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。     

模拟渗滤液作用下压实黏土的力学性质

垃圾填埋场中渗滤液的作用可能对压实黏土衬垫及地基土的力学性质产生一定的影响,但目前研究成果存在矛盾之处。以CaCl2溶液和苯酚溶液作为渗滤液中无机和有机污染物的代表,对添加10%钠基膨润土的压实黏土进行力学性质的试验研究。结果表明,(1)两种模拟渗滤液的作用使土的压缩性增强,抗剪强度降低。(2)苯酚对压实黏土力学性质的影响更为显著,不排水强度约为自来水和0.05mol·L-1CaCl2溶液的55%。(3)土样初始孔隙比相同时,溶液作用下扩散双电层变薄造成孔隙变大,可能是产生这种现象的主要原因。(4)模拟渗滤液的作用对压实黏土衬垫及地基土具有不利的影响。     

模拟渗滤液作用下压实黏土的力学性质

垃圾填埋场中渗滤液的作用可能对压实黏土衬垫及地基土的力学性质产生一定的影响,但目前研究成果存在矛盾之处。以CaCl2溶液和苯酚溶液作为渗滤液中无机和有机污染物的代表,对添加10%钠基膨润土的压实黏土进行力学性质的试验研究。结果表明,（1）两种模拟渗滤液的作用使土的压缩性增强,抗剪强度降低。（2）苯酚对压实黏土力学性质的影响更为显著,不排水强度约为自来水和0.05molL-1CaCl2溶液的55%。（3）土样初始孔隙比相同时,溶液作用下扩散双电层变薄造成孔隙变大,可能是产生这种现象的主要原因。（4）模拟渗滤液的作用对压实黏土衬垫及地基土具有不利的影响。     

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。     

压实黏土干燥裂隙及渗透性能研究

压实黏土干燥过程中产生的裂隙可能对渗透性能有较大影响。通过室内模拟试验研究发现,裂隙面积率、裂隙总长度和裂隙宽度随含水率减小而增大。压实黏土中裂隙可分为主裂隙和次裂隙2类,次裂隙出现前后裂隙参数的变化速率有较大差异。较宽裂隙在湿化后不能完全愈合,干湿循环过程使压实黏土产生了不可逆的变化。采用试验筒壁上涂阿尔代胶的方法可以有效模拟土样中裂隙的形成,并能较好地防止侧漏。渗透试验发现,一次干湿循环导致压实黏土的渗透系数增大将近2个数量级。湿化过程中干燥裂隙不能完全愈合及微裂隙的形成可能是导致渗透系数增大的主要原因。     

非饱和重塑黏土渗透性试验研究

工程中常常遇到非饱和土渗流问题,其渗透性是非饱和土的重要研究内容。采用常规压力板仪详细研究了重塑黏土在3种不同击实功和5种不同击实含水率下的土-水特征曲线,并用变水头法测量了相应的饱和土渗透系数。结合土水曲线和饱和渗透系数,基于Van Genuchten模型和Fredlund模型,详细探讨了重塑非饱和重塑黏土在不同击实条件下的渗透性。结果表明,土样饱和渗透系数随着击实含水率的增大而减小,且随着基质吸力的增大土样渗透性差别逐渐减小。当试样吸力达到1 MPa时,可认为不同击实含水率下试样的渗透性基本相同;在轻型击实和简化轻型击实下,试样渗透性很相似。重型击实功下试样的渗透系数和轻型击实下土样渗透系数的比值 随着吸力的增大而逐渐增大,在饱和状态时比值约为1/100,当吸力达到1 MPa时比值逐渐稳定在1/10右。     

非饱和成都黏土瞬时剖面法渗透性试验研究

非饱和渗透系数是土体渗流分析的基础,成都黏土作为一种典型的非饱和膨胀土,具有吸水膨胀、失水收缩的特性,在受侧限的浸水过程中,土颗粒的膨胀致使孔隙体积减小,渗透性降低,使得直接对其进行非饱和渗透试验十分困难。根据瞬时剖面法的原理,利用EC-5土壤水分传感器测含水率、MPS-2电介质水势传感器直接同步测量同一位置的基质吸力,通过水平渗透试验研究了非饱和成都黏土在侧限条件下的渗透性。含水率和基质吸力的同步测量,保证了其测试条件的一致性,避免了采用其他土水特征曲线的影响。试验表明,试样的非饱和渗透系数为（1.33×10-11~3.14×10-9）m·s-1,非饱和渗透系数与基质吸力并非单调线性关系。基质吸力较高时,受膨胀土颗粒吸水膨胀的影响,渗透系数未出现明显变化,基质吸力降低到一定程度后,渗透系数快速增大。试验结束时土体已接近饱和,土中气体排出较慢,过水断面增加缓慢,促使渗透系数仍然持续增大。采用VG模型拟合k-s曲线,拟合参数α=0.048 kPa-1,n=1.79,m=0.48,试验结果可以用于成都黏土地区的渗流分析。     

不同初始孔隙比下非饱和黏土渗透性试验研究及模型预测

不同初始孔隙比下非饱和土渗透系数的试验测量及预测,是进行非饱和土渗流分析及水-力耦合研究的基础,相关工作具有重要的意义。以湖南邵阳红黏土为例,利用千斤顶制备5种不同初始孔隙密度塑土样;采用压力板仪测量其土-水特征曲线;选用变水头法测量其饱和渗透系数;自制有机玻璃桶试验装置,采用瞬态剖面法进行非饱和渗透试验,测量不同初始孔隙比土样的非饱和渗透系数。选用CCG(Childs和Collis-George)修正模型和陶-孔模型预测非饱和渗透系数,并与实测值进行比较,验证模型有效性。以上述试验及模型预测的成果为基础,研究初始孔隙比对非饱和(相对)渗透系数的影响规律。研究结果表明:湖南非饱和黏性土渗透系数随基质吸力增加而降低,在低基质吸力阶段(100 k Pa以内)变化较为剧烈,在高基质吸力阶段(100 kPa以上)变化较为缓慢;CCG模型预测误差较大,陶-孔模型预测值与实测值总体吻合较好;进气值之后,初始孔隙比对非饱和渗透系数的影响较小,对非饱和相对渗透系数的影响较大,相同基质吸力条件下初始孔隙比越小,相对渗透系数越大。     

复合土工膜渗透性能试验研究

以高密度聚乙烯复合土工膜为试验材料,利用柔性壁渗透仪测定一定时间间隔通过复合土工膜的渗透量,通过计算求得复合土工膜的渗透系数,分析渗透系数随渗透压和渗透压应力路径的变化规律。利用扫描电子显微镜拍摄复合土工膜的照片,从微观结构上揭示了渗透系数变化的原因。试验结果表明:柔性壁渗透仪可以精确测定复合土工膜的渗透性能参数;复合土工膜在0.1MPa的有效应力作用下,渗透压从0.1MPa增大到0.6MPa的范围内,渗透系数有3种变化趋势,分别是渗透系数基本不变、渗透系数随渗透压的增大而增大和渗透系数随渗透压的增大而减小。复合土工膜物理性质的不均匀性和渗透通道的形态是影响防渗效果的主要因素。     

不同温度下饱和软黏土应力路径试验研究

温度对土的物理力学特性有较大影响,在等温条件下对宁波软黏土开展了增p、等p和减p剪切路径下的温控三轴试验,获得了不同温度、不同应力路径下的应力、孔压、有效应力路径等的变化规律。结果表明:土体的应力—应变特性呈现出较为明显的热硬化特征;温度越高,土体破坏时的偏应力越大,剪切产生的孔压越小,有效应力路径随温度的升高向总应力路径方向发生偏转;减p、等p、增p剪切路径下获得的剪应力峰值依次递增,增p和等p剪切路径下产生正孔压,减p剪切路径下产生负孔压,试样呈现剪胀现象。     

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。     

温度作用下CT三维重建煤体微观结构的渗流和变形模拟

为研究煤炭深部开采区域内温度对煤体渗流以及孔裂隙结构变形的影响,应用CT三维重构技术借助ANSYS软件对煤体微观孔裂隙结构分别进行共轭传热模拟和热变形模拟。共轭传热模拟结果显示20℃的水经80℃的煤体壁面加热后以37.13℃流出,煤体温度沿壁面向流体中心逐渐降低,孔裂隙结构对于流动速度和温度的分布有重要的影响,沿流动方向上,截面连通孔隙率大则流动速度慢,流体升温快,固体温度下降;反之则流动速度快,流体升温变缓,固体温度回升。热变形模拟结果显示骨架变形量与距约束面的距离成正比,约束面附近变形量小,变形方向指向孔裂隙空间,距约束面远的位置变形量大,变形方向向外发散,裂隙的存在会使变形量增加,且随温度载荷的增加不同孔裂隙结构间的变形差异增加。     

温度作用下CT三维重建煤体微观结构的渗流和变形模拟

为研究煤炭深部开采区域内温度对煤体渗流以及孔裂隙结构变形的影响,应用CT三维重构技术,借助ANSYS软件对煤体微观孔裂隙结构分别进行共轭传热模拟和热变形模拟。共轭传热模拟结果显示,20℃的水经80℃的煤体壁面加热后以37.13℃流出,煤体温度沿壁面向流体中心逐渐降低,孔裂隙结构对于流动速度和温度的分布有重要的影响,沿流动方向截面连通孔隙率大,则流动速度慢,流体升温快,固体温度下降;反之,则流动速度快,流体升温变缓,固体温度回升。热变形模拟结果显示,骨架变形量与距约束面的距离成正比,约束面附近变形量小,变形方向指向孔裂隙空间,距约束面远的位置变形量大,变形方向向外发散,裂隙的存在会使变形量增加,且随温度载荷的增加,不同孔裂隙结构间的变形差异增加。     

冻融循环作用下黄土渗透性与其结构特征关系研究

在季节冻土区,周期性的冻融作用改变土体的内部结构,导致土体的渗透性发生变化。黄土渗透性变化的原因可以归结为两类:1黄土孔隙孔径大小的变化。2黄土颗粒粒径大小的变化.因为分形理论能够很好地估算土体的结构特征,所以本文基于分形理论探究冻融循环后黄土渗透性变化的原因。对经历过冻融循环的原状黄土和重塑黄土进行颗粒质量-粒径分布和孔隙体积-孔径分布分形计算,结果显示:原状黄土和重塑黄土的颗粒质量-粒径分形维数与渗透系数的拟合度R2分别为0.7509和0.8222,高于孔隙体积-孔径分形维数与渗透系数的拟合度0.467和0.4576。颗粒质量-粒径分形维数与渗透系数的拟合度比孔隙体积-孔径分形维数高,说明土颗粒粒径对渗透性的影响大于孔隙孔径,即土体渗透性与土颗粒粒径大小有高度相关性,而与孔隙孔径的关系弱于颗粒粒径。     

黏性土渗透性温度效应实验研究

由于全球气候变暖、城市热岛效应加剧和核废料地质处置等原因,温度对黏性土工程性质的影响日益受到关注。本文在实验的基础上,采用直接测量法,对南京下蜀土、淤泥质土以及混合土3种试样,进行了5°～45°温度下的变水头渗透实验,分析了温度对黏性土渗透性的影响。实验结果表明:温度对3种试样的渗透性均有较大影响。温度越高,渗透性越大;试样的密度越大,渗透系数随温度变化率越低;在3种试样中,混合土的渗透系数高于淤泥质土和下蜀土的对应值,而淤泥质土的渗透系数又略大于下蜀土。最后对黏性土渗透性的温度效应机理进行了分析,认为水的动力黏滞性,黏粒的双电层厚度以及土的微结构三方面因素的共同作用引起了黏性土渗透性的温度效应。     

包气带弱渗透性黏土透镜体对降雨入渗补给影响的数值模拟

大气降雨是华北平原浅层地下水的主要补给来源。长期过量开采地下水造成地下水位持续下降,使原来处于饱水带的透镜体位移到包气带中,形成了厚度大、非均质性更为复杂的包气带。厚层包气带中弱渗透性黏土透镜体对于降雨入渗补给的影响是关系到降水入渗过程及补给量评价的基本问题。用HYDRUS软件建立数值模拟模型,模拟探讨单次降雨条件下,透镜体埋深、宽度比、厚度等要素对入渗路径、入渗补给时间和入渗补给量的影响。结果表明:入渗过程中弱渗透性黏土透镜体两侧会形成较快的绕流;透镜体会减小补给峰值并延长总体补给时间,但不改变补给起始时间;透镜体埋深与极限蒸发深度的相对关系决定了潜在补给量的大小,透镜体埋深或因透镜体形成的上层滞水处于极限蒸发深度以上会减少潜在补给量。     

干湿循环作用下红黏土收缩特征研究

以贵州某高速公路沿线红黏土为研究对象,开展了干湿循环作用后红黏土的收缩特性试验研究,探讨了干湿循环次数和初始含水率对红黏土收缩性状的影响.试验结果表明：同一循环次数内,各试样的环向收缩率在6～8 h时达到稳定,而轴向线缩率则需更长的稳定时间;随着初始含水率增加,各试样的初始轴向线缩率减小,而初始环向收缩率增加;28%含水率试样具有相近的最终轴向变形和环向变形量,而34%含水率的试样环向变形量高于轴向变形量;初始含水率变化不大,但体缩率的变化率却明显不同,说明干湿循环过程使得土体内部结构变得不稳定,但颗粒间相互作用的本质未发生明显变化;干湿循环作用对重塑红黏土最优含水率位置的基本无影响,这说明其未能改变黏土集聚体内对结合水的最大吸附能力.通过压汞试验得到了不同干湿循环作用后试样的孔隙分布情况,随着干湿循环次数的增加小孔径尺寸和分布密度改变较小,而大孔径尺寸减小,分布密度也在减小.干湿循环作用对聚集体内孔径的影响大于对微聚体内孔隙影响,与所测得的宏观收缩规律相吻合.     

含裂缝压实膨润土的渗透性能研究

为评价膨润土裂缝的自愈合效果,通过渗透-饱和试验,研究了不同裂缝形态、数量的压实膨润土试样渗透系数的变化规律,采用统计学方法分析了各组试样渗透系数的差异性.研究显示：在饱和过程中,干密度为1.2 g/cm3的含裂缝压实膨润土的渗透系数随时间呈逐渐递减趋势,且含裂缝试样渗透系数与完整试样渗透系数之间无显著性差异.表明裂缝形态和数量对压实膨润土的渗透性无显著影响,压实膨润土具有良好的自愈性能.     

卸荷作用下软黏土回弹吸水试验研究

为了研究软黏土试样在经受卸荷作用后回弹变形中的吸水规律,设计了新的渗透固结试验仪器。以饱和软黏土试样为研究对象,通过室内试验,分析了卸荷作用下软土的回弹吸水特点。试验结果表明,研制的渗透固结仪器密封性能好,可以收集试样固结过程中排出的孔隙水。软黏土试样在大于临界卸荷比的情况下发生回弹吸水,其规律与预压荷载持续时间有关。当预压荷载持续时间为主固结完成时,则软黏土试样回弹变形引起的体积变化等于进入土体的孔隙水的体积;若荷载持续时间为24 h,则回弹变形可以分为主回弹阶段与次回弹阶段。在主回弹阶段,土样的体积变化等于吸入土体的孔隙水的体积;在次回弹阶段,试样并未吸水,仍然有少量变形。卸荷后软黏土试样吸入土体的水量与固结沉降排出土体的水量之比普遍小于10%。