上浮极限状态下饱和土的浮力模型试验和理论分析

饱和黏土中的长期浮力是否需要折减是一个具有争议的问题。为研究饱和黏土中的长期浮力是否小于相同水头高度下的静水压力,通过地基上浮失稳的模型试验,实测了上浮极限状态下（即有效应力约等于0时）饱和砂土和黏土中的浮力折减系数。实验装置由模型槽、土样、凡士林、浮筒、配重及压重设施组成,通过浮筒上浮瞬间的受力平衡得到失稳时的实际上浮力。实验测得饱和砂土中的浮力折减系数为1,饱和高岭土和饱和蒙脱石中的浮力折减系数分别为0.973±0.024和0.959±0.016。试验结果表明上浮极限状态下,饱和土中的浮力与纯水中的浮力差别很小。即便在高塑性黏土中,模型基础失稳时受到的上浮力与纯水中的浮力相比,仅折减了不到5%。基于饱和土有效应力原理的分析表明,上浮极限状态下的浮力折减系数与土样固结前的Skempton B值互为倒数。大量实测数据并未发现饱和黏土的Skempton B值明显大于1,故饱和黏土的浮力折减系数也不可能显著小于1。本文模型试验和理论分析表明,在地基抗浮承载力验算时,饱和黏土中的长期浮力不宜进行显著折减。     

分体式不提钻钻孔压水试验孔口装置的研发与应用

在钻探施工过程中,由于工程要求,必须对钻孔做孔口压水试验,根据钻孔吸水量、压力数据,检验钻孔的漏失及其他情况。传统孔口压水试验使用的孔口装置,必须把孔内钻具提出孔外,严重地影响工程施工进度。分体式不提钻钻孔压水试验孔口装置的研发,可在不提钻的情况下完成孔口压水试验作业,大幅度缩短施工工期,减轻工人的劳动强度,减少安全事故的发生,对钻探工程施工具有一定的经济价值和现实意义。本文详细介绍了研制的分体式不提钻钻孔压水试验孔口装置的结构、工作原理及使用方法,并与传统孔口压水装置进行了试验对比,验证了分体式不提钻孔口压水试验孔口装置工作的可靠性及优势。     

降雨诱发边坡破坏数值模拟两个关键问题的解决方法

研究降雨因素对边坡稳定性的影响,最有效的方法是室内外试验和数值模拟方法,最为重要的是设置与实际情况接近的降雨入渗边界与动态流量边界下初始孔隙水压力分布问题。为有效地解决这两方面的问题,首先将现有的降雨数值边界施加方法所得模拟结果与室内试验结果进行了对比分析,指出了传统方法的不足之处,并在此基础上提出了新的降雨数值边界条件,即在土体表面施加一层很薄的"空气单元",表述的是一个动态的边界条件。降雨入渗边界施加在"空气单元"表面,而不直接施加在土体单元表面,应用该方法完成的入渗土柱数值模拟结果更加接近现场和试验测得的降雨入渗率,为有效模拟降雨诱发边坡破坏的边界条件提供准确、真实可行的方法。同时,由于相对渗透系数和负孔隙水压力均为饱和度的函数,通过设置流体的抗拉强度来赋予节点负孔隙水压力模拟基质吸力,在数值模拟中每一个计算步根据节点饱和度自动更新负孔隙水压力和相对渗透系数,可实现FLAC软件中非饱和土的有效渗流分析。此外,为解决非饱和区土体施加负孔隙水压力所带来的问题,提出数值模拟过程中施加动态的流量边界,通过模拟自然界中地下水的补给,很好地解决使用FLAC进行数值模拟时动态流量边界条件下初始孔隙水压力的分布问题。     

循环脱吸湿与加卸载耦合作用下土体持水性能试验研究

土体所经历的干湿循环和应力历史,对其孔隙结构和持水性能影响明显。为进一步深入研究二者耦合作用的影响,开展了先竖向固结再循环脱吸湿以及先气压脱湿再反复竖向加卸载两种不同加载路径的水分变化测量试验,探索土样持水性能和变形能力的演化规律。研究结果表明:(1)脱湿与吸湿路径对比,土体的持水能力具有明显的差异性,且土体越密实,这种差异性越强烈;(2)随着脱吸湿循环次数的增加,土样的进气值略有增大,减湿段和吸湿段的斜率都会减小,但影响趋势随循环次数增多而减弱;(3)对于气压减湿后的非饱和土样,其前期固结压力随气压值增加而增大,而加卸载形成的滞回圈的面积却随之减小,土体的持水性能和变形能力也降低;(4)重塑土样从不同加载路径首次达到同一应力状态时,先固结再脱湿路径下土样的体积收缩更多,而先施加气压再加载路径下土样持水性能减弱的更多。     

风化红砂岩残积土路基瞬态饱和区动态水压力特征试验研究

连续降雨条件下,风化红砂岩残积土路基瞬态饱和区动态水压力特征是深刻认识反复翻浆冒泥病害机制的关键。采用不排水动三轴试验,模拟路基瞬态饱和区列车加载频率和连续降雨条件下排水边界条件,开展路基瞬态饱和区动态水压力特征试验研究。分析了细颗粒含量对风化红砂岩残积土路基瞬态饱和区动态水压力的影响,揭示了路基瞬态饱和区细颗粒含量临界值约为25%。当细颗粒含量小于25%时,动态水压力随细颗粒含量的增加而增大;当细颗粒含量大于25%时,动态水压力随细颗粒含量的增加而减小。引入等效粒间孔隙比的概念,解释了细颗粒含量临界值的微观机制和物理意义。基于试验构建了考虑细颗粒含量的风化红砂岩残积土路基瞬态饱和区动态水压力经验模型,分析了模型参数随细颗粒含量变化的敏感性。该模型有助于工程技术人员预测连续降雨条件下铁路路基瞬态饱和区动态水压力。     

娘子关泉域岩溶水SO42-、δ34S特征及其环境意义

在分析区域地质、水文地质条件及水化学同位素的基础上,研究了山西娘子关泉域岩溶水的SO42-、硫同位素分布特征。研究表明:（1）泉域西北、西南地区岩溶水的SO42-主要来源于石膏的溶解;（2）泉域中部汇流区岩溶水的SO42-含量高而δ34S值低,其中的SO42-主要来源于煤系矿坑水,这是因为温河、桃河及南川河沿岸的岩溶水接受了被矿坑水污染的河水的渗漏补给以及部分地区受到钻孔串层污染;（3）娘子关泉群中城西泉水中的SO42-主要来源于煤系矿坑水,而五龙泉和集泉站水中的SO42-主要来源于石膏的溶解;（4）泉域东北部及东部河流沿岸以外的地区,岩溶水中的SO42-主要来源于大气降水、石膏溶解,并受到所处地层岩性的影响。      

岩溶洞穴交互带概念的提出及其在水资源管理中的意义

岩溶地区以管道流为主的地下水补给、径流与排泄常常引起地下水与地表水间快速且频繁的交互与转化,并因此引发水环境退化问题。文章引用并拓展地表水文学和水文生态学中交互带的概念,提出南方岩溶地区管道流与其他类型水体交互的场所为岩溶洞穴交互带,并依据交互带的水流类型和交互方式,划分为泉口交互带、天窗交互带、落水洞交互带和管道交互带4种类型;且以泉口交互带和天窗交互带为重点,采用水文和水化学在线监测、现场测试、流量测量,结合水化学、浮游生物和微生物等的分析鉴定,剖析了交互带的水文、水化学特征和水生生物群落结构及其与水环境的关系。研究发现:岩溶洞穴交互带的水文功能有弱化趋势;泉口交互带的污染物降解能力明显,水化学功能尚能发挥作用;水生生物功能在退化,主要是由水文功能弱化导致的。水文功能弱化是岩溶洞穴交互带环境功能退化的重要原因。建议在岩溶地区的水文地质和环境地质工作中重视交互带,探索交互带的探测和监测技术,通过有效管理改善交互带的环境功能。      

Na-K-Mg三角图修正与Na-K温标选取

Na-K-Mg三角图作为水-岩平衡状态初步判定的方法,未考虑具体温标公式和矿物成分对平衡状态的影响,因此通过基于不同Na-K温标公式修正后的Na-K-Mg三角图判断水岩平衡状态,并利用适合的Na-K温标公式计算地下热储温度,对划分地热系统成因类型和开发利用地热资源具有重要意义。研究发现,修正后的Na-K-Mg三角图中任意一点,对某种温标公式确定的曲线处于平衡状态,对另一温标公式确定的曲线则有可能处于部分平衡状态;且温度越低,这种现象越显著。最贫Mg上边界和最富Mg下边界是由不同的温标公式确定的,随温度具有明显的分段性。利用各Na-K温标公式作出T-lg（Na/K）曲线图,绘制曲线交点对应的基于各"完全平衡曲线"的Na-K-Mg三角图,得出温标公式的选取方法,并以西藏盐井地区为例计算热储温度。