固化/稳定化重金属污染土力学及浸出特性试验研究

为解决传统固化剂在固化/稳定化法处理重金属复合污染土和重度污染土方面存在的不足,研发了一种新型固化剂。以人工制备的Pb、Cd、Cu复合重金属污染土壤为研究对象,开展了室内无侧限抗压强度试验、毒性浸出试验。在此基础上分析了固化体力学特性、浸出特性等随养护龄期、污染土粒径、重金属污染水平的变化规律。以某金矿区三处重金属污染土壤为治理对象,开展了相关测试,验证了新型固化剂对于重金属污染土的固化效果。研究表明：新型固化剂对于复合重金属污染土和重度污染土的效果较好;固化体无侧限抗压强度随养护龄期的增加而增大,随重金属污染水平、污染土粒径的增加而降低,固化体强度达17.35-33.45 MPa,均能满足固废填埋标准及建筑材料强度要求;重金属浸出浓度随养护龄期的增加而降低,随着污染土粒径和污染水平的增加而增加,浸出浓度均远低于（<0.1%）浸出安全标准限值,固化率>99.99%。所研发的高效重金属污染土固化剂,可用于重金属污染场地的固化修复及资源化利用。     

粗粒土亚塑性损伤模型

为了反映粗粒土主要力学特性,建立了亚塑性损伤模型。结合对粗粒土力学特性及物态演化的认识,提出了粗粒土的损伤状态函数。基于亚塑性理论的基本框架和损伤状态函数,建立了损伤模型的公式及参数确定方法。采用该模型对三峡二期围堰等3种实际工程试验结果进行了模拟。模型预测与试验结果吻合良好。该模型无需判断加卸载准则,易于三维化,公式简洁且参数较少,能够较好地反映粗粒土的主要力学特性,包括强度与围压的非线性特征以及在低围压下剪胀显著、高围压下剪缩较为显著的体变特性。     

重金属镉污染对土体力学特性的影响及机理分析

为了研究重金属镉(Cd)对土体力学特性的影响规律及其微观机理,开展了不同Cd含量污染土强度、渗透、剪切特性、压汞和扫描电镜试验研究。力学特性试验结果表明:重金属Cd会劣化土体力学特性;随着Cd含量的增加,土体的抗压强度、剪切强度和黏聚力显著降低;而渗透系数、内摩擦角明显增大。扫描电镜试验结果表明:Cd使土颗粒发生团聚,Cd污染土出现大的团聚体,大颗粒增多,土体表面变得比较粗糙,土颗粒之间的接触形式增多,出现点-面接触和边-面接触;且团聚体间的孔隙较大。压汞试验表明:随着Cd含量的增加,污染土中孔径大于1μm的孔隙体积明显增加。污染土的微观结构和孔隙分布的改变是Cd污染土力学特性变化的本质原因。     

复杂应力状态下土料三轴渗透试验

为研究高土石坝坝体内土体单元在复杂应力状态下的渗透性能,在中型三轴仪上对同一土料场3种不同级配土料进行三轴渗透试验。试验围压分为5级(100 k Pa、400 k Pa、800 k Pa、1 200k Pa和2 000 k Pa),每级围压下分4种应力水平(0、0.2、0.4和0.8),当试样在初始应力状态下变形基本稳定后,采用常水头法测试试样的渗透系数。试验结果表明:级配是影响渗透系数的重要因素,相同应力条件下土料粉粒和黏粒含量越高,渗透系数越小;随围压和应力水平的提高,土料的渗透系数逐渐降低;粉粒和黏粒含量越低、大颗粒含量越高,围压对土料渗透系数的影响越显著;对于不同级配相同密实度试样,应力水平对渗透系数的影响程度基本一致。在分析渗透系数随围压和应力水平变化规律的基础上,建立了能描述复杂应力状态条件下土体渗透系数的经验公式。     

围压及含水量对重塑膨胀土抗剪强度的影响

为研究围压及含水量对重塑膨胀土抗剪强度的影响,以及进一步确定不同围压及不同含水量与重塑膨胀土抗剪强度的计算公式,分别对含水率为8.5%、10.0%、12.0%的新疆哈密地区膨胀土进行围压为100、150、200 k Pa的不固结不排水三轴直剪试验(UU)。试验结果表明:干密度和含水量一定时,围压越高,重塑膨胀土抗剪强度越大,围压越低,抗剪强度越小。干密度一定时,含水率越高,重塑膨胀土的抗剪强度指标越小,抗剪强度越低,含水率越低,重塑膨胀土的抗剪强度指标越大,抗剪强度越高。通过对试验结果的进一步分析发现黏聚力、内摩擦角和含水率呈良好的线性关系,得出含水率、围压和重塑膨胀土抗剪强度计算公式,计算值与试验值有较高的相符程度,为新疆哈密地区重塑膨胀土的施工提供了一定的理论依据。     

饱和土排水蠕变特性对比研究

利用室内改装的应力控制式三轴仪,以淤泥土、粉土、粉细砂(中密、密实)为研究对象,通过k_0固结三轴排水蠕变试验探讨了饱和土的排水蠕变特性.3种土样轴向蠕变规律均为稳定衰减型,但粉细砂的轴向蠕变与密实度有一定关联.3种土样体变规律存在一定差异性,淤泥土的体变随时间呈现剪缩与剪胀交替性,而粉土整体剪缩.砂土体变随时间变化则受围压和密实度的影响较大,体变总体呈剪胀性状,且砂越密实,受剪时围压越低,越易发生剪胀.3种土体蠕变系数与应力水平密切相关,均随应力水平增大而增大,而与围压值关系不大.但这种增长关系,对于黏性土(淤泥土、粉土)基本呈直线关系,而粉细砂并不呈线性,用指数增长关系描述更合适.最后,采用Merchant和Burgers蠕变模型拟合试验数据,发现应力水平S0.8时两个蠕变模型均能达到较好拟合效果,S0.8时均存在弊端有待进一步修正.     

考虑粗粒土应变软化特性和剪胀性的本构模型

在传统细粒土本构模型的基础上进行了改进,建立了一个能较好地描述粗粒土应变软化特性和剪胀性的弹塑性本构模型.该模型采用双屈服面形式,克服了单屈服面模型存在的一些不足,可同时反映剪切变形和压缩变形机理.模型在应变软化特性描述方面,提出了一个利用残余状态应力比和峰值应力比的应变软化公式,较为合理地反映了粗粒土的应变软化现象.在剪胀性描述方面,考虑了状态转换应力比与初始有效围压的相关性.数值模拟结果与试验结果较为接近,表明该模型描述粗粒土在低围压和相对中高围压下的应变软化特性和剪胀性方面具有一定的优越性.     

南坪隧道滑坡滑带土非饱和蠕变特性试验

为研究南坪隧道滑坡滑带土的形成机理,试验通过钻孔取样进行了三轴蠕变试验。试验在3个三轴蠕变试验机上进行,围压分别为150,200,250 k Pa。试验取得以下主要成果:(1)揭示了这类黏土的蠕变特性可用西原模型来描述,从而建立了蠕变本构方程;(2)用曲线求参法求解流变参数,采用叠加原理和等时曲线法获得土壤的长期强度;(3)蠕变参数随围压的增加而增加,长期强度较瞬时强度降低的幅度亦随围压升高而增大,250 k Pa围压时降低52%;(4)与瞬时强度相比,抗剪强度降低,内聚力降低29%,内摩擦角降低30%。     

新型废渣基固化剂修复污染土镍锌扩散特性研究

评估了转炉钢渣-电石渣-磷石膏(BCP)固化剂对工业污染场地土中固化稳定后重金属污染物迁移参数的影响。通过自主研发的一维柱状扩散试验装置,结合菲克定律理论与Pollute V6.3计算程序,对比了重金属镍、锌污染土固化稳定化前后的有效扩散系数和分配系数。结果表明,BCP固化剂的添加使得Ni和Zn有效扩散系数降低约2个数量级,而分配系数显著提高2个数量级。添加固化剂的试样重金属Ni和Zn的分配系数分别为污染土的169和175倍。BCP固化剂能够明显提高污染土的环境安全性。     

矿物固化剂添加下土壤重金属有效性变化及污染风险评价

采集重金属污染原土为供试土壤,通过施加1%和2.5%的沸石、膨润土、硅藻土、蛭石4种矿物固化剂,研究矿物添加对土壤重金属全量、有效态、生物有效性及形态分级的影响,并评价其污染及生态风险.结果表明:添加矿物固化剂后土壤中Cu、Zn、Pb含量仍在土壤重金属污染管控筛选值范围内,其污染及生态风险均相对较低;矿物固化剂添加后可不同程度地降低土壤重金属有效态及生物有效性,且以硅藻土和蛭石处理效果相对较好;矿物添加后可能通过促进EXCH-Cd向FeMnOX-Cd转化而降低土壤中Cd的生物有效性;整体上,2.5%矿物固化剂下土壤重金属综合污染指数下降更为明显.综上,适量矿物固化剂添加可以降低土壤重金属有效性并控制其污染及生态风险.     

固化Zn、Cl污染砂土的强度及浸出特性

为研究新型固化剂固化稳定复合Zn、Cl污染砂土的效果,依托某企业搬迁遗留场地修复工程开展现场中试试验,并结合室内无侧限抗压强度试验、pH测试以及毒性浸出等试验,探讨修复土物理力学、浸出等特性与固化剂成分、养护龄期的变化规律,分析比较了不同固化剂的固化稳定化效果.试验结果表明,固化土干密度较污染素土增加,增幅达11%~12%;固化土强度随养护龄期和固化剂掺量增加而增长,其中28 d龄期6%KMP掺量的固化土无侧限抗压强度较未固化土高6.17倍;掺加固化剂会显著提升污染土pH值,其中掺加GGBS-Mg O的固化土各龄期pH值均略大于掺加KMP的固化土;2种固化剂对Zn、Cl离子的稳定效果有所差别,总体而言,2种固化剂均能有效地稳定土壤中的Zn、Cl离子.     

粗粒土路堤填料力学特性及其细观模拟研究

为了研究粗粒土填料在荷载及降雨入渗作用下的力学特性变化规律,采用Autotriax全自动三轴试验系统对粗粒土填料进行静三轴试验。基于试验所得力学参数,结合颗粒流软件PFC3D对试验进行细观模拟研究,通过自编程序引入接触黏结模型,对比分析粗粒土在不同围压、含水率和压实度下的力学特性及变形规律。研究结果表明:运用PFC3D软件进行静三轴试验模拟,通过数值分析得到的应力-应变曲线变化趋势与室内试验结果变化趋势较一致;试件的体应变在高围压时表现为整体剪缩,低围压时表现为先剪缩后剪胀;随着应变增加,黏结断裂点快速发展,试件由单一的中间部位挤压呈现出多个潜在的剪切面,且颗粒间的黏结破坏具有滞后性,试件内部演变规律与应力-应变曲线变化规律相一致。     

污泥灰修复农田重金属污染土的养分特性

为了解决中国农田重金属污染带来的环境问题,采用污泥灰对Pb、Cd污染的农田土壤进行修复处理,通过测试修复前后农田土壤的p H、阳离子交换量、土壤肥力、重金属的生物有效性和重金属溶出特性评估了污泥灰添加量对农田重金属污染土养分特性的影响规律。试验结果表明:污泥灰可显著提高农田重金属污染土壤的养分特性,改善农田重金属污染土壤理化性质,随着污泥灰添加量的增加,污染土的p H、阳离子交换量和土壤肥力显著增加,而Pb、Cd的生物有效性和溶出特性明显降低,当污泥灰的添加量为10%时,污染土中Pb、Cd的浸出浓度低于中国《地表水环境质量标准》Ⅲ类水限值。因此,污泥灰在修复农田重金属污染土领域有极大的应用前景,可根据农田土壤实际的污染工况和修复目标,合理选择污泥灰的添加量,保证修复后的农田土壤均满足修复标准。     

基于柔性边界的非饱和土三轴试验及离散元分析

非饱和土三轴试验的离散元模拟,对于从细观角度揭示其力学特性至关重要,但目前研究多采用刚性边界条件.使用黏结球颗粒代替橡胶膜,实现围压柔性加载.在此基础上,提出非饱和土三轴数值试验模拟流程,并进行不同围压下的三轴数值试验.从宏观破坏形态和细观剪切带、配位数、接触力等方面研究不同围压下非饱和土的力学特征.结果表明：非饱和土力学特性受围压影响较大,峰值应力和弹性模量随围压增大而增大,围压越大,剪胀性越小;试样主要表现为鼓胀破坏,破坏后剪切带在形态上呈对称的“X”形,剪切带的形成开始于颗粒的转动,到达峰值应力时,内部转动颗粒发生贯通,剪切带基本成型,围压越大,剪切带上转动颗粒数目和转动角度越小;配位数先增加后减少,与体应变变化趋势一致,且随围压增大而增大;剪切使法向接触力概率密度函数峰值左移,并且使法向接触力不均匀性增大,围压越大,法向接触力分布越均匀.该研究成果可为从细观认识非饱和土的力学行为提供途径.     

胶结和孔隙比对结构性土力学特性的影响

结构性土具有与重塑土不同的力学特性,为了探讨胶结和孔隙比等物理因素对其影响,该文对具有不同胶结强度和干密度的人工制备结构性土以及相应的重塑土进行了对比常规三轴试验.试验结果表明,胶结可"滞后"土体的变形,使得结构性土在等向压缩条件下的e-lgp曲线发生转折.结构性土的破坏随围压的升高可依次出现纵向劈裂、剪切带和均匀剪切破坏等3种方式.胶结和孔隙比使得结构性土的变形模量和体变变化规律与重塑土差异很大,同时对结构性土的应变软化和剪胀特性也有显著影响.     

复合触变剂对高填充环氧树脂流变性能的影响

采用旋转流变仪测定η-γ流变曲线,以触变指数为表征量,并结合正交试验方法,研究了有机-无机复合触变剂(聚酰胺改性氢化蓖麻油、纳米有机蒙脱土和纳米SiO_2)的质量配比与质量添加量对高填充氧树脂a、b两组分流变性能的影响.结果表明,环氧a组分中复合触变剂Ⅰ的最佳质量配比为聚酰胺改性氢化蓖麻油∶纳米有机蒙脱土∶纳米SiO_2=4∶4∶3,最佳质量添加量为2%;环氧b组分中复合触变剂Ⅱ的最佳质量配比为聚酰胺改性氢化蓖麻油∶纳米有机蒙脱土∶纳米SiO_2=10∶15∶2,最佳质量添加量为3%.     

一种新的胶凝砂砾石坝坝料应变预测模型

为了研究胶凝砂砾石料的变形特性,对胶凝掺量60kg/m~3的胶凝砂砾石料在围压为300,600,900和1 200k Pa条件下进行三轴剪切试验,在此基础上,分别采用摩尔库仑准则、改进双曲线及抛物线描述胶凝砂砾石料的强度特性、应力-应变及体积应变-轴向应变关系,形成胶凝砂砾石料的应变预测模型。研究结果表明:高围压时峰值强度之前的应力应变曲线斜率比低围压时的斜率大,但软化不明显;与高围压相比,低围压下的试件会较早出现剪胀现象;轴向应变相同时,围压越高的试件主应力差与体积应变越大。模型计算结果与三轴剪切排水试验数据较为吻合,表明该模型能较准确地反映胶凝砂砾石料应力应变关系。     

孔隙填充型深海能源土的离散元成样

针对孔隙填充型水合物的赋存形态,提出了一种新的制备孔隙填充型能源土试样的数值成样方法.孔隙填充型水合物的砂性能源土试样是由砂粒和水合物颗粒混合而成的特殊的散粒体材料,具有明显的非连续特征.在土骨架的孔隙中,将水合物块体视为由颗粒通过强胶结作用凝聚而成的团簇整体,随机填充生成不同水合物饱和度的沉积物试样,开展能源土宏观力学特性的离散元固结排水三轴压缩试验模拟,并从应力应变、体变、接触组构等方面进行分析.结果表明,水合物饱和度的增大对低饱和度的孔隙填充型能源土试样的初始弹性模量和强度影响较小.有效围压相同时,孔隙填充型能源土试样的体积剪缩量随着水合物饱和度的增大而减小;而水合物饱和度相同时,能源土试样强度及体积剪缩量随着有效围压的增大而增大.能源土试样的剪胀角随有效围压的增大而近似线性减少,随水合物饱和度的增大而趋于线性增大.颗粒间接触方向随着轴向应变的增大而朝竖直方向偏转.     

水泥固化重金属污染膨胀土物理性质试验研究

重金属污染对生态环境和工程安全均造成严重不利影响,而对重金属污染膨胀土的固化研究还处于初级阶段。采用南阳地区膨胀土,通过室内添加硝酸铅和硝酸镉溶液分别配制3种不同浓度的重金属污染膨胀土,并采用水泥进行固化。在不同的水泥固化剂掺量下,对固化的重金属污染膨胀土进行击实、液塑限和自由膨胀率试验研究。比较分析干密度、自由膨胀率和液塑限随重金属浓度、水泥掺量的变化规律。试验表明,随着重金属Pb、Cd浓度的增加,污染膨胀土的干密度和自由膨胀率增大,而液塑限降低;掺入水泥后,污染膨胀土的干密度和自由膨胀率随着水泥掺量的增加而降低,液塑限提高,并且水泥对铅污染膨胀土的固化效果优于镉污染膨胀土。     

尾矿粉土液化后的大变形特性试验研究

利用GDS动三轴试验系统研究尾矿粉土液化后的变形特性.首先对饱和尾矿粉土进行振动使其液化,再施加静力荷载;分析了固结围压、相对密度、加载速率等因素对变形与孔隙水压力的影响,研究了饱和尾矿粉土液化后的流动变形与孔隙水消散的变化规律.结果表明:不排水试验条件下,固结围压、相对密度对尾矿粉土液化后的流动变形特性影响明显,而加载速率的影响较小;加载试验的最终孔压比一般介于0.7~0.9之间,相对密度对孔压消散过程的影响大于围压的影响.根据试验结果提出了描述尾矿粉土液化后变形特性的三参数模型,并进行了模型参数的拟合计算及模型验证和对比,结果表明该模型具有良好的适用性.