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期刊信息
  • 岩土力学
    Rock and Soil Mechanics
    (月刊,1979年创刊)
    主管:中国科学院
    主办:中国科学院武汉岩土力学研究所
    主编:孔令伟
    编辑:《岩土力学》编辑部
    ISSN 1000-7598 CN 42-1199/O3
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2022年, 第43卷, 第2期 刊出日期:2022-02-11
基础理论与实验研究
全吸力范围内土-水特征曲线的快速测定方法
李旭, 刘阿强, 刘丽, 刘艳, 吴永康
岩土力学. 2022 (2):  299-306.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1350
摘要 ( 915 )   PDF(7389KB) ( 687 )   PDF(English)(508KB) ( 44 )  
传统的宽(全)吸力范围内的土-水特征曲线(SWCC)测量方法动辄耗时数月。为了更好地使非饱和土力学理论指导工程实践,SWCC的快速测定显得尤为关键。为开发宽(全)吸力范围内SWCC的快速测定方法,联合压力板法、并行滤纸法、露点水势仪法进行了两种不同土体的宽吸力范围内SWCC的测定试验。试验结果表明:(1)并行滤纸法与串行滤纸法的试验结果能较好地吻合,故可采用并行滤纸法代替串行滤纸法以缩短测量时间;(2)当测量的试验数据满足SWCC的大致形状时(或满足工程设计需求时),可适当减少试验数量,以提高测定效率,联合测定方法测量一条完整的SWCC仅需要10~12个点即可完成;(3)联合测定方法可将SWCC测量时间由数月缩短至7~10 d。所提出的联合测定方法实现了宽(全)吸力范围内SWCC的快速、精准测定,有望使得SWCC的测量成为常规的土工试验。
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MICP技术联合多孔硅吸附材料对锌铅 复合污染土固化/稳定化修复的试验研究
李驰, 田蕾, 董彩环, 张永锋, 王燕星,
岩土力学. 2022 (2):  307-316.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1403
摘要 ( 643 )   PDF(14464KB) ( 380 )  
近年来,工业和科技的快速发展使得重金属污染土固化/稳定化的修复研究成为热点。运用微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术联合吸附材料对锌铅复合重金属污染土进行固化/稳定化的修复,通过无侧限抗压强度试验、毒性浸出试验,评价处理前后污染土的固化效果与重金属的稳定化效果,结合扫描电镜(SEM)和X射线衍射(XRD)等检测手段,揭示MICP技术处理锌铅重金属污染土的修复机制。研究结果表明,采用MICP技术对锌铅重金属污染土进行固化/稳定化之后,可以有效降低污染土中有害重金属的浸出性。当矿化时间为10 d时,试样无侧限抗压强度为942.5 kPa;铅的浸出浓度为 4.20 mg/L,比未处理时降低了44.81%;锌的浸出浓度为4.31 mg/L,比未处理时降低了46.19%,效果显著。在此基础上,添加10%的多孔硅吸附材料后,试样无侧限抗压强度可达到1 021 kPa,强度提高了8.3%;铅的浸出浓度为2.45mg/L,与未经处理时相比,降幅达到了67.81%,与单纯MICP方法处理时相比,铅浸出浓度被二次降低了41.67%;锌的浸出浓度仅为 2.93 mg/L,与未经处理时相比,降幅达到了63.4%,与单纯MICP方法处理时相比,浸出浓度被二次降低了31.9%。多孔硅吸附材料的添加明显提升了MICP技术对锌铅复合重金属污染土的修复效果,由于多孔硅吸附材料对重金属离子的固定与吸附,污染土中重金属的浸出浓度减小,同时,吸附材料还可以作为碳酸钙晶体沉积的核位点,加速矿化反应。该研究提出了处理重金属污染土的新技术并揭示了其修复机制,为MICP技术联合多孔硅吸附材料对现场锌铅复合重金属污染土的修复与应用提供了理论与试验依据。
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黏土岩时效变形特性试验与理论研究
于洪丹, 陈卫忠, 卢琛, 杨典森, 杨建平, 王震,
岩土力学. 2022 (2):  317-326.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1317
摘要 ( 458 )   PDF(9763KB) ( 347 )  
高放废物地质处置岩体材料选取中,黏土岩因具有低渗透性、损伤自修复特性、对放射性核素具有良好的吸附作用等优点,被认为是一种合理的高放废物地质处置屏障。以黏土岩为研究对象,从黏土岩短期、长期力学特性等方面开展研究工作,主要内容如下:(1)进行黏土岩短期自然固结试验,确定了黏土岩的基本物理力学参数,主要包括前期固结压力、压缩指数等;(2)进行流-固耦合固结试验,试验结果表明盐水作用对黏土岩力学特性具有重要影响,且流-固耦合过程中的膨胀现象与黏土岩的黏土矿物含量和类型密切相关;(3)通过对黏土岩进行固结流变试验,研究黏土岩渗流-应力耦合作用下的长期力学特性,试验表明黏土岩具有明显的流变特性,且流变现象与载荷密切相关;(4)根据固结流变试验建立黏土岩一维流变本构模型,同时将模型计算结果与试验结果进行对比,分析表明,该模型能够很好地反映黏土岩一维固结流变特性。该研究对我国未来黏土岩高放废物处置库的规划、设计、选址和运营等具有重要的参考意义。
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生石灰激发GGBS固化高含水率香港海相 沉积物的物理力学性质研究
蔡光华, 周伊帆, 潘智生, 李江山,
岩土力学. 2022 (2):  327-336.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0135
摘要 ( 507 )   PDF(511KB) ( 317 )   PDF(English)(461KB) ( 35 )  
海相沉积物处置已成为一项全球范围的挑战。在传统固化/稳定化方法中,环境污染严重的波兰特水泥(PC)是一种被广泛使用的固化剂。在此背景下,一种环境友好型的固化剂(生石灰与粒化高炉矿渣(简称GGBS)的混合料)取代PC来用在土壤改良领域。使用生石灰激发GGBS固化处理高含水率海相沉积物,并与PC固化海相沉积物进行比较。通过物理、化学试验及无侧限抗压强度试验分析了生石灰-GGBS固化海相沉积物的物理、化学和强度特性。结果表明:与PC固化海相沉积物相比,生石灰-GGBS固化沉积物具有体积收缩大、含水率低和密度略高的物理特性。随着生石灰比例的降低和养护时间的延长,生石灰-GGBS固化沉积物的pH值逐渐降低。生石灰-GGBS固化沉积物的无侧限抗压强度呈先增大(生石灰:固化剂为0.05~0.15)后减小(生石灰:固化剂为0.15~0.3)再增大(生石灰:固化剂为0.3~0.4)的趋势;当生石灰与固化剂的比值为0.15及0.4时,强度达到最大值;当生石灰与固化剂的比值为0.15时,生石灰-GGBS固化沉积物达到的峰值强度是相同条件下PC固化沉积物强度的1.4倍。该研究结果证实了GGBS与少量生石灰组合可以替代PC来固化高含水率的天然沉积物。
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多孔介质中磷负载纳米铁运动特性的模型试验
林丹彤, 胡黎明
岩土力学. 2022 (2):  337-344.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1236
摘要 ( 261 )   PDF(9907KB) ( 175 )  
纳米零价铁在多孔介质中的运动能力影响其作为污染地下水修复材料的应用潜力。已有研究多采用一维柱试验研究纳米零价铁的运动行为,对于其二维运动行为的报道有限。自主研发了模拟多孔介质中纳米颗粒运动的模型试验系统,采用细、中、粗3种不同粒径的玻璃珠模拟土体,通过取样测量和图像分析等方法获得了磷负载纳米铁在多孔介质中的运动行为。一维柱试验结果表明磷负载纳米铁在中玻璃珠和粗玻璃珠中均有一定的运动能力,其液相回收率分别为50.3%和41.0%,而在细玻璃珠中运动能力较差;二维模型试验表明磷负载纳米铁在中玻璃珠中的滞留量随距离逐渐降低,而在粗玻璃珠中则呈现出滞留量随距离先升高后降低的趋势。由模型试验结果分析可知,磷负载纳米铁的运动和滞留过程与多孔介质孔隙结构和流速密切相关,颗粒阻塞与表面沉积等不同物理过程的共同作用导致了其在不同粒径多孔介质中运动特性的差异。研究成果可用于评估磷负载纳米铁的运动能力及分析其在多孔介质中的运移和滞留机制,为纳米零价铁技术的工程应用和环境风险评价提供参考依据。
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基于生物诱导碳酸钙沉淀的土体固化研究进展
张茜, 叶为民, 刘樟荣, 王琼, 陈永贵,
岩土力学. 2022 (2):  345-357.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1249
摘要 ( 870 )   PDF(13730KB) ( 478 )   PDF(English)(1113KB) ( 42 )  
基于微生物或脲酶诱导碳酸钙沉淀(MICP/EICP)的土体固化技术是近年来岩土和地质工程领域的研究热点之一。在系统回顾基于生物诱导碳酸钙沉淀的土体固化技术发展历程的基础上,重点阐述了MICP/EICP固化机制、土体孔隙结构、菌液和脲酶性质、胶凝液性质和固化方式等方面对碳酸钙特性影响的研究进展。研究结果表明:土体孔隙越小,越不利于微生物或脲酶入渗,固化均匀性越差;土颗粒接触点越多,可为碳酸钙提供的沉积点位越多,碳酸钙与土颗粒间的黏结和桥接作用越强,固化效果越好;一定菌液或脲酶浓度或脲酶活性范围内,碳酸钙的生成速率和生成总量随浓度及活性的增大而增大,但过高的浓度或活性易导致碳酸钙生成速率过快,从而在土体注入端发生堵塞;低浓度胶凝液得到的碳酸钙晶体更小,在土体中的分布更均匀;采用合适的注浆饱和度可提高具有黏结作用的碳酸钙的占比;采用多层交替注入或单相低pH值注入可提高碳酸钙在试样中分布的均匀性。基于碳酸钙沉淀特性的影响因素,提高固化土体的均匀性,验证其耐久性,室内试验结果在现场尺度的适应性和改进方案应该成为以后研究的重点。
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纳米氧化硅充填红黏土团粒内孔隙的收缩响应
谈云志, 王媛, 占少虎, 左清军, 明华军
岩土力学. 2022 (2):  358-364.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0440
摘要 ( 307 )   PDF(10918KB) ( 210 )  
红黏土易失水收缩开裂,不仅降低了其整体强度,还为雨水入渗提供了通道,加剧了其承载能力的弱化。因此,如何抑制红黏土收缩,成为解决问题的关键。纳米氧化硅颗粒尺寸极其细小,隶属纳米范畴。充分发挥纳米氧化硅的尺寸优势,以期纳米氧化硅微粒能够进入红黏土团粒内,抵抗红黏土的失水收缩行为。为此,选用不同干质量掺入比(纳米氧化硅:红黏土分别为0:100、2:100、3.5:100、5:100、6.5:100),将纳米氧化硅混入红黏土后压实成型(干密度1.44 g/cm3和1.46 g/cm3)。比较压实红黏土-纳米氧化硅混合物的收缩特性与孔隙分布情况。试验发现,纳米氧化硅可以抑制红黏土的收缩行为;而且随着掺入量增加,其缩限值也逐渐提高。红黏土-纳米氧化硅混合物的表观形貌照片显示,纳米氧化硅掺量大于5%时,红黏土团粒内孔隙赋存有大量纳米氧化硅颗粒。同时,孔隙分布曲线还表明,分布于孔径0.03 ?m的孔隙明显减少,说明纳米氧化硅主要充填孔径大于0.03 ?m的孔隙。纳米氧化硅改善红黏土的收缩性属于物理方法,有别于石灰处治等化学方式,更具有环境友好的潜在优势。
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土工膜-土工布界面动力剪切特性试验研究
侯娟, 邢行, 徐东, 陆向前,
岩土力学. 2022 (2):  365-376.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1371
摘要 ( 286 )   PDF(12466KB) ( 320 )  
糙面土工膜(GMX)和无纺土工布(GT)是垃圾填埋场中周边衬垫系统的重要组成部分,其界面特性对于整体填埋场的稳定性尤为重要。但是,目前对GMX-GT界面的动力剪切特性研究较少。为此,利用大型直剪仪,开展了一系列全饱和条件及干燥条件下GMX-GT界面的循环剪切试验,主要研究了竖向应力、位移幅值和循环次数等对GMX-GT界面动力剪切特性的影响,并对比分析了全饱和及干燥两种条件下GMX-GT界面动力剪切特性的差异。研究结果表明,随着位移幅值的增加,GMX-GT界面呈现出由剪切硬化向剪切软化转变的特性。循环剪切作用使得界面的内摩擦角随着位移幅值的增加而增大。GMX-GT界面主要表现为剪缩特性,且总剪缩量随竖向应力、位移幅值和循环次数的增加而增加。剪切刚度随竖向应力和循环次数的增大而增大,随位移幅值的增大而减小。阻尼比随位移幅值的增大而增大,随循环次数的增加而减小,说明位移幅值会增加GMX-GT界面的能量的耗散。GMX-GT界面在干燥条件下的破坏模式与饱和条件下的存在明显差异,干燥条件下GT内部的破坏更加显著,全饱和条件下GMX表面的破坏更加明显。
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高温高压下超临界二氧化碳作用对花岗岩 力学性质影响的试验研究
薛卉, 舒彪, 陈君洁, 路伟, 胡永鹏, 王益民, 曾凡, 黄若宸,
岩土力学. 2022 (2):  377-384.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1165
摘要 ( 523 )   PDF(7589KB) ( 236 )   PDF(English)(313KB) ( 27 )  
为了研究二氧化碳基增强型地热系统核心及邻近区域中超临界二氧化碳(ScCO2)作用对岩石力学性能的影响,设计了纯ScCO2与干燥花岗岩作用,ScCO2、水蒸气与干燥花岗岩作用,ScCO2与在水中浸泡了24 h后的花岗岩作用3种试验条件,每种试验条件下均开展了210、240、270 ℃温度下的试验。对ScCO2作用后的岩样以及一个未经处理的对比样先后开展纵波波速测试以及单轴压缩试验,获得了岩石的纵波波速、单轴抗压强度以及弹性模量。纵波波速试验结果表明,在上述3种试验条件下,花岗岩样的波速会都会发生一定程度的降低。单轴压缩试验结果表明,ScCO2作用后的岩石单轴抗压强度及弹性模量都几乎没有受到影响,但是从破坏模式看,未经处理的岩石以张拉破坏为主,处理后的岩石以剪切破坏为主,并且随着温度的升高剪切破坏越明显。试验结果说明,在不存在水或者仅有微量水存在的情况下,ScCO2的作用对岩石产生轻微损伤,岩样的刚性减弱、塑性增强,导致其纵波波速有少量的下降,但对力学强度的影响可以忽略。由此可见,在CO2-EGS系统的核心及其邻近区域,CO2的作用不会对花岗岩的力学性能产生显著影响。
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考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆机制
路乔, 杨智超, 杨志全, 于荣霞, 朱颖彦, 杨溢, 张碧华, 王仁超, 方迎潮, 余东亮, 刘浩, 苏建坤,
岩土力学. 2022 (2):  385-394.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1224
摘要 ( 646 )   PDF(10469KB) ( 326 )  
浆液在多孔介质中的扩散路径对渗透扩散范围和注浆效果具有非常重要的影响。采用理论分析,以分形特征与宾汉姆流体在多孔介质中的渗流运动方程为基础,揭示了考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆机制,并利用团队前期开展的渗透注浆试验对其进行了验证。分析了多孔介质孔隙率、宾汉姆水泥浆液水灰比、多孔介质渗透系数、注浆压力、地下水压力等对扩散半径的影响变化规律。同时,基于Comsol Multiphysics平台,采用计算机编程技术二次开发得到了考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆机制的渗透注浆三维数值模拟程序,并以此开展了宾汉姆水泥浆液在多孔介质中渗透扩散形态效果的数值模拟。研究结果表明:与不考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆球形扩散公式获得的扩散半径理论计算值相比,采用考虑扩散路径的宾汉姆流体渗透注浆机制得到的扩散半径理论计算值更接近试验值。该研究成果可为实践注浆工程提供一定的理论支撑。
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海水环境下巴氏芽孢杆菌驯化 及钙质砂固化效果研究
肖瑶, 邓华锋, 李建林, 程雷, 朱文羲
岩土力学. 2022 (2):  395-404.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1455
摘要 ( 545 )   PDF(11456KB) ( 417 )   PDF(English)(724KB) ( 27 )  
为了提升微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)技术在海洋环境下对钙质砂的加固效果,在以往研究的基础上,设计进行了人工海水环境下巴氏芽孢杆菌多梯度人工驯化培养试验,并结合MICP固化钙质砂柱的力学试验和微细观结构分析,对巴氏芽孢杆菌的驯化效果进行了综合评价。结果表明:(1)海水环境下五梯度驯化后细菌的菌液浓度可达到淡水环境的97%以上,其与胶结液作用后碳酸盐的生成量较淡水环境下有一定幅度提高;(2)驯化后的巴氏芽孢杆菌具有很好的温度适应能力,在10~30 ℃温度下均有较好的MICP性能;(3)海水环境下加固的钙质砂柱无论是碳酸盐生成量还是无侧限抗压强度均较未驯化前高,尤其是五梯度驯化后的细菌,驯化后的细菌菌体变小,在海水环境生成的碳酸盐(碳酸钙和碳酸镁)晶体更小,更加致密,能更好地填充钙质砂颗粒的孔隙并胶结相邻的钙质砂颗粒,具有更优异的MICP性能。相关研究思路和方法可为MICP技术在海洋环境钙质砂地基加固方面的研究与应用提供参考。
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考虑不同尺度孔隙压缩敏感性的 砂岩渗透特性研究
田佳丽, 王惠民, 刘星星, 向雷, 盛金昌, 罗玉龙, 詹美礼
岩土力学. 2022 (2):  405-415.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1408
摘要 ( 339 )   PDF(9180KB) ( 286 )  
以往的研究多是从宏观层面建立孔隙压缩敏感性与渗透率之间的关系,缺乏砂岩不同尺度孔隙结构改变对渗透率演化规律的认识。从细观孔隙层面来看,不同尺度孔隙在应力作用下闭合程度差异明显,考虑不同尺度下孔隙压缩敏感性对准确预测渗透率演化至关重要。因此,利用多场耦合核磁共振试验平台开展了砂岩渗流-应力耦合试验,获得了不同应力作用下砂岩渗透率以及孔径分布曲线的变化规律,将孔径分成大孔(>1 ?m)、中孔(0.1~l ?m)、小孔(<0.1 ?m)3类,计算了砂岩不同尺度孔隙压缩系数及其转化因子,提出了考虑不同尺度孔隙压缩敏感性的砂岩渗透率计算公式。结果发现:砂岩不同尺度孔隙的压缩性差异明显,大尺度孔隙的压缩敏感性更强;考虑不同尺度孔隙压缩敏感性的渗透率公式与试验值具有较好的一致性。
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好氧降解对垃圾土沉降影响试验及沉降模型
金佳旭, 丁前绅, 刘磊, 威巍, 张雄, 张柴,
岩土力学. 2022 (2):  416-422.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0473
摘要 ( 346 )   PDF(8020KB) ( 177 )  
好氧降解作用对垃圾土沉降变形特性的定量评价是预测和评估好氧降解稳定化的重要基础。以武汉市典型生活垃圾组成配比人工制作的垃圾土为样本,开展了不同通风条件下垃圾土沉降特性试验,分析了好氧通风频率对沉降变形的影响。试验结果表明:厌氧条件沉降速率趋于稳定后,好氧通风可显著提高垃圾土的沉降速率;上、中、下3层垃圾在高通风频率下垃圾土沉降比低通风频率下沉降效率分别提高了145%、150%、100%;建立了厌氧-好氧联合型沉降模型,通过与试验监测得到的沉降值对比,初步验证了模型的可靠性。研究结果为好氧通风过程中垃圾土沉降稳定性评估提供了理论依据。
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考虑非等温环境下污染物在黏土中的运移解析模型
邱金伟, 权全, 刘军, 童军, 胡波,
岩土力学. 2022 (2):  423-431.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1270
摘要 ( 290 )   PDF(8346KB) ( 268 )  
利用广义积分变换法推导了非等温条件下污染物在压实黏土衬垫中的运移解析解。所提出的解析解考虑了分子扩散、对流、吸附和热扩散的耦合效应,并考虑了压实黏土的渗透系数、分布系数和有效扩散系数3个参数随温度的变化。通过与热扩散试验结果、已有的解析解和基于COMSOL软件的数值模型的对比,验证了所提出的解析解。利用经过验证的解析解,研究了非等温环境以及压实黏土的渗透系数、有效扩散系数和分布系数3个参数随温度的变化对甲苯在压实黏土衬垫系统中迁移的影响。结果表明,非等温环境以及压实黏土的渗透系数、有效扩散系数和分布系数随温度的变化均对甲苯在压实黏土衬垫中迁移有着显著的影响。不考虑非等温环境的影响将极大低估污染物的溢出量和污染物的击穿时间。既有解析解忽略压实黏土的渗透系数和有效扩散系数随温度的变化会极大低估甲苯的流出速率,而忽略压实黏土分布系数随温度的变化会极大高估甲苯击穿衬垫系统的时间和达到稳态的时间。所提出的解析解能够考虑热扩散作用,同时考虑了压实黏土的渗透系数、分布系数和有效扩散系数3个参数随温度的变化,较既有解析解更贴近工程实际,能够为压实黏土衬垫系统的设计和服役性能评价提供指导和借鉴。
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压实度对铁盐稳定化砷、锑污染土特性 的影响及机制研究
周实际, 杜延军, 倪浩, 孙慧洋, 李江山, 杨玉玲,
岩土力学. 2022 (2):  432-442.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1474
摘要 ( 320 )   PDF(11020KB) ( 252 )  
压实度是影响铁盐稳定化砷(As)、锑(Sb)污染土环境岩土工程特性的主要因素之一。通过测定不同压实度铁盐稳定剂(PFSC)稳定化As、Sb污染土无侧限抗压强度(UCS)、As和Sb浸出浓度、渗透系数 ,研究了压实度对PFSC稳定化As、Sb污染土环境岩土工程特性的影响规律。通过工业CT扫描、X射线光电子能谱(XPS)明确了稳定化土微观孔隙特征、元素价态随压实度的变化规律。As的浸出浓度随着压实度的提高先降低后略微上升,压实度为93%时,As的浸出浓度最低;Sb的浸出浓度随着压实度的提高而降低,压实度大于85%后趋于平稳。压实度由75%提高至96%,稳定化土UCS由4.26 kPa增大至43.78 kPa。压实度由80%提高至96%,稳定化土 由1.33×10–7 m/s 降低至2.81×10–9 m/s。工业CT扫描结果表明,随着压实度的提高,土体逐渐紧实,土体孔隙度由7.54%降低至5.30%。As、Sb和Fe的XPS分析结果表明,压实度增高促使As(V)、Sb(V)和Fe(III)分别向As(III)、Sb(III)和Fe(II)转化。揭示PFSC稳定化As、Sb污染土环境岩土工程特性参数随压实度的变化规律,能够为PFSC稳定化As、Sb污染土的工程应用和施工参数优化提供理论依据。
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淋溶时间对红黏土物理力学特性的影响
张文博, 柏巍, 孔令伟, 樊恒辉, 岳秀,
岩土力学. 2022 (2):  443-452.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1401
摘要 ( 308 )   PDF(12133KB) ( 228 )  
以湖北省鄂州市庙岭镇的红黏土为研究对象,以化学选择溶解法结合淋溶作用为处理手段,将原状土样中的游离氧化铁按梯度去除,获得连二亚硫酸钠-柠檬酸钠-碳酸氢钠(DCB)溶液淋溶时间与除铁率的关系,并分析了不同淋溶时间对红黏土物理力学特性及微观孔隙结构的影响。试验结果表明,DCB溶液淋溶时间与除铁率相关性较强,除铁率与时间呈先快速增长后逐渐稳定的关系。由于游离氧化铁在土颗粒间主要起胶结作用,故淋溶时间对红黏土的物理力学特性有较大影响。随着淋溶时间的增长,黏粒与胶粒含量逐渐增大,耐热性小幅提升,无侧限抗压强度显著减小,且无侧限抗压强度变化整体趋势为前期急剧降低至后期趋于平稳。核磁共振、差热分析和电镜扫描的结果表明,随着淋溶时间的增大,庙岭红黏土内部孔隙增大,自由水减少,结合水增多,微观形态上团粒结构遭到破坏,胶结物质明显减少,结构形式从紧凑的粒团堆叠结构逐渐转化为聚集体-松散颗粒状结构。
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有机污染物在含土工膜复合隔离墙 和含水层系统的运移半解析模型
郑紫荆, 朱云海, 王巧, 谢海建, 陈赟,
岩土力学. 2022 (2):  453-465.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1301
摘要 ( 364 )   PDF(11051KB) ( 198 )  
为评估土工膜与土-膨润土组成的复合隔离墙对有机污染物的防污性能,建立了污染物在源区域发生降解扩散时透过复合隔离墙的一维瞬态扩散模型。通过拉普拉斯变换和Talbot数值反演获得了模型解。第3类入流边界条件下,考虑源区的扩散和降解时,第1类隔离墙(土工膜/土-膨润土)和第2类隔离墙(土-膨润土/土工膜/土-膨润土)100 a的击穿浓度分别较源浓度恒定时减少了59%和53%。由于假设土工膜渗透系数高于10–12 m/s,污染物在复合隔离墙中的对流作用不能忽略,因此,采用第2类复合隔离墙使土-膨润土能更好地发挥主导隔离作用。将土工膜的渗透系数从10–10 m/s减少到10–16 m/s,第1类复合隔离墙的击穿时间从26 a增加到188 a,第2类复合隔离墙的击穿时间从32 a增加到81 a。利用抽水井调整墙体内外为负水头差及提高源区的污染物降解能力,可使隔离墙的防污性能得到较大提升。
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吸力式沉箱底部土体循环特性 及其等效循环蠕变模型研究
朱文波, 戴国亮, 王博臣, 龚维明, 孙捷, 胡皓,
岩土力学. 2022 (2):  466-478.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1072
摘要 ( 263 )   PDF(12368KB) ( 142 )  
吸力式沉箱基础作为张力腿平台(TLP)的锚固基础,其底部土体不仅存在轴向卸荷作用,而且还存在循环荷载作用。现有研究很少涉及在卸荷条件下进行的软黏土循环累积变形研究。因此,通过循环三轴试验研究了轴向卸荷条件下软黏土的应变累积变形及应变软化特性。试验结果表明:在低静偏应力以及动偏应力条件下,土体应变累积及软化程度较低;随着动偏应力增加,循环累积变形逐渐变大且前期发展较快后期趋于稳定,同时应变软化程度逐渐增大;土体循环累积变形随动偏应力提高而增大,其循环累积应变曲线呈衰减-稳定的蠕变特性。在试验基础上,提出与静偏应力和动偏应力有关的软化系数公式。构建了考虑软化系数与静偏应力、动偏应力等条件下软黏土等效循环蠕变模型。将该模型推广至三维,并开发了有限元子程序。建立了循环荷载作用下吸力式沉箱基础循环抗拔承载力有限元分析法,将其用于吸力式沉箱基础循环累积变形分析中,并与沉箱模型循环试验结果进行了对比验证。
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陈化污泥理化特性对泥饼渗透性的影响研究
谭洵, 何星星, 陈亿军, 刘磊, 万勇,
岩土力学. 2022 (2):  479-488.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0460
摘要 ( 273 )   PDF(12144KB) ( 242 )  
开展陈化污泥渗透特性研究对于填埋库污泥脱水减量作业具有重要指导意义。选取了8种不同陈化条件下的污泥,开展了压缩排水试验,测定了陈化污泥上清液中可溶性有机物含量和类型,以及陈化污泥聚合体粒径分布与滤液的Zeta电位,并通过皮尔逊相关性分析研究了陈化污泥各物理化学特性间的相互作用。结果表明,随着上清液中可溶性有机物含量的减少、相对腐质化程度的增高与滤液Zeta电位绝对值的增大,陈化污泥的可渗透性增大。同时,当陈化污泥聚合体趋于稳定和粒径增大时,包裹在聚合体中的有机物不易释放到上清液中,陈化污泥可渗透性增大。另外,由于陈化环境的影响,陈化污泥总有机含量变化与上清液中有机物含量变化缺乏一致性,依据陈化污泥有机质含量判断渗透性会造成错误。最后,建立了陈化污泥比阻的影响模型,对于预处理过程中如何改善陈化污泥渗透性具有参考意义。
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冻融循环对二灰和改性聚乙烯醇 固化盐渍土力学性能的影响
李敏, 于禾苗, 杜红普, 曹保宇, 柴寿喜,
岩土力学. 2022 (2):  489-498.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0132
摘要 ( 398 )   PDF(9353KB) ( 215 )   PDF(English)(567KB) ( 18 )  
随季节性变化的冻融循环作用对土体结构有显著的影响。为降低盐渍土对环境温度的敏感性并将其应用于工程中,提出以石灰、粉煤灰和改性聚乙烯醇(MPA)为固化材料的联合固化方法。先通过无侧限抗压强度(UCS)和微观扫描试验评价固化效果,构建固化材料的参数范围,再将抗剪强度(黏聚力和内摩擦角)与正交试验相结合,分析各因素的影响,明确最佳组合参数。结果表明:石灰+粉煤灰+MPA联合固化有助于提高盐渍土的强度,联合固化盐渍土的UCS为1 130.25 kPa,是盐渍土(218 kPa)的5.18倍;联合固化盐渍土的冻融强度满足工程规范(JTG 3430-2020)要求。冻融循环作用下联合固化盐渍土的UCS稳定值为700 kPa,且3次循环后的波动范围在5%左右。适宜配比下联合固化盐渍土的抗剪强度(黏聚力和内摩擦角)在3次冻融循环后为208.2 kPa和38.56°。各因素的敏感性由高到低依次为养护时间、石灰掺量、MPA掺量、干密度、含盐量和冻融循环次数,随石灰、粉煤灰和MPA掺量的增加,联合固化盐渍土强度增大并趋于稳定,固化参数的优化可有效弱化冻融作用对滨海盐渍土的影响。结合抗压及抗剪强度试验结果,建议固化参数的最佳组合为石灰掺量14%、粉煤灰掺量30%、MPA掺量1%、养护时间28 d、干密度1.65 g/cm3。
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岩土工程研究
单井注水改变填埋场中垃圾土温度的模拟
章涛, 施建勇, 吴珣, 韩尚宇, 纪晓磊, 张慧华,
岩土力学. 2022 (2):  499-510.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1195
摘要 ( 280 )   PDF(10350KB) ( 170 )  
为了加速填埋场降解的稳定化,渗滤液回灌常被应用在工程实践中。使用竖井进行回灌是较为有效的方式之一。伴随着液体的注入,由于对流的产生,垃圾土温度势必会发生改变。基于无锡填埋场注水试验,对该现场试验过程中垃圾土温度的改变进行模拟。为此,建立了考虑渗透系数和孔隙率随深度变化的渗流模型,以及考虑渗流影响的热对流-热传导模型,并利用数值计算方法进行求解。在对比计算值和试验值之后,发现所建立的模型能较好地模拟注水期间渗滤液水位和垃圾土温度的变化规律。结果表明:在离注水井超过6 m处的位置,显现的液位相对滞后,至少滞后0.15 d,而且距离越远滞后的时间越长;在液位以下,注水井周围的垃圾土温度均低于初始温度。但是在径向上远离注水井3.6 m之外的垃圾土温度并不是全低于初始温度,在新老垃圾土交界处之上2 m范围内,会出现温度高于初始温度的现象,温度差可达3 ℃;新填垃圾土的已降解时长对单井注水工况下温度分布的影响较为显著。
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基于Levenberg-Marquardt算法的 填埋场中降解产热参数反演研究
吴珣, 施建勇, 章涛, 舒实, 李玉萍, 雷浩,
岩土力学. 2022 (2):  511-518.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1361
摘要 ( 288 )   PDF(7023KB) ( 158 )  
填埋场中垃圾降解产热参数是研究填埋场温度变化及热资源利用的基础。基于室内试验得到的峰值产热模型、填埋场中热传导理论以及Levenberg-Marquardt(LM)算法,提出了填埋场中降解产热参数的反演分析方法。结合填埋场实际工况,建立了填埋场热传导一维模型并得到了温度的解析解。基于某一深度的温度数据,采用LM算法反演得到了填埋场的降解产热参数,采用反演得到的降解产热参数可以计算填埋场任意深度的温度。基于产热参数可以计算得到填埋场的峰值产热速率、峰值产热时间和总产热量。以中国无锡桃花山填埋场和美国密歇根填埋场为例,分别反演得到了降解产热参数,采用反演得到的降解产热参数计算反演点之外测点的温度并与实测值进行对比,验证了反演模型的合理性和适用性。对比发现,与实际填埋场相比,室内试验的降解产热峰值更大,且峰值时间更短。与密歇根填埋场相比,无锡桃花山填埋场的前期产热速率更大,到达降解产热峰值的时间更短。
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深层振动密实对湿陷性黄土层水平应力变化的影响
高常辉, 杜广印, 刘松玉, 庄仲旬, 杨泳, 何欢,
岩土力学. 2022 (2):  519-527.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0662
摘要 ( 305 )   PDF(8655KB) ( 158 )  
深层垂直振动不仅会增加土体刚度,还会增加其水平有效应力。结合深层振动密实技术在我国西北地区处理湿陷性黄土地基的首次实践,探讨了深层振动密实对湿陷性黄土地基土层水平应力变化的影响,同时揭示了湿陷性黄土振动密实的机制。现场试验结果表明,处理深度范围内(–8 m)土层的锥尖阻力和侧壁阻力平均提高了2倍以上,摩阻比增加了20%~50%。–3 m以上范围内土层的侧壁阻力比值较大,且对应较高的水平应力变化值( ),土层水平应力增加显著。深度–3~–7 m范围内土层的侧壁阻力比保持在4左右,对应 值在3~4之间。–7 m以下土层的 值逐渐减小并趋于1。水平应力变化受土层侧壁阻力比的影响较大,受有效内摩擦角的影响小。分析认为,水平应力的增加,导致土层产生“预固结”效应,在微观上表现为黄土由疏松多孔的粒状结构趋向于镶嵌结构,以架空孔隙为主导的大孔隙或消失或演变为镶嵌孔隙等小孔隙,土体逐渐变得密实。
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数值分析
污染场地六价铬迁移转化机制与数值模拟研究
贺勇, 胡广, 张召, 娄伟, 邹艳红, 李星, 张可能,
岩土力学. 2022 (2):  528-538.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.1255
摘要 ( 522 )   PDF(12206KB) ( 385 )   PDF(English)(458KB) ( 26 )  
随着全球工业化迅猛发展,土壤和地下水六价铬污染日益严重。基于某铁合金厂铬渣场地现场调查与采样分析,开展铬渣场地土样吸附、渗透和弥散试验,研究六价铬在粉质黏土土样中的吸附特性和迁移规律,建立考虑对流-弥散-吸附的六价铬迁移三维动力学模型,结合数值软件获取污染源位于场地上、下游时地下水中六价铬迁移分布特征,并揭示弥散度?和分配系数 对六价铬时空分布的影响。试验结果表明,粉质黏土对六价铬吸附符合Langmuir等温吸附模型,最大吸附量为466.6 mg/kg;蒸馏水和160 mg/L 六价铬溶液入渗下粉质黏土渗透系数约为6.5×10–7~6.7×10–7 cm/s,1 000 mg/L六价铬溶液的渗透系数增大至4.4×10–6 cm/s;粉质黏土水动力弥散系数D为1.4×10–4 m2/d,计算得到阻滞因子 为4.2~10。数值模拟结果表明,场地下游受到六价铬污染时,即使不考虑分子扩散作用,上游仍有被污染的风险,污染程度取决于含水层的弥散度;考虑含水层对六价铬吸附时,土体分配系数越大,六价铬污染羽分布范围越小,在预测地下水中六价铬浓度分布时应重点考虑六价铬吸附等转化过程。
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联合机制下黏土垫层多离子扩散模型
张志红, 韩 林, 吕清硕
岩土力学. 2022 (2):  539-548.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0128
摘要 ( 304 )   PDF(9081KB) ( 191 )   PDF(English)(290KB) ( 13 )  
扩散是工程领域中的一种重要现象,尤其是针对填埋场底部的压实黏土垫层。扩散过程受多种因素影响,如离子种类、离子价态和离子浓度等,因此建立准确的扩散模型对填埋场垫层系统设计和评估具有极其重要的意义。引入简化的Guntelberg活度系数表示真实溶液与理想溶液浓度值的偏差,采用化学势和扩散势共同表征多离子扩散的驱动力,并考虑黏土介质特有的半透膜性能对离子扩散规律的影响,建立了复杂机制联合作用下多组分并存时离子在黏土垫层中的扩散模型。采用多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics对所建扩散模型进行数值求解,结果表明,黏土半透膜效应、溶液非理想性和扩散势均显著影响多离子扩散行为,考虑黏土半透膜效应及溶液非理想性条件下,多离子扩散进程明显减缓,考虑扩散势时,阳离子扩散速度显著提高。复杂机制联合作用下,多离子扩散规律并非单一影响机制的简单叠加,各机制之间相互制约共同影响多离子扩散行为。
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湿化膨胀与掺砂率对混合型缓冲材料 THM耦合过程的影响分析
魏天宇, 王旭宏, 吕涛, 胡大伟, 周辉, 洪雯
岩土力学. 2022 (2):  549-562.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0993
摘要 ( 335 )   PDF(14687KB) ( 207 )  
加入辅助骨料后的混合型缓冲材料在保留了材料密封和防渗能力的同时,克服了纯膨润土导热系数低、施工性差的缺点,作为高放废物处置库缓冲材料的备选材料正在成为新的研究热点。基于室内试验数据,以多孔介质非饱和渗流理论为基础,考虑了膨润土湿化膨胀及密度、饱和度、导热系数等材料物理性质参数的实时变化,利用COMSOL Multiphysics软件建立了包含一条巷道及单个井孔的3D网格模型,计算模拟了100 a间屏障系统中膨润土-石英砂混合型缓冲材料的THM多场耦合演化过程,分析了各物理量的时间演化及空间分布规律,并通过不同工况分析了材料湿化膨胀以及掺砂率对屏障系统演化过程的影响。系统中材料温度、饱和度与距固化体、岩壁的距离呈相关性,应力整体以受压为主,变形呈先压缩后膨胀的趋势。其中,膨润土基材料的湿化膨胀作用对温度演化的影响很小,但会略微加速饱和进程,并使材料的应力-应变出现明显的时间演化及区域分布差异。井孔和巷道中靠近岩壁区域的应力上升较快,并且在巷道底板与井孔交界处出现了显著的竖向位移。提高掺量可以有效降低罐体表面温度,增强屏障系统散热能力,降低缓冲材料的历史最大应力,有效控制井孔轴线上的竖向位移,但也会削弱系统的防渗能力。
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基于COMSOL Multiphysics的非饱和 裂隙土降雨入渗特性研究
侯晓萍, 樊恒辉
岩土力学. 2022 (2):  563-572.  DOI: 10.16285/j.rsm.2021.0854
摘要 ( 1608 )   PDF(9390KB) ( 1036 )   PDF(English)(347KB) ( 90 )  
基于COMSOL Multiphysics软件对非饱和裂隙土降雨入渗特性进行数值模拟研究。通过将裂隙和基质分别离散成有限单元,建立了能充分模拟土中裂隙流、基质流以及裂隙-基质流量交换的离散裂隙-孔隙介质模型。结合“空气单元”的概念,对裂隙土的上边界进行模拟。该方法不仅能描述降雨初期雨水沿裂隙优先入渗的现象,还能描述当降雨量大于裂隙土入渗量时雨水沿地表流走的现象。通过对地表以下2 m深度内低渗含裂隙土体进行模拟,分析了裂隙的几何特征、基质的水力特性、前期水分条件以及降雨强度对非饱和裂隙土降雨入渗过程的影响。结果表明,在非饱和裂隙土中,存在两个主要的渗流过程:一是水沿裂隙优先流动;二是水不断从裂隙吸入基质中,基质吸收水的作用抑制了裂隙中优势流的发展。与裂隙的几何特征相比,基质的水力特性对非饱和裂隙土渗流的影响较大。增大基质的饱和渗透系数可能使由裂隙流主导的渗流过程转变为由基质流主导的渗流过程,而基质的非饱和特性与裂隙土的初始含水率改变了土体的储水能力,从而加速或延缓了降雨入渗至某一深度的时间。降雨强度对土体入渗速率和入渗量均有影响,当超过裂隙土的入渗能力时,多余积水沿地表流走,断面入渗率随时间趋于稳定值。
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