钠离子对于海洋成因10(A)-水锰矿结构稳定性的影响

10(A)-水锰矿是海洋成岩型铁锰结核和很多陆生锰矿的主要矿物,铜、镍等过渡金属元素对于10(A)水锰矿结构的稳定起着重要的作用,而对于碱金属元素钠离子在其中的地球化学行为则少有涉及.利用取自东太平洋海底的成岩型铁锰结核,借助化学方法,利用矿物学和晶体化学的理论对碱金属元素钠离子在成岩型铁锰结核中的存在状态以及对结核组成矿物10(A)-水锰矿结构的影响进行了研究.结果显示,10(A)-水锰矿中钠离子可以被弱酸析出并且会导致其结构的破坏,使得10(A)-水锰矿转换成7(A)-水锰矿;析出钠离子并且结晶状态变差的10(A)-水锰矿吸附钠离子后,其结晶状态可明显好转并且部分非10(A)相转化为10(A)-水锰矿,但是这种结构的破坏在自然条件下不能完全恢复.因此,钠离子对于10(A)-水锰矿结构的稳定性起着非常重要的作用.     

对大洋多金属结核10A锰矿物相的研究

对大洋多金属结核中１０Ａ锰矿物的研究、认识长期以来众说纷纭。为探索我国研究区１０Ａ锰矿物的种类,本文从１００多个结核样品中,选出具代表性的以１０Ａ锰矿物为主的１３个样品,进行了热稳定性研究,且归纳总结为３种情况：有７Ａ衍射峰生成,且１０Ａ衍射峰向高角度移动,说明原样中有布赛尔矿Ⅰ型,钴土矿布赛尔矿混层矿物;无７Ａ衍射峰生成,但１０Ａ衍射峰也向高角度移动,说明原样中没有布赛尔矿Ⅰ型,而有钴土矿布赛尔矿混层矿物;无７Ａ衍射峰生成,且１０Ａ衍射峰基本消失,表明原样中有钴土矿。作者尚运用晶体结构理论对上述３种不同情况进行了解释;并得出,我国研究区结核１０Ａ锰矿物相中主要矿物种为布赛尔矿Ⅰ型、钴土矿布赛尔矿混层矿物及钴土矿,不存在或几乎不存在钡镁锰矿。     

离子交换水钠锰矿矿物学特征及高温相变研究

以MnSO₄为原料,以空气为氧化剂在碱性条件下合成K型水钠锰矿,并进行离子交换实验。能谱结果显示:Ba²⁺、Pb²⁺、NH⁺₄和Ag⁺能够全部置换层间的K;而Li⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Na⁺和Cd²⁺离子交换样品仍残留1%～3%的K。XRD和红外光谱结果显示,除Ag离子交换样品外,其它样品均保留了水钠锰矿的层状结构,但是离子交换过程中,矿物结晶度以及锰氧八面体的有序度均有一定程度的变化。差热-热重结果显示,离子交换样品在150～250℃和500～700℃有显著的物相变化和结构调整。层间离子半径和性质决定了高温相变产物。在650℃煅烧后,K⁺、Ba²⁺、Na⁺、Pb²⁺和Ag⁺等大半径离子交换样品生成具有(2×2)型或(3×3)型孔道矿物;而小半径离子不足以支撑水钠锰矿的层状结构,高温时发生分解生成低价态锰氧化物,其中Mg²⁺、Ca²⁺、Cd²⁺和Zn²⁺离子交换样品分解生成黑锰矿,Cu²⁺、Ni²⁺、Li⁺和NH⁺₄离子交换样品则分解生成方铁锰矿。     

水-力耦合及干湿循环效应对浅层残积土斜坡稳定性的影响

降雨入渗过程中,土体吸力降低,体积明显改变。天然浅层土体长期受到季节性气候变化的影响,因此,开展水-力耦合及干湿交替对浅层残积土坡稳定性影响的数值分析,分析浅层土坡孔隙水压力、湿润锋及安全系数的时空演变规律,并对水-力耦合及干湿交替条件下的浅层土坡失稳破坏机制进行探讨显得尤为必要。研究结果表明：随着干湿循环次数的增加,水-力耦合分析下孔隙水压力以及湿润锋的迁移速度增加更快,边坡也更易失稳破坏;干湿交替初期,雨水入渗易引起地下水位上升,边坡可因正孔隙水压力的增加而失稳;干湿交替后期,湿润锋的快速推进加剧基质吸力迅速丧失及土体强度下降,边坡安全系数显著降低,发生失稳破坏的时间缩短。因此,可将湿润锋处的安全系数(局部最小值)作为控制边坡长期稳定性的临界值。     

热-水-应力耦合影响的有限元分析

为了考虑应力拉压和压力（化学）溶解对裂隙开度的综合影响,对所建立的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力耦合模型中裂隙开度的计算模型作了改进。通过一个假定的高放废物地质处置库算例,就岩体裂隙开度变化的3种工况,分析了岩体中的温度、孔（裂）隙水压力、地下水流速和主应力的变化、分布情况。结果显示：3种工况的计算域中温度场基本相同;孔（裂）隙水渗流场形态相似,但其量值有一定差别;工况1的裂隙开度在应力和压力（化学）溶解的共同作用下闭合量最大,负孔（裂）隙水压力增值最高;核废物的释热效应明显地改变了岩体自重应力场的水平分量,但对其垂直分量影响较小。     

砖-土结构劣化及入侵建筑物拆除对榆林卫城稳定性影响

研究古城墙在环境和人为破坏因素下的稳定性对于古城墙保护和修复工程具有重要科学意义。以陕西榆林卫城为研究背景,对其保存现状进行大量调研,对砖墙砌体及夯土材料力学特性进行原位测试和室内试验,再基于数值方法来综合评判砖-土结构劣化及入侵建筑物在拆除过程中古城墙的整体稳定性和受力性态。结果表明:(1)城墙夯土受水分入渗后平均含水率w≥11.5%或顶部剥蚀长度L≥2.5m时,安全系数低于设计值[Fs]=1.3,而外墙砌体劣化对城墙整体稳定性影响不大,表明夯土的强度对城墙整体稳定性起着决定性作用;(2)拆除2层以上、入侵深度超过3.0m的民居或拆除1层的入侵深度超过2.5m的邻近建筑物时,城墙顶部夯土塑性区几乎贯通至城墙顶部;(3)拆除高2.0m宽超过4.0m的贯通城墙的门洞或层高4.0m宽超过2.5m的贯通城墙的民居时,建筑物顶部以上夯土塑性区贯通至城墙顶部,可能会出现坍塌危险,而拆除断面尺寸低于2.0m×2.0m的贯通城墙的建筑物时,对其城墙稳定性影响不大。     

基于岩性-结构的煤层底板突水危险性评价

煤层顶底板突水危险性预测与评价是煤矿突水灾害防治的基础和依据。针对煤层底板隔水介质条件,分析了煤系岩石力学性质,煤层底板突水的岩性、结构和厚度特征,建立了煤层底板突水危险性评价理论和方法。研究表明：煤层底板隔水介质条件取决于隔水层岩性和断裂构造,随着底板泥岩含量增加,煤层底板隔水性能增高,但抗水压能力降低;随着断裂发育程度的增加,底板隔水层由完整结构、块裂结构到碎裂结构和松散结构,煤层底板抗水压能力和隔水性能均降低,突水危险性增大。煤层底板抗水压能力与煤层底板隔水层厚度密切相关,统计表明,煤层底板受的极限水压p与底板隔水层厚度h之间为2次幂函数关系。在传统突水系数的基础上考虑了隔水层的岩性和结构特征,提出了煤层底板突水危险评价分类;进一步根据水压P_w与岩体破裂压力P_c关系和水压P_w与最小主应力σ_hmin关系判断是否突水。     

黄土孔隙结构演化对其土-水特性影响分析

作为黄土的关键水力参数之一,土-水特征曲线(SWCC)受到了土体孔隙结构特征的影响;然而目前还缺乏基于黄土沉积过程的孔隙演化对其土-水特性影响分析。本文在陕西泾阳县泾河南塬黄土剖面自上至下取L₁、L₂和L₆黄土,通过扫描电镜定性分析黄土孔隙结构随沉积过程的演化特征,通过孔隙分布(PSD)曲线量化分析各层黄土的孔径分布特征;在此基础上,利用滤纸法测定黄土SWCC曲线,对比分析黄土SWCC随埋深的变化规律。通过Young-Laplace方程将孔径转化为对应的吸力值,将PSD与SWCC曲线采用同一吸力坐标放置一起,分析黄土孔隙结构分布与SWCC的对应关系。结果表明:随埋深的增大,黄土优势孔径及其分布密度减小;相应地,黄土SWCC的饱和段增长,进气值增大,过渡段变缓,持水能力增强。同时,在各层黄土取样位置取重塑土样,在确保制样含水率和干密度与对应原状土一致的情况下,对比分析重塑与原状黄土的孔隙结构与土-水特性,发现随着土层埋深的增大,两者之间孔隙结构差异增大,SWCC的差异也随之增大。     

水-岩作用对砂岩卸荷力学特性及微观结构的影响

库岸坡岩体在工程建设中不可避免要遭遇开挖卸荷作用的影响,以三峡库区典型岸坡的层状砂岩为试验对象,设计开展了模拟库水位升降变化和浸泡-风干循环的水-岩作用试验,重点分析了水-岩作用对砂岩卸荷力学特性和微观结构的影响。研究表明：在10次水-岩作用过程中,砂岩的三轴卸荷强度、抗剪强度总体呈先陡后缓的劣化趋势,前4次水-岩作用的劣化速度较快,占总劣化度的70%左右,而后,劣化趋势逐渐趋缓;随着水-岩作用次数的增加,同一围压下岩样卸荷前的变形模量逐渐降低,围压卸载过程中变形模量的线性缓变阶段逐渐变短,非线性突变阶段逐渐变长、变缓,岩样的脆性特征逐渐减弱,塑性逐渐增强;水压力的反复升降变化和浸泡-风干循环作用对岩样造成了不可逆的渐进累积损伤,微观上岩样微裂纹、裂隙、孔隙逐步发育、汇集,宏观上就表现为孔隙率增加、三轴卸荷强度、抗剪强度的劣化。相关研究结论可为库岸边坡岩体开挖卸荷变形稳定分析提供参考。     

土-石混合体土-水特性和微观结构的相关性研究

为探究秦巴山区土-石混合体土-水特性和微观结构的相关性,分别对不同孔隙比、含石量的土-石混合体开展非饱和入渗试验和压汞试验。试验结果表明：高压实度、低含石量下土-石混合体土-水特性曲线明显高于低压实度、高含石量土-水特性曲线;影响土-石混合体土-水特性的孔隙孔径在小于200μm范围内;含石量较低时,提高压实度造成孔隙向低孔径范围集中,使得土-水特性曲线在该孔径范围变陡;含石量较高时,提高压实度主要压缩大孔径孔隙（d>80μm）,对小孔径孔隙的影响较小,使其土-水特性曲线较为一致。密实度较高时,增加含石量造成土-石混合体的孔隙分布更为均匀,土-水特性曲线由陡峭变为平缓;当密实度较低时,不同含石量下其小孔隙部分结构差异较小,土-水特性曲线较为一致。     

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。     

考虑变形影响的黄土土-水特征及其滞后效应

为了研究变形对非饱和黄土土-水特征和滞后效应的影响,通过先构建恒定吸力条件下土体含水率与孔隙比的关系,再引入吸力的影响,建立了一个能够考虑变形的三维土-水特征曲面模型,模型能够很好地描述不同初始孔隙比黄土吸脱湿过程中含水率随孔隙比和吸力的变化规律。为了证实所提出模型的可靠性,对压实黄土进行一系列吸脱湿过程的土-水特征试验。试验结果表明,恒定吸力条件下土体含水率与孔隙比成线性关系,验证了模型的理论假设。另外由模型可以确定恒定孔隙比状态的土-水特征,将其与试验结果对比发现,脱湿路径由吸力引起的变形对土-水特征影响较大,会使特征参数减小,并抑制滞后效应。     

基于水-热-力耦合模型的钻孔灌注桩承载力影响因素分析

针对广大寒区普遍存在的冻胀-融沉影响桩基承载力问题, 以清水河大桥灌注桩为例, 基于建立的饱和冻土水-热-力三场耦合模型及研发的3G2012软件系统, 深入研究了温度变幅、桩和地基土的传导系数、导水系数、回冻时间等因素对其承载力的影响, 揭示了其承载的内在热力学机理. 结果表明: 钻孔灌注桩承载力随温度发生波动变化, 冬季桩基的极限承载力近似为夏季的1.2倍; 地基的导水系数提高一个数量级, 加剧了地基土中的水分迁移及冻胀融沉变形, 进而影响桩基承载力; 冻土回冻时间对桩基承载力也有较大影响. 以上结论为寒区岩土工程的设计与施工提供量化的科学依据.     

一个计算机模拟水-岩反应过程的数学模型

本文对计算机模拟水-岩反应过程的地球化学背景作了详细的讨论,指出偏平衡假设对于水-岩反应过程是合理的,因而可用一准平衡过程逼近于一真实的地球化学过程。根据热力学原理和地质概念模型,作者建立了一个完整的数学模型,它可以模拟不同的地球化学过程。该模型由一组非线性方程构成,其中包括质量守恒方程和化学平衡方程。为了求解,作者将非线性方程组化为最小平方和形式,然后采用改进的牛顿迭代法进行数值求解。作者还采取了初始值初步改善和变量替换等措施,避免了求解水-岩反应方程组常遇到的两个问题,即初始值选取和负浓度的出现。本文所给出的算法具有很好的数值稳定性。作者模拟了黄铁矿型矿床的形成过程,计算结果与矿床的实际典型分带相一致。     

考虑溶质浓度影响的热-水-应力-迁移耦合模型及数值模拟

高放射性核废料地质处置库围岩中地下水的密度因溶质浓度不同而发生变化,这将影响到饱和-非饱和孔隙介质中近场和远场的热-水-应力耦合过程, 同时温度场、应力场也要对地下水中的核素及矿物质迁移产生作用。考虑这两个因素,建立和引入了相关的应力平衡方程、水连续性方程、能量守恒方程和渗透迁移方程,并研制出了对应分析孔隙介质中热-水-应力-迁移耦合问题的二维有限元程序。通过对一个假定的核废料地下处置库在核素泄漏后多场耦合过程的数值计算,考察了近场围岩中的温度、应力、孔隙水压力、核素浓度的分布及随时间的变化。结果初步显示了所建模型及程序可模拟热-水-应力-迁移耦合现象,因而具有一定的实用性。     

热-水-力作用下圆孔花岗岩的动态损伤特征及结构模型

基于深层地热能开采时储能区井筒围岩所处的工程环境,采用高温加热、不同温度水浸泡、加热-循环次数及径向冲击加载的方法模拟井筒围岩经历的高温、遇水、循环采热及热冲击等造成的动力扰动等物理力学条件。同时,以不同内孔直径的同心圆孔岩样模拟深层地热井,采用分离式霍普金森压杆试验系统开展热-水-力作用下圆孔花岗岩的动态力学试验,并结合VIC-3D非接触应变测量及数值模拟分析技术监测冲击过程中圆孔岩样裂隙萌发、形成的历程和表面应变演化的规律,揭示热-水-力作用下圆孔岩样的动态损伤破坏机制。研究结果表明：径向冲击荷载作用下圆孔花岗岩先后经历弹性变形、塑性变形、结构失稳破坏3个典型阶段;内孔直径、加热温度、浸水温度、加热-浸水循环次数4因素都弱化了圆孔花岗岩抗外界荷载的能力,但未改变其整体的变形演化规律;圆孔花岗岩的破坏模式是动态拉伸破坏,先沿冲击方向由内孔壁向岩样外壁,再垂直冲击方向由岩样外壁向内孔壁萌发、贯通裂纹,形成近垂直的两组破裂面。最后,基于圆孔花岗岩的损伤变形特征及历程,在一定假设基础上,建立动态损伤结构模型,推演了结构方程,并结合试验结果确定了方程参数,通过对比分析发现,理论拟合曲线与试验...     

库水位涨落对库岸滑坡稳定性的影响

三峡水库正常蓄水后, 库水位在175~145m之间周期性波动, 滑坡地下水渗流状态将会发生较大的改变, 可能导致滑坡失稳.因此, 研究库水位周期性波动下滑坡的稳定性具有十分重要的意义.提出了土水特征曲线的多项式约束优化模型和采用饱和-非饱和渗流数值模型.以赵树岭滑坡为例, 利用有限元数值计算了库水位在175~145m之间波动下地下水渗流场, 将计算得到的孔隙水压力用于滑坡的极限平衡分析, 探讨了库水位上升和下降对库岸滑坡稳定性的影响.研究表明: 多项式优化模型可以很好地拟合非饱和土的土水特征曲线; 库水位上升时滑坡稳定性系数总体逐渐增大, 库水位下降时滑坡稳定性系数总体逐渐减小; 无论是库水位上升还是下降到库水位155m时, 其稳定性系数最小; 同一库水位下, 库水位上升时的稳定性系数比下降时的稳定性系数大.      

基于水-岩相互作用的泥岩库岸时变稳定性分析

为探寻云南省富宁港区泥岩库岸在水-岩相互作用下的稳定性演变规律,通过富宁港区一期工程现场采集泥岩试样,经过不同次数的干湿循环后,进行常规三轴压缩试验。将得到的岩石抗剪强度参数进行工程转换,经回归分析后构建泥岩岩体综合抗剪强度参数概率分布的时变模型。结合极限平衡法和可靠性理论,得到水-岩相互作用下泥岩库岸中值安全系数、可靠度及可靠安全系数的时变规律。分析结果表明,在水位反复升降作用下,综合二元指标的可靠安全系数能更合理地分析泥岩库岸稳定性;库岸整体稳定程度呈现出非线性衰变特点;库岸最危险滑动面表现为由内向外的渐进性破坏。以试验为基础,提出的泥岩库岸时变稳定性分析方法为研究水位周期性涨落下库岸的稳定性演变规律提供了一条有效途径。     

不同充水方式下孔隙水对水闸加筋挡墙稳定性影响的试验研究

通过观测试验方式探讨不同充水方式下孔隙水对水闸加筋挡墙稳定性影响。结果表明:(1)随着水深的增加,挡墙稳定系数先递增后减小,再逐步趋于稳定;(2)不同充水方式对其稳定性影响十分明显,且压强呈现明显递增变化,相同水深下其压强逐步减少;(3)不同充水方式下水闸加筋挡墙应力系数呈现曲线变化。研究成果对于水闸稳定性设计具有重要的参考价值。     

压力溶解对颗粒聚集岩体中热-水-应力耦合影响的数值模拟

在自主研制的孔隙介质热-水-应力耦合有限元程序中引入Taron等提出的颗粒聚集体的压力溶解模型,针对一个假设的实验室尺度且位于非饱和石英颗粒聚集岩体中的高放废物地质处置模型,拟定两种计算工况：（1）孔隙率和渗透系数是压力溶解的函数;（2）孔隙率和渗透系数均为常数,进行4 a处置时段的数值模拟,考察了岩体中的温度、颗粒界面水膜及孔隙中的溶质浓度、迁移和沉淀质量、孔隙率及渗透系数、孔隙水压力、地下水流速和应力的变化、分布情况。研究结果表明：工况1计算终了时,压力溶解使得孔隙率和渗透系数分别下降到初始值的43%～54%、4.4%～9.1%。在核废料释热温度场的作用下,工况1、2中的负孔隙水压力分别为初始值的1.00～1.25倍、1.00～1.10倍,前者表现了压力溶解的明显影响;两种工况的岩体中的应力量值及分布基本相同。