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膨润土具有遇水膨胀的特性,是高放核废料深地质处置库理想的缓冲回填材料。膨胀特性是其作为缓冲材料最重要的性能之一,同时受多方面因素的影响。本文以我国首选缓冲材料高庙子膨润土为研究对象,以含水率和干密度为控制变量,以恒体积法为试验方法,研究了高压实高庙子膨润土的水化膨胀特性,采用压汞试验法(MIP)对膨润土微观结构进行了研究,并以此对水化膨胀特性进行了解释。膨胀力试验结果表明,高庙子膨润土的膨胀力发展形式和最大膨胀力均受试样含水率和干密度影响,干密度较小时,水化曲线呈明显的双峰结构,干密度较大时,水化曲线形态与含水率相关,随着含水率增大,双峰结构逐渐消失。MIP试验结果表明,高庙子膨润土的孔径分布同样受含水率和干密度影响,随着含水率和干密度降低,集合体间大孔隙体积增多。膨润土的水化膨胀曲线受集合体间大孔隙影响显著。大孔隙较多时,膨润土集合体能迅速膨胀形成临时结构,当膨胀力超过临时结构的极限荷载时发生坍塌,膨胀力回落,内部结构重组后继续水化达到最大膨胀力,因此其水化膨胀曲线呈明显的双峰结构。随着大孔隙量减少,水化膨胀曲线由双峰结构演变成一条平滑曲线。 相似文献
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针对非饱和渗透系数函数研究中引入未知经验参数会降低预测可靠度的问题,对土样颗粒级配曲线上划分的粒组分别构建形如立方体的天然土颗粒集合体与理想球体颗粒集合体。通过分析两者的几何特征和物理性质,提出计算土孔隙半径的理论表达式;将每个粒组对应的孔隙简化为理想圆柱形孔隙,基于天然土孔隙与理想孔隙内水分流量的相似关系,结合Hagen-Poiseuille公式,构建预测非饱和渗透系数函数的物理方法。依据非饱和土水力特性数据库UNSODA中8个典型土样的持水试验结果验证了孔隙半径表达式在表征土孔径分布时的合理性。结合该数据库及已有文献中26个土样的非饱和渗透试验结果对物理方法进行了验证,通过计算非饱和渗透系数预测值与其实测值之间的相关系数发现其在0.703～0.999范围内变化,并对土样非饱和渗透系数与体积含水率关系的形态和吻合度描述较好,为研究土的非饱和渗透特性提供了一种无需引入未知经验参数的新方法。 相似文献
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非饱和粘土孔隙弹性压力理论 总被引：2，自引：0，他引：2
非饱和粘土因存在气体、液体和固体相, 使非饱和土孔隙压力问题变得复杂。一般来说,气体压缩性大,体积变化对土体变形的贡献起主要作用。在简单介绍现在常用的孔隙压力理论后,基于非饱和粘土孔隙压力平衡关系,由混合物理论导出Bishop公式系数X的表达式;以弹性理论为基础,由质量守恒导出非饱和粘土孔隙压力的一般公式,由此得出Skempton公式A,B系数的表达式;还将其各向同性压缩和侧向约束压缩两种情况作了试验证实。 相似文献
4.
Xu等[1] 提出基于膨润土表面分形模型的膨胀变形计算方法 Vw／Vm=kPDs-3(式1),并得到了Tsukinuno膨润土、Wyoming膨润土和MX-80膨润土的膨胀变形和膨胀压力(统称膨胀变形)的膨胀试验数据的验证。当时由于条件限制,存在两个问题:(1)膨润土的表面分维一般采用氮吸附法测量,由膨胀变形试验数据反算得到的膨润土表面分维没有得到氮吸附试验数据的验证; (2)在归一化吸水体积与压力的分形模型(式1)中,K是膨润土的物性常数,没有给出理论表达式,只是经验系数。本文采用氮吸附方法测量了高庙子Na基膨润土、高庙子Ca基膨润土、商用膨润土和Tsukinuno膨润土的表面分维,根据式(1)由表面分维计算膨胀变形,并与膨胀试验数据比较,验证膨胀变形的分形模型; 根据双电层理论,导出用双电层参数表示式(1)中K值的理论表达式,用于膨胀变形的计算,并与膨胀变形试验结果进行比较验证。 相似文献
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采用变水头渗透试验对蒸馏水与不同浓度的NaCl、CaCl2溶液下石英粉-膨润土混合土的渗透系数进行了测定,为探讨盐溶液及膨润土含量对混合物渗透系数的影响作用机理,使用核磁共振试验(MRI)、环境扫描电镜(ESEM)对混合物在不同盐度溶液下的孔隙分布特征进行分析。结果表明：在盐溶液作用下,石英粉-膨润土混合土的渗透系数明显增加,其孔隙分布也具有明显的差异。推断盐溶液对渗透系数的影响是由于混合土的孔隙变化引起的。最后利用黏粒孔隙比(eb)的概念,建立了一种考虑盐溶液作用下石英粉-膨润土混合土渗透系数的表征公式,与已有预测公式相比,新建表征公式能够较好地预测盐溶液作用下石英粉-膨润土混合土的渗透系数。 相似文献
6.
膨润土缓冲材料热传导特性的研究,对于高放废物深地质处置系统的安全评价至关重要。基于串、并联原理,通过将土体孔隙划分为与固相基质并联和串联两部分,提出了考虑矿物成分、颗粒亲水性、孔隙率及饱和度等因素的非饱和膨润土有效热传导系数的4种预测形式,建立了基于4种形式线性组合的有效热传导特性预测模型。详细讨论了模型参数的确定方法,并讨论了孔隙率、饱和度和孔隙结构、颗粒亲水性等因素对土体有效热传导特性的影响。基于MX-80膨润土和高庙子膨润土热传导特性试验成果,对模型的预测性能进行了验证。结果表明,由于膨润土颗粒尺寸较小且具有亲水特性,孔隙内的空气与水宜采用并联描述。研究成果对于非饱和膨润土的导热性能以及工程屏障系统的THM耦合数值模拟研究具有一定的参考价值。 相似文献
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双电层理论与高庙子膨润土的体变特征 总被引：3，自引：2，他引：1
黏性土中土体颗粒（矿物颗粒）带有负电荷,周围存在电场。在静电引力与布朗运动（热运动）作用下,紧邻土体颗粒表面处静电引力最强,水化离子和极性分子牢牢地被吸附在颗粒表面附近形成固定层。由固定层向外,静电引力逐渐减小,水化离子和极性分子的活动性逐渐增大,形成扩散层。固定层和扩散层中的阳离子（反离子层）与土粒表面负电荷共同构成双电层。根据双电层理论,当给定两个黏土片层之间的距离时,渗透压力可以由两个片层中轴线处的离子浓度来求取。同样,对于给定的渗透压力和中轴线处的离子浓度,便可以确定两个片层之间的距离。采用渗析法吸力控制技术与压汞仪法（MIP）微观结构试验手段,研究了低吸力范围内、自由膨胀条件下高压实高庙子膨润土的土水特性与体变特征,同时采用双电层理论估算了高庙子膨润土水化过程中的自由膨胀量,并将估算值与试验实测值进行了对比分析。在使用孔率计法试验结果求取试样孔隙比时考虑了压汞仪出力能力影响,采用线性延伸方法估算了残余孔隙量。研究结果显示,低吸力范围内,由双电层理论,估算的高压实高庙子膨润土的自由体积膨胀量与试验数据吻合较好,但随着吸力的进一步减小,两者之间的误差有增大的趋势,文中对出现这一偏差的原因进行了分析探讨。 相似文献
8.
采用压汞试验来研究水泥-膨润土固结体的微观孔隙结构特征,有助于从影响因素和机理上认识固结体的强度和渗透系数等宏观特性。试验研究结果表明:固结体的总孔隙体积、最可几孔径、各级孔隙分布以及临界孔径等孔结构特征与膨润土和水泥的用量密切相关。其中固结体的较大孔隙应主要由水泥水化产物构成,膨润土水化后会形成固结体的微小孔隙,并充填一部分大孔隙。 相似文献
9.
基于Fredlund非饱和土一维固结理论,研究了有限厚度的表面透水透气、底面不透水不透气的线弹性和黏弹性非饱和土地基在加荷随时间指数性变化时的一维固结特性。分别得到了两类地基在固结过程中同时考虑液相、气相渗透系数非线性变化和仅考虑液相渗透系数变化两种情况下的半解析解答。利用典型算例进行计算,分析了不同情况下两类地基中超孔隙水、气压力消散以及地基固结度随时间的变化规律,并与不考虑渗透系数变化时的半解析解计算结果进行了对比。结果发现：固结过程中渗透系数呈非线性变化;只考虑液相渗透系数变化时,超孔隙气压力的消散变化不大,超孔隙水压力的消散加快;气相渗透系数变化对超孔隙气的消散产生明显影响,对超孔隙水压力消散影响不大。同时考虑液相和气相渗透系数变化时,土体中超孔隙水、气压力的消散均有明显变化,土体固结速度也相应加快;分析结果对非饱和土固结的进一步研究具有重要意义。 相似文献
10.
对两种高庙子钠基膨润土（简称GMZ001和GMZ07）在不同初始干密度下进行膨胀力试验、常压力下的膨胀变形试验以及压缩试验。试验结果表明,GMZ001的膨胀能力要比GMZ07的大,并且GMZ001比GMZ07更难压实。对饱和后两种膨润土进行压汞试验和扫描电子显微镜测试后发现,在相同孔隙比下,GMZ07集聚体间孔隙较多,并且GMZ001集聚体的水化程度大于GMZ07。结合土工和微观试验的结果,认为导致两者力学性能差异的主要原因是由于颗粒粒径大小的差异以及蒙脱石含量的不同。最后利用蒙脱石孔隙比的概念对两种膨润土的浸水膨胀试验结果进行归一化,并对膨润土的膨胀特性进行了预测。 相似文献
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An unsaturated hydraulic conductivity model for compacted GMZ01 bentonite with consideration of temperature 总被引：1，自引：0，他引：1
W. M. Ye M. Wan B. Chen Y. G. Chen Y. J. Cui J. Wang 《Environmental Earth Sciences》2014,71(4):1937-1944
As one of the most important properties of compacted bentonite used as buffer/backfill materials, hydraulic conductivity is influenced by various factors including temperature, microstructure and suction (or degree of saturation), etc. Based on the readily available results of both temperature-controlled water-retention tests and unsaturated infiltration tests under confined (constant volume) conditions, influences of temperature and microstructure variations on unsaturated hydraulic conductivity of the compacted Gaomiaozi (GMZ01) bentonite were analyzed. Then, a revised unsaturated hydraulic conductivity model considering temperature effects and microstructure changes was developed. With this proposed model, prediction and comparison were made on the unsaturated hydraulic conductivity of the compacted GMZ01 bentonite at 20 °C. Results show that water-retention capacity of compacted GMZ01 bentonite decreases as temperature increases and the degree of the temperature influence depends on suction. Under confined conditions, influence of hydration on microstructure of compacted GMZ01 bentonite depends on pore size. The proposed model can well describe the variations of unsaturated hydraulic conductivity with suction at different temperatures. However, further improvement of the proposed model is needed to account for the phenomenon of inter-aggregate pores clogging that occurred at the initial stage of hydration of compacted GMZ01 bentonite under confined conditions. 相似文献
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高压实膨润土的非饱和渗透膨胀模型 总被引：1，自引：0，他引：1
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。 相似文献
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本文用试验方法研究了静置时间对不同含水率高庙子钠基（GMZ07）膨润土强度的影响。在保持试样干密度和含水率不变的情况下,将初始含水率为10%、18%和24%（饱和）3组压实试样分别静置0、5、15、30、90 d,之后采用精度较高的直剪仪在400、800和1 600 kPa垂直压力下进行剪切试验;同时完成了部分试样的压汞试验。结果表明：GMZ07膨润土的剪切强度随静置时间增长而减小;静置前期,强度下降较快;静置时间超过一定天数后,其剪切强度逐渐趋于稳定。根据3种含水率试样的强度包线可得到：随着静置时间增加,饱和试样的内摩擦角略微下降而黏聚力变化不大;含水率10%和18%试样的黏聚力明显变小而内摩擦角几乎不变。根据Alonso等提出的非饱和土有效应力,结合压实膨润土试样的孔径分布,认为集聚体内孔隙增多是非饱和膨润土强度随静置时间而变小的原因。 相似文献
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裂隙岩体非饱和渗流的分形模型 总被引：4，自引：2，他引：2
基于毛细吸持理论和Sierpinski空间的假定,建立了用分维数表示的毛细压力-有效饱和度及毛细压力-相对渗透系数关系的裂隙岩体非饱和渗流分形模型。根据Monte-Carlo模拟技术由平硐资料生成三维裂隙网络,利用盒维数方法计算裂隙岩体体积分维数。探讨了分维数与裂隙渗透率的关系。结合糯扎渡水利工程实例,将模型计算结果与Brook-Corey模型对比,结果表明相对渗透率主要受最大裂隙开度的影响,当裂隙开度范围不大时,分形模型可较好描述岩体裂隙的毛细压力与有效饱和度的关系。当裂隙开度范围较大时, ,忽略最大裂隙开度,模型可以等价于Brook-Corey模型。 相似文献
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高庙子膨润土已被确定为我国高放废物地质处置的首选缓冲/回填材料,进行其力学特性及应用模拟研究对合理设计处置库具有十分重要的意义。考虑膨胀效应的UH模型是在超固结非饱和土本构模型（非饱和土UH模型）的基础上提出的,因引入了土体团粒的吸水膨胀作用,使其适用于非饱和膨润土。基于有限元软件ABAQUS的二次开发平台,利用Fortran语言编制模型的UMAT（user-difined material）材料子程序,进行了考虑膨胀效应UH模型的有限元实现。然后针对高放废物处置概念模型,利用编制的模型子程序对高放废物处置系统进行了三维有限元模拟,并对渗流场和应力场的演化规律进行了初步探究。模拟结果显示处置系统中膨润土的内应力增加,土体的稳定性较好,说明选择高庙子膨润土作为缓冲/回填材料的合理性,也同时验证了程序的正确性。 相似文献
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西峰塬黄土的湿陷性研究 总被引：1，自引：0，他引：1
采用双线法对西峰塬原状Q3黄土进行增湿、减湿情况下的压缩试验。分析了黄土的湿陷变形随湿度及压力的变化规律。利用SEM技术测试了黄土湿陷前后的微结构变化,采用微结构定量化分析方法和分形分维集合方法分析了黄土试样微观孔隙的变化规律。结果表明:(1)黄土湿陷性的产生是构成黄土架空孔隙的刚性结点变异导致。(2)同级压力下超越湿陷率随初始含水量的增加而变大; 初始含水量在同一水平下,随压力的增加超越湿陷率逐渐变大。(3)黄土湿陷过程伴随孔隙数量大幅增加,平均孔径减小,孔隙面积缩小,大中孔隙数量骤降; 孔隙结构变得更加复杂。本文提出了黄土超越湿陷率的概念及受外界因素的影响规律,分析了非饱和黄土的湿陷机理,即水分和外力不同组合情况的湿陷性。 相似文献
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An experimental study of the water transfer through confined compacted GMZ bentonite 总被引：6，自引：0，他引：6
GMZ bentonite has been considered as a possible material for engineered barrier in the Chinese program of nuclear waste disposal at great depth. In the present work, the hydraulic conductivity of this bentonite was determined by simultaneous profile method. A specific infiltration cell equipped with five resistive relative humidity probes was designed for this purpose. The water retention properties were studied under both confined and unconfined conditions; the results show that at high suctions (> 4 MPa) the water retention capacity is independent of the confining condition, and by contrast, at low suctions (< 4 MPa) the confined condition resulted in significant low water retention. Furthermore, the microstructure was investigated at mercury intrusion porosimetry (MIP) and Environmental Scanning Electron Microscope (ESEM) in different states: on oven-dried powder, bentonite slurry, as-compacted and wetted samples. It has been observed that the soil powder is constituted of aggregates of various sizes; these aggregates are destroyed by full saturation at a water content equal to the liquid limit; compaction at the initial water content of 11–12% and a dry density of 1.7–1.75 Mg/m3 led to a microstructure characterized by a dense assembly of relatively well preserved aggregates; saturation of the compacted sample under constant volume condition defined a non-homogeneous microstructure with the presence of well preserved aggregates. This non-homogeneous microstructure would be due to the non uniform distribution of the generated swelling pressure within the soil sample upon wetting. The hydraulic conductivity determined has been found decreasing first and then increasing with suction decrease from the initial value of about 80 MPa to zero; the decrease can be attributed to the large pore clogging due to soft gel creation by exfoliation process, as observed at ESEM. 相似文献
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利用扫描电子显微镜和ImageJ图像处理软件对不同膨润土掺量黄土试样的微结构和孔隙特征进行了统计分析,并与柔性壁渗透仪渗透试验结果进行了对比。电镜观察及孔隙统计结果表明,随着膨润土掺量不断增加,附着在黄土骨架颗粒上的蒙脱石等粘土矿物持续增多,黄土的孔隙数量急剧增多,相反,孔隙平均面积和平均直径呈下降趋势。将膨润土改性黄土的渗透系数与不同大小孔隙的面积比进行统计回归,发现大中孔隙对渗透系数有决定意义。以此为依据,建立渗透系数与有效孔隙隙比之间的关系,提高了传统回归关系的可靠程度。 相似文献