of the coal seam under relatively low confining pressures of less than about 12 MPa. The specimen cored parallel to both the bedding plane and cleat strike showed the highest permeability, even though the cleats were partly filled with calcite and clay minerals. The permeability in this direction was 2.5 times higher than perpendicular to the bedding plane, and 3 times higher than in the direction parallel to the bedding plane but perpendicular to the cleat strike. This suggests that the cleats play a greater role than bedding planes in controlling fluid flow in the coal seam. The permeability in the three orientations, however, converged to the same value at confining pressures above about 16 MPa. This may suggest that both cleats and bedding planes in a coal seam can close due to earth pressure if the coal seam is located below a certain depth. It further indicates that the traditional view that gas permeability is always greater parallel to the coal bedding than perpendicular to it should be reconsidered.