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。     

膨润土防水毯渗透性能的温度效应

以颗粒状钠基膨润土防水毯为研究对象,采用改造的GDS全自动环境岩土渗透仪开展渗透试验,研究温度和压力对渗透系数的影响。研究表明:低围压下膨润土防水毯的渗透系数随温度的增加而减小,温度较高时趋于平缓或略有增大;围压增为100 kPa时,渗透系数随温度的增加而增大。固有渗透率随温度的增加而减小;低围压下固有渗透率减小更显著,仅考虑流体物理性质变化的渗透系数估算值与实测值有很大差异。膨润土吸附结合水量随温度的升高而减小,不能解释膨润土防水毯渗透系数和固有渗透率随温度的变化规律。当温度升高时,粒间孔隙减小且颗粒状膨润土分解成凝胶态蒙脱石颗粒,在低围压下凝胶态蒙脱石颗粒层间距离减小,是渗透系数和固有渗透率随温度的升高而减小的主要原因。     

多级升温及降温引起的饱和红黏土的热响应试验研究

对温度和围压耦合作用下饱和红黏土的热力学特性进行多级升温及降温过程的室内试验研究。试验包括每级温度变化之间允许试样排水和不允许试样排水两组对比试验,温度变化等级为20℃→40℃→50℃→60℃→70℃→80℃→70℃→60℃…→20℃,围压包括50、100、150、200 k Pa共4种。分析了试样热固结过程中温度、孔隙水压力、固结体应变的演变过程以及热力学特征变化机制。研究表明,在多级升温级间排水以及后续逐级降温过程中,温度诱致孔隙水压力消散引起的固结排水量大于温度再降低至初始温度下的吸水量,最终表现为不可逆的体积收缩变形。另一方面,在多级升温级间不排水以及逐级降温条件下,温度升高后的孔隙水压力甚至可达到围压值,然后降至初始环境温度下时试样内仍保持较大的孔隙水压力,也表现为不可逆的热力学过程。     

不同有效应力下矿山渗滤液对土工合成黏土衬垫渗透特性影响的试验研究

以模拟矿山渗滤液作为渗透溶液,使用柔性壁渗透仪,在不同有效应力条件下测定土工合成黏土衬垫(geosynthetic clay liner,GCL)的渗透系数。试验结果表明:矿山渗滤液作用下GCL渗透系数升高的幅度与其所受有效应力的大小紧密相关;当有效应力为24 kPa时,矿山渗滤液的渗透使GCL的渗透系数升高至1.52810-′m/s,比控制样(自来水渗透)的渗透系数高340倍,不能满足《一般工业固体废物贮存、处置场污染控制规范》对防渗层渗透系数的要求(k≤1.0910-′m/s)。而当有效应力为93、162、231和438 kPa时,矿山渗滤液的持续作用使GCL的渗透系数只分别升高了26、21、14和10倍,且全部满足规范要求。研究结果表明,在对矿山废弃物处置场中GCL的防渗性能进行评估时,必须考虑GCL试样在场地中的受力状态。     

压实黏土三轴压缩变形过程中的渗透性变化规律

对某高坝心墙黏土进行了三轴压缩过程中的轴向渗透试验,观测了不同压实密度的试样在不同围压下轴向渗透系数随轴向应变的变化过程以及试样的变形形态。试验发现,三轴压缩过程中试样的渗透系数的变化趋势与压实密度和围压有关。当围压大于试样的前期固结压力时,试样在三轴压缩过程中一直呈现体缩,变得更密实,因而渗透系数随着轴向应变的增加而减小,最后趋于稳定。当围压远小于试样的前期固结压力时,试样产生了对抗渗不利的集中剪切带,集中剪切带成为渗流通道,使得试样的表观轴向渗透系数随轴向应变的增加而显著增大。重度压实的黏土在低围压下的大剪切变形下会产生高渗漏性的集中剪切带的试验事实,可以用来解释土石坝心墙的局部渗漏现象。     

高围压下砂土的渗透特性试验研究

利用高压三轴渗透试验系统,对某矿区深部的粗砂和细砂进行了高围压条件下的渗透试验。研究了同一水力梯度下渗透系数与围压的关系;同一围压下渗透系数与渗透水力梯度的关系;同一水力梯度下,围压逐级加载的渗透系数与一次加载的渗透系数之间的差别。结果表明,粗砂和细砂在同一水力梯度下渗透系数均随围压的增大而逐渐减小,在同一围压下,渗透系数会随渗透水力梯度的增大而逐渐增大;同一水力梯度下,围压逐级加载下的渗透系数明显小于一次加载条件下的渗透系数。根据围压与渗透系数的关系拟合出了两种砂样渗透系数与围压关系的数学表达式。为探究高围压下渗透系数变化的原因,研究了砂样试验过程中的体积变化和试验前后的粒度成分变化。结果表明,围压的施加过程伴随着试样的体积减小,相应的孔隙度减小,渗透系数降低;高围压条件下,砂土颗粒被挤碎成细颗粒,使得砂土的细粒含量增多,孔隙度减小,导致了砂土渗透系数的降低。     

温度-渗流-应力耦合作用下岩石损伤及声发射特征研究

深部地下围岩常常处于复杂的地质环境下,这些复杂的地质环境造就了岩石多变的物理力学行为,本文对取自某矿井的黏土岩开展温度-渗流-应力耦合特性及声发射试验研究,对黏土岩在不同地质环境下的变形特征、渗透特性、损伤及声发射演化特征进行分析。研究结果表明:温度和围压对试件的变形具有明显的损伤劣化和抑制作用,温度越高,围压越大,试件逐渐由脆性断裂向脆延性破坏转变;渗透率的变化对应于岩石体积变化出现降低-平衡-上升-回落四个阶段,体变和环向应变突变点为渗透性加速增大分界点;高围压和温度作用下,岩石的声发射呈高能高幅值特征,渐变特征不明显,最活跃值越滞后,低温和低围压下,声发射具有明显的渐变特征,最大值出现在峰值附近;同等围压下,渗透损伤值随温度的升高而增加,围压越大,渗透损伤值越小,温度越高围压越大,损伤发展越均匀。     

侵蚀性环境对地下结构渗透和力学特性影响研究

环境污染造成地下结构侵蚀劣化,使得地下结构面临严峻的长期稳定性问题。通过50 g/L Na2SO4溶液、50 g/L NaCl溶液以及含有50 g/L Na2SO4 + 50 g/L NaCl的垃圾渗滤液的浸泡侵蚀试验,研究了经上述溶液侵蚀后混凝土试样在不同围压下的气体渗透特性、氯离子渗透特性以及力学特性。结果表明：（1）经不同溶液侵蚀后试样的渗透率与所承受的围压大小密切相关。同一侵蚀时间下,随着围压的增大,渗透率逐渐减小。经垃圾渗滤液侵蚀后的试样渗透率随侵蚀时间线性增加,且围压越小,增大的速率越大;经硫酸钠溶液、氯化钠溶液侵蚀后的试样渗透率总体先减小后增大;经3种不同溶液侵蚀后,试样渗透率对应力的敏感程度均有所提高。（2）经3组溶液侵蚀后试样单轴抗压强度变化分为线性增加、缓慢下降两个阶段,但垃圾渗滤液侵蚀后的试样强度始终为最小值。弹性模量也呈现出相似的变化规律。（3）在同一侵蚀深度处,垃圾渗滤液侵蚀后的试样自由氯离子含量比氯化钠溶液侵蚀后的试样低20%～50%,垃圾渗滤液侵蚀下混凝土试样被氯离子侵蚀的程度比氯化钠溶液侵蚀下混凝土试样低。（4）气体渗透率随侵蚀的进行而变化最为明显,比单轴抗压强度、氯离子扩散系数更适用于评价地下混凝土结构长期稳定性。研究结果可为侵蚀性环境下地下结构长期稳定性分析提供理论依据。     

低渗致密砂岩渗透率应力敏感性试验研究

储层岩石中孔隙流体压力的变化会引起有效应力发生变化,进而导致渗透率的改变,引发储层岩石渗透率应力敏感现象。以试验研究了不同围压下渗透率随孔隙流体压力的变化规律,试验包含了老化处理和升降内压4个回路,每个回路是在围压不变降低和增加孔隙流体压力下实现的,采用稳态法采集每个测试点的数据。试验结果表明,渗透率随着孔隙流体压力的降低而减小,随着孔隙流体压力的增加而增加;在低围压下渗透率的变化幅度较大,在高围压下,则变化幅度较小;在不同围压回路下,净应力相等的点对应的渗透率不相等;渗透率在随孔隙流体压力的变化中呈现出“台阶式”变化。根据Bernabe的模型计算了渗透率有效应力系数,结合Bernabe的观点分析计算结果发现渗透率呈“台阶式”变化是微裂缝随应力的变化而发生变形的表现。对试验岩样进行了储层岩石应力敏感性评价,结果表明,该低渗致密砂岩储层表现为中等应力敏感。     

渗透条件对膨润土改性黄土渗透系数的影响

室内采用柔性壁渗透仪实测了膨润土改性黄土的渗透性能,分别在控制渗透时间、围压和渗透压等条件下探究了各自对改性黄土渗透系数的影响。研究表明,试验初期试样的渗透系数在同一数量级上有较大波动,随着持续时间增加渗透系数趋于稳定,稳定后几乎不随时间发生变化,增大围压和渗透压都可以引起改性黄土渗透系数在同一数量级上降低。因此,在填埋场设计时可以通过预测防渗衬里的围压和渗透压来预留渗透系数的安全储备。     

模拟人工冻结凿井状态下冻土强度特性研究

通过模拟人工冻结凿井中冻土冻结、受力的实际过程,对已冻结试样进行不同温度、不同初始围压状态下的减载试验研究.结果表明:温度和土层深度是影响深部冻土破坏强度和破坏应变的主要因素,当温度不变时,破坏强度和破坏应变随初始围压呈线性关系变化.破坏强度受温度的影响取决于初始围压,在低初始围压状态下,冻土的破坏强度受温度变化影响不明显,但随着初始围压增大即土层深度加深,破坏强度受温度的影响也逐渐明显.破坏应变随温度的降低而逐渐减小,且呈双曲线形变化,但当温度低于 - 7℃时,在不同初始围压下其破坏应变基本不随温度的变化而变化     

围压与含水率对冻结砂土破坏应变能密度影响特性研究

基于一系列不同围压、不同含水率条件下的冻结砂土的三轴压缩试验,在一个宽泛的含水率范围内,研究了围压与含水率对冻结砂土破坏应变能密度的影响特性。试验结果表明:含水率为30.6%的冻土试样容易发生塑性破坏,其他含水率的冻土试样容易发生脆性破坏。围压对破坏应变能密度的影响可以分为低围压阶段、中围压阶段、高围压阶段,并且含水率对临界围压有重要影响。含水率对破坏应变能密度的影响也可以分为两种类型:当围压较低时(50 k Pa),随着含水率的增大,破坏应变能密度有一个初始增加的阶段,在含水率约为30.6%时破坏应变能密度达到最大值600 k Pa,之后随着含水率的继续增大,破坏应变能密度转而减小,达到60 k Pa后含水率的进一步增大不再影响破坏应变能密度,即此时冻土的破坏应变能密度接近于冰的破坏应变能密度;当围压较高时(大于等于500 k Pa),与低围压阶段相比,破坏应变能密度没有初始增加的阶段。     

粉质黏土周期荷载后的不排水强度衰化特性

在3种不同围压下进行了一系列重塑粉质黏土的静三轴和动-静三轴不排水剪切试验,得到了不同动应力水平条件下粉质黏土的孔压、动应变和不排水剪切强度值。通过对土样的不排水强度、孔压和动应变的无量纲化处理,确定了周期荷载作用后粉质黏土的不排水强度比与动载引起的孔压比和动应变比之间的相关关系。试验结果表明：粉质黏土在周期荷载作用后的不排水强度衰减程度取决于动载引起的动应变比值和孔压比值。当周期荷载引起的动应变比值小于0.1时,孔压比增长较快,土样的不排水强度几乎没有衰减;当动应变比大于0.1时,孔压比增长变慢,土样的不排水强度明显衰减;当动应变比值接近1时,孔压比值达到0.9,土样的不排水强度衰减程度约达到55 %     

分级加载下冻土阻尼比的试验研究

利用MTS-810型振动三轴试验机对不同加载频率、围压和温度下冻结黏土和冻结黄土的阻尼比变化规律进行研究。结果表明:不同频率、围压和温度下,对于冻结黏土,随动应变幅的增大,阻尼比呈先减小再缓慢增大的变化趋势;对于冻结黄土,阻尼比随动应变幅的增加先减小再逐渐保持不变。相同动应变幅下,冻结黏土和冻结黄土的阻尼比随加载频率的增加而减小,随围压的增加变化不大,温度为?0.2~?1℃时,阻尼比的变化规律不明显,温度为?2℃时,阻尼比的取值显著小于?0.2~?1℃时的阻尼比取值。当动应力水平较低时,阻尼比受频率的影响程度较大;当动应力水平较高时,阻尼比受温度的影响程度较大;在整个加载过程中,阻尼比受围压的影响程度最小。当动应变幅较小时,频率对冻结黄土的影响程度要大于冻结黏土,随动应力水平的增高,冻结黄土受频率的影响程度逐渐小于冻结黏土。在整个加载过程中,温度对冻结黄土的影响程度大于冻结黏土,而围压对冻结黄土的影响程度小于冻结黏土。     

重塑饱和黄土长期渗流劣化机制及其渗透性分析

为研究重塑饱和黄土在长期渗流条件下的劣化机制,以杨凌Q3黄土为研究对象,用pH=4的稀乙酸溶液作为渗透液加速劣化,通过长时间的常规渗透试验和不同围压下的三轴渗透试验,测量了渗透系数随时间的变化过程,分析了渗透系数随时间的变化规律,探讨了重塑饱和黄土在长期渗流条件下的劣化机制。结果表明：渗透系数随着渗透时间持续减小,与时间符合幂函数关系;渗透系数是反映黄土劣化最敏感的参数;最小孔隙比面的孔隙比决定了渗透系数的大小;最小孔隙比面的孔隙比与初始孔隙比的比值可以用来描述黄土长期渗流的劣化程度,其比值定义为黄土长期渗流劣化率;结合黄土的非线性渗透模型提出了在一定围压下三轴渗透试验渗透系数与黄土长期渗流劣化率的关系式,进而推导出黄土长期渗流劣化率随时间的变化关系式。     

冻融循环作用后饱和黏土的应变速率效应试验研究

为研究不同应变速率加载对融化饱和黏土力学效应的影响,对不同初始压实度的融化饱和黏土进行了不同应变速率和围压下的固结不排水三轴剪切试验,分析了融化饱和黏土的应力-应变关系曲线特征、孔隙水压力、割线模量(E_(50))、峰值强度、残余强度、抗剪强度指标的变化规律。结果表明:随着应变速率的增大,融化饱和黏土峰值强度和残余强度均先增大后减小,随后持续增大;而E_(50)模量则一直增大。应变速率未改变偏应力峰值所对应的应变大小;初始压实度不影响融化饱和黏土峰值强度对应的应变值,且在围压为120 k Pa、应变速率为0.15%/h时初始压实度对融化饱和黏土孔隙水压力发展趋势的影响不大,而当应变速率超过1.5%/h时,初始压实度的影响显著。随着围压增大,融化饱和黏土峰值强度对应的应变值及孔隙水压力明显增大。应变速率小于15%/h时,内摩擦角随着应变速率增大而减小,应变速率大于15%/h时,内摩擦角则随着应变速率增大而增大;黏聚力随着应变速率的增大持续增大。其研究结果对加深融土应变速率效应的理解具有一定的理论意义。     

高含水量冻粉黏土应力-应变曲线特性的试验研究

为研究青藏高原粉质黏土在高含水量条件下的应力-应变特性,本文对粉质黏土试样开展了较高含水量（15%,30%,50%）、不同温度（-2℃,-4℃）及围压（0.5,1.0,2.0,4.0 MPa）条件下的三轴剪切试验,分析了冻粉黏土试样应力-应变曲线的形态和强度规律,并给出了机理性解释。试验结果表明:冻粉黏土试样的应力-应变曲线均为应变软化型。高含水量下（50%）,试样的初始切线模量随围压增大呈幂函数形式增大。随着含水量的增大,试样的破坏过程渐呈脆性。试样强度方面,含水量的增大使冻粉黏土强度呈先减小后增大的规律,即存在一个强度最不利含水量。此最不利含水量主要是由于土骨架与冰相的组合使系统处于“最弱结构”以及各组分在承受荷载时的主次地位变换而引起的。围压增大使冻粉黏土强度线性降低,但降低幅度不大。结合Mohr-Coulomb准则的分析表明,黏聚力是冻粉黏土强度的主要指标,其值在最不利含水量时取得最小值,围压对冻粉黏土强度的削弱作用也在此时得以突显。     

低应力与覆水环境下单裂隙粉砂质泥岩渗流特性

为探究不同外部环境因素影响下浅层粉砂质泥岩边坡裂隙渗流特性,采用自主研发的岩体裂隙渗流试验装置,对含6种不同裂隙面粗糙度（JRC）的粉砂质泥岩裂隙试样进行渗流试验,研究了不同低围压和覆水深度下粉砂质泥岩裂隙渗流特性。结果表明：不同覆水深度及JRC下围压与粉砂质泥岩裂隙渗透系数均呈反相关,两者之间关系可用幂函数表征,且渗透系数的降低过程可分为快速降低（围压为0～30 kPa）和缓慢降低（围压为30～50 kPa）两个阶段,CT扫描结果验证了围压增大使得粉砂质泥岩裂隙开度减小是渗透系数随围压增大而减小的主要原因。随围压的增大或覆水深度的减小,不同JRC粉砂质泥岩裂隙渗透系数的离散程度逐渐减小。当围压增至最大,同时覆水深度最小时,JRC对裂隙渗透系数的影响将会被消除。不同围压下,粉砂质泥岩裂隙渗透系数与覆水深度呈正相关,且两者关系可用指数函数表征。推导出了粉砂质泥岩裂隙渗流非线性Izabsh模型,该模型能较好地反映低应力及低流速下粉砂质泥岩裂隙渗流量与压力梯度之间的非线性变化关系,但随围压的增大,该模型的相关性有一定程度的减小。     

深部泥岩渗透率测试方法及数据适用性分析

针对深部地层同一种泥岩,先后采用常规渗透测试、变围压渗透测试和三轴压缩下瞬态法3种方法开展渗透率的测试研究。试验发现,3种方法下泥岩的渗透率差别极大,其中常规渗透测试所得的渗透率高出后两种方法3~5个数量级;变围压法在围压大于5 MPa后与三轴压缩下的瞬态法所测得的渗透率值较为接近;瞬态法下泥岩渗透率随偏应力增加而缓慢 降低,偏应力高达30 MPa时仍未出现扩容现象。测试显示泥岩的渗透率具有强烈的压力敏感性,其内在原因是较高围压下裂隙闭合、孔隙压紧、孔喉连通性减小,进而导致渗透率下降,而制样、烘干处理等对渗透率也有一定影响。基于试验结果与泥岩所处实际地层应力状态,提出可采用变围压法开展油气储集层的盖层的渗透率及其演化规律研究,而三轴压缩下瞬态法则更适用于能源储库盖层及核废料处置室围岩的渗透规律研究;常规渗透方法所得数据的应用则须商榷。研究结论对研究深部泥岩的渗透特性和密封性能有一定参考价值。     

花岗岩张拉和压剪裂隙渗透率演化研究

地下工程开挖造成围岩破坏,其破坏方式可归纳分析为两类：张拉型破坏和压剪型破坏,这两种破坏导致的裂隙面的细观形态并不相同,这种不同的细观形态导致张拉和压剪型裂隙的渗透率表现出不同的演化规律。为此,对花岗岩进行了不同围压下三轴压缩试验,产生张拉和压剪型裂隙,进行含裂隙岩样在静水压力加载条件下渗透系数试验。试验表明,相比于含压剪裂隙试样,含张拉裂隙试样的渗透率对静水压力更敏感。进而,分别对不同围压条件下的三轴压缩试验获得的张拉和压剪裂隙面进行扫描电镜试验,获得张拉和压剪裂隙面的细观形态,花岗岩单轴压缩试验所产生的裂隙面表现为典型的张拉型裂隙,破裂面比较光滑;随着围压的不断增大,破裂面的细观形态发生明显的变化,从破裂面上可以明显地观察到逐渐增多的压剪型裂隙,破裂面比较粗糙。在静水压力的作用下,张拉裂隙较快闭合;而压剪裂隙的锯齿能够一定程度上阻止裂隙的闭合。张拉和压剪裂隙面的不同细观结构决定了含张拉和压剪裂隙岩样的不同渗透率演化规律。研究结果对于地下工程分析中确定围岩的渗透率具有一定的意义。