盐溶液中膨润土膨胀变形的分形模型

当压实膨润土在蒸馏水中膨胀后,施加于膨润土颗粒上的有效应力通常被认为是外部施加的荷载,而当膨润土在盐溶液中膨胀时,膨润土颗粒所承受的有效应力还包括由孔隙水渗透吸力所引起的渗透应力。而压缩膨润土的蒙脱石孔隙比e_m与膨润土颗粒承受的有效应力p之间满足分形关系,该关系可用来计算膨润土的膨胀变形。通过对压实膨润土在盐溶液中颗粒的分散情况以及颗粒表面的分形特性,推导出该渗透应力的表达式,进而得出膨润土颗粒所承受的有效应力。将所提出的有效应力代入分形模型中,计算GMZ01和MX-80膨润土在不同浓度NaCl溶液中的膨胀变形,将现有的两种膨润土膨胀试验结果与模型计算结果对比,发现具有较好的吻合度,在蒸馏水以及各浓度的盐溶液中膨润土的膨胀变形都可采用统一的e_m-p曲线表示,表明提出的有效应力符合膨润土颗粒在盐溶液中的实际受力情况。分形模型为研究膨润土在盐溶液中的膨胀性质提供了有效的计算方法。     

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。     

盐溶液对膨润土膨胀性的影响

膨润土因其优良的膨胀性和低渗透性常被用作深层地质处置库的缓冲和回填材料,但其膨胀性会受到地下流体溶液浓度的影响。针对这种现象,利用单轴固结仪研究了压实商用膨润土在不同上覆荷载和不同浓度NaCl溶液作用下的膨胀变形特性。结果表明：随着NaCl溶液浓度升高,该膨润土的膨胀性显著降低,且最大膨胀应变与上覆荷载之间在双对数坐标系下存在良好的线性关系。利用有效压力的概念和计算方法,实现了用唯一一条曲线来描述不同盐溶液浓度作用下膨润土的膨胀变形行为,同时证明了有效压力理论的合理性。     

盐溶液的渗透吸力计算方法

膨润土垫层在高放废料处置库环境中与围岩接触,力学性能会受到围岩裂隙中所含盐溶液的影响。盐溶液的渗透吸力会在膨润土上产生类似于竖向荷载作用的附加应力,量化盐溶液对膨润土力学性能的影响对评估地下处置库的安全性具有重要意义。溶液渗透吸力系数作为计算渗透吸力的关键,目前需要通过较为复杂的实验测得,对工程实际应用造成了阻碍。通过引入Debye-Hückel公式,提出含单价离子电解质、2-2型电解质及混合电解质溶液的渗透吸力系数及渗透吸力的计算方法。基于Debye-Hückel公式,分析溶剂种类和温度对渗透吸力系数的影响,结果表明:溶剂极性越大,渗透吸力系数越大;温度越高,渗透吸力系数越小。      

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。     

NaCl溶液饱和膨胀土的压缩特性及其微观机制

孔隙溶液浓度及组份改变会影响膨胀土颗粒间作用力,改变微观孔隙结构,从而影响土体的物理力学特性。为此,以宁明膨胀土为研究对象,采用不同浓度NaCl溶液制备泥浆预固结重塑样开展一维压缩试验和压汞试验,研究化学作用对重塑天然膨胀土的压缩性和微观孔隙结构的影响规律。结果表明：随着渗透吸力增加,颗粒间水化能力降低,物理化学力使土颗粒由分散状态转变为集聚体状态,形成了集聚体内孔和集聚体间孔,土体表现出双峰孔隙分布特征。预固结样（压力为20 kPa）的初始孔隙比随渗透吸力增加而减小,进而导致固结屈服应力增加;但是渗透吸力对压缩性影响不大,压缩指数和回弹指数基本不变。此外,利用固结系数计算了土体的渗透系数,随着竖向压力增加渗透系数降低;当竖向压力小于200 kPa时,随着渗透吸力增加,渗透系数先增加后减小,但是竖向压力超过200 kPa后,渗透系数变化不大。分析发现,渗透吸力增加导致大孔隙增加,渗透系数增加,但同时密实度增加会导致渗透系数降低,低竖向压力下渗透性受密实度和微观孔隙结构变化耦合作用控制。     

阳离子交换量和盐溶液浓度对膨润土膨胀变形的影响

膨润土遇水产生的膨胀变形以及膨胀力是由于颗粒间的斥力引起的,而该斥力大小与土体的固定负电荷密度（采用阳离子交换量CEC来表征）以及孔隙溶液的浓度有关,已有的对膨润土膨胀变形研究多针对孔隙溶液而非土体的阳离子交换量。现以钠基膨润土为研究对象,采用Li+固定法来控制膨润土的固定负电荷密度,以达到降低膨润土阳离子交换量的目的,再采用Li Cl为盐溶液,获得了上述不同阳离子交换量的膨润土在不同浓度的盐溶液作用下的膨胀指数。结果表明：随着溶液浓度升高,土样的膨胀指数降低;当浓度小于1 mol/L时,下降较为显著,之后则缓慢降低;随着阳离子交换量的减少,土样的膨胀指数也呈降低趋势。这是因为土颗粒的阳离子交换量和溶液浓度是影响土样与孔隙溶液物理化学作用的决定性因素,阳离子交换量越小,浓度越高,土颗粒之间的斥力降低,土样的膨胀指数则会降低。采用考虑颗粒间物理化学作用的粒间应力来描述试验结果,表明对于该种膨润土来说,不同阳离子交换量以及不同盐溶液作用下的回弹变形和回弹应力几乎在一条曲线上,这也进一步验证了粒间应力在膨胀土模拟中的有效性和适用性。     

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。     

粉质黏土强度指标的水化学敏感性研究

通过对重塑粉质黏土的液、塑限和固结慢速直剪试验,探讨了粉质黏土液限、塑性指数及抗剪强度与不同浓度NaCl孔隙溶液的关系。试验结果表明,随着孔隙溶液浓度增加,液限随之减小,塑性指数表现出粉土的性质;不同竖向正应力下的强度随浓度变化表现出较大的差异,正应力较低时,强度不断减小,而正应力较高时,则强度不断增大,正应力介于二者之间强度则先降后升;内摩擦角随浓度增加而增大,最终趋于稳定;黏聚力先迅速减小后逐渐回升,且均为负值。其性质变化主要是因为扩散双电层、颗粒间作用力以及孔隙比发生了改变。基于Terzaghi的有效应力原理,对饱和粉质黏土固结慢速直剪试验测得的负值黏聚力进行了分析和讨论,认为渗透压力对黏聚力起了非常重要的作用,从而使黏聚力成为负值。     

高压实膨润土的非饱和渗透膨胀模型

高放废弃物深地质处置库中,作为缓冲/回填材料的高压实膨润土的设计功能是,遇水吸湿导致土体膨胀变形,以密封高压实膨润土块体砌置时形成的块体与块体之间和块体与围岩之间的施工缝隙以及围岩中因处置库开挖卸载引起的裂缝,形成阻障围岩中地下水渗入内库引起核素迁移,与库内高放废物的辐射扩散的人工屏障。高压实膨润土在自由膨胀条件下的膨胀应变和非饱和渗透系数由渗透试验测得;孔隙比和吸力的关系由压汞试验测得。吸力和含水率的函数关系可由土-水特征曲线测试试验得到。因此,自由膨胀条件下膨润土的非饱和渗透膨胀模型由膨胀应变、非饱和渗透系数和孔隙比与吸力的函数关系建立。结果表明：渗透系数和体积应变都随吸力减小而增加,因为吸力减小会导致孔隙比增加。这一发现有助于设计高放废物的最终处置方案。     

集成回填材料的土水特征曲线测定

以膨润土为基材,添加沸石、黄铁矿制备高压实集成回填材料,采用渗析法和汽相法分别测得其在不同温度及自由、侧限条件下的土水特征曲线( SWCC),并采用SWCC模型对实验数据进行拟合.结果表明:低吸力范围内,施加相同的初始吸力,最终测得50℃试样含水率＞20℃对应含水率,原因是温度影响渗析法所测吸力值及试样饱和后的微观结构;高吸力范围内,同一吸力值80℃对应的含水率最小,土水特征曲线斜率随温度升高而增大.应力状态对土水特征曲线的影响,在低吸力范围内显著,而高吸力范围内则影响不大.这与材料的微观结构有关.Van Genuehten模型对实测数据的拟合效果最佳.     

Osmotic suction of highly plastic clays

This paper presents a study on osmotic suction of compacted highly plastic clays. Two different types of bentonite (i.e. Calcigel and a bentonite from India called herein as Indian bentonite) were used. Squeezing technique was utilized to obtain soil pore-water of the specimen. Using relationship between electric conductivity and osmotic pressure of salt solution, osmotic suction of soil pore-water was obtained. Additional tests (i.e. total and matric suction using filter paper method and swelling pressure using constant volume swelling pressure test) were performed. The results show that osmotic pressure of soil pore-water obtained decreases by increasing squeezing pressure. Based on experimental result, osmotic suction of the specimen is osmotic pressure of the first drop of extracted soil pore-water. An empirical method was suggested to determine the squeezing pressure in squeezing technique. In addition, roles of osmotic suction in thermo-hydro-mechanical behavior of highly plastic clays were presented and discussed in the paper.     

化学溶液作用下基于压实膨润土孔隙结构演化的土水特征模型研究

在高放废弃物深地质处置库复杂的地下水环境影响下,缓冲/回填材料微观孔隙结构的改变通常会大大影响其水力性质.为探究这种影响,众多学者从不同理论出发,建立了相应的土水特征模型.然而,针对这些模型的对比研究较少,且缺少将模型应用于考虑化学影响的情况.在压实膨润土微观结构分析的基础上,基于分形理论和双孔理论,分别构建了压实膨润...     

Effects of Post-compaction Residual Lateral Stress and Electrolyte Concentration on Swelling Pressures of a Compacted Bentonite

The effects of post-compaction residual lateral stress and salt concentration in the hydrating fluid on swelling pressures of compacted MX80 bentonite is brought out in this paper. In order to release the residual lateral stresses, following the static compaction process during preparation of specimens, compacted bentonite specimens were extruded from the specimen rings and then inserted back prior to testing them for swelling pressures in isochoric condition. The swelling pressure tests were carried out at several dry densities of the bentonite with distilled water and solutions of NaCl (0.1 and 1.0 M) as the hydrating fluids. With water, the test results showed that specimens that underwent extrusion and insertion processes exhibited about 10–15 % greater swelling pressures as compared to the specimens those that were compacted and tested. The influence of saline solutions was found to reduce the swelling pressure of the bentonite, but their impact was less significant at high compaction dry densities.     

盐溶液饱和高庙子膨润土膨胀特性及预测

甘肃北山被首选为修建高放废物处置库的地区。考虑到该地区地下水中含有总溶解固体（TDS）,选择NaCl-Na2SO4作为溶解固体。以高庙子钠基膨润土为试验材料,利用单向固结仪,进行不同TDS浓度盐溶液和蒸馏水饱和的膨胀试验。根据蒙脱石孔隙比的概念,统一整理了饱和高庙子膨润土在盐溶液和蒸馏水饱和下的膨胀特性。结果表明,当TDS浓度为12.3 g/L（预选处置库区的最高离子浓度）时,在双对数坐标中蒙脱石孔隙比与膨胀力关系和干密度与膨胀力关系均呈直线且平行于蒸馏水的试验结果;对于给定干密度试样,膨胀力的对数与TDS浓度呈线性关系。根据以上试验结果,给出了由高庙子钠基膨润土的设计干密度和离子浓度计算相应膨胀力和膨胀变形的表达式。     

化学作用下高庙子膨润土屏障性能演化行为

深地质处置库运营过程中,受地下水化学成分、可能泄露的核素等近场化学条件影响,膨润土工程屏障性能可能发生衰减。围绕化学作用下膨润土屏障性能的演化行为,以我国北山处置库预选场地为工程背景,以内蒙古高庙子膨润土为研究对象,首先介绍了高庙子膨润土的基本物理性质及北山预选场地近场化学条件;在此基础上,详细总结了化学作用下高庙子膨润土水力、力学及阻滞等屏障性能演化行为相关研究成果。结果表明:化学作用对膨润土持水、渗透特性的影响可分别依据渗透吸力及双电层理论解释;化学作用下膨润土膨胀力的衰减与其水化膨胀机制有关,化-力耦合及化-水-力耦合作用下膨润土变形特性因渗透固结、化学软化效应而发生改变;膨润土的吸附与扩散特性受核素浓度、离子环境、pH值等因素影响。最后,提出化学作用下膨润土屏障性能演化研究应重点关注的方向。     

硫酸钠盐渍土土-水特征曲线的试验与理论研究

土-水特征曲线（SWCC）在非饱和土力学中扮有重要的角色,是非饱和土力学研究的核心问题。以西北地区黄土中含有的典型硫酸钠盐为变化因素,采用滤纸法测得了兰州黄土及不同含盐量黄土状硫酸钠盐渍土的基质吸力并绘制土-水特征曲线,通过试验测试和理论分析来解释硫酸钠盐分对黄土状硫酸钠盐渍土基质吸力的影响规律,以期为工程实践提供一定的理论依据。结果表明：相同含水率下硫酸钠盐渍土的含盐量越高,基质吸力越大。以非饱和土力学理论和表面物理化学理论为基础,考虑了土中的盐分对基质吸力的毛细部分及吸附部分的影响,得到了土中含盐量与基质吸力关系的半经验公式。利用该公式计算得到不同含盐量硫酸钠盐渍土的土-水特征曲线,计算曲线与试验曲线吻合程度较高,表明该公式可以很好地描述盐渍土中不同含盐量与基质吸力的关系。