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水化学环境变化对多孔介质强度和渗透性的影响

作　者: 张倩
导　师: 彭昌盛
学　校: 中国海洋大学
专　业: 环境工程
关键词: 多孔介质粒径分布抗剪强度渗透系数玻璃微珠结合水膜
分类号: O611.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

在入海河口及海岸带地区往往由于自然或人为原因而导致海水入侵。海水入侵过程中,地下水的水位和化学组成会发生剧烈的变化,地下水化学性质的变化将通过地下水体与土体接触过程中所发生的一系列吸附、溶蚀、离子交换、沉淀或结晶等物理化学反应,使土体的化学组成、空间结构和物理力学性质发生改变。水化学条件改变时(如咸淡水环境变化),引起土体的表面性质和微观结构的变化,从而影响到土体的强度和渗透性,并进而影响到河口海岸的侵蚀速度、沿海建筑物的地基强度等。为从微观角度探讨土体性质变化的规律和机理,本试验选用实际土体和玻璃微珠为研究对象,为更好的防治海水入侵作出一定贡献。本文研究了水化学条件的改变对莱州湾实际土体性质的影响,主要包括土体粒径分布及土体强度两方面。通过密度计法测量粒径分布、应变控制式直剪试验和激光粒度分析试验,得到：(1)一定浓度范围内,土体粒径随着盐类浓度增大受水化学作用影响增大势；分析对比了相同浓度下离子价位和种类的变化对粒径影响程度的差异,得出单一盐类对土粒粒径影响程度的顺序：CaCl2>MgSO4>MgCl2>NaCl;同时对相似电导率条件下单一盐类与海水对粒径大小的影响程度进行了研究。初步探讨水土化学作用导致土粒度变化的原因。(2) NaCl水溶液的浓度变化对土体抗剪强度和粒径分布的影响研究表明,NaCl浓度对土体的抗剪强度有很大影响,而且这种影响因土体含水率的变化被进一步强化。分析认为,NaCl浓度的变化影响了土体颗粒表面的双电层和水化膜厚度,双电层厚度的变化影响了土颗粒的分散或聚团,并进而影响了土体的粒径分布和土颗粒之间的粘聚力；而水化膜厚度的变化则直接影响到土体含水率和抗剪强度之间的变化关系。由于原状土体的结构与所含矿物成分比较复杂,研究土体性质时需考虑的影响因素较难确定。为减少由于土体破碎、聚团、胶体释放等因素对试验结果的影响,本论文同时选用了与土体Si、Al、O元素成分相近的玻璃微珠为研究对象,代替结构复杂的实际土体颗粒,模拟理想土体在不同水化学环境中的渗透性和强度变化,并得出：(1)利用变水头渗透仪测得不同水溶液(NaCl、CaCl2、人工海水)流经4种不同粒径的玻璃微珠样品的渗透系数,得到：对于理想球体玻璃微珠,渗透系数跟平均粒径有较好相关性,与朱崇辉的粗颗粒渗透系数的计算模型符合较好；渗透系数与流经样品的电解质溶液的电导率呈正相关关系,且CaCl2对玻璃微珠样品渗透系数的影响比NaCl大；渗流流体中,NaCl和CaCl2的加入是通过减小玻璃微珠表面的结合水膜的厚度,改变了颗粒间的作用力和胶结状态,使多孔介质的有效孔隙率发生改变,结合水膜导致的渗透系数的改变可达5-6倍。(2)一定含水率范围内,随含水率的增加,玻璃微珠样品强度先增大后减小。当土壤含水率达到0.26左右时,由于土颗粒周围的水膜厚度增大,水膜对土颗粒的粘结力减小,土颗粒之间的相互移动较为容易,摩擦力降低,抗剪强度降低。一定浓度范围内的NaCl和海水溶液对玻璃微珠强度影响结果是：随含盐量的增加,土体强度先增大后减小,且分别在NaCl溶液浓度为6g/100ml和海水浓度5%时达到最大值；但相近电导率条件下,单一盐类溶液条件下的土体强度较高,这可能是由于多种盐类相互作用从而减弱了对土粒粘聚力影响所致。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-11
0 前言  11-12
1 绪论  12-25
  1.1 研究目的与意义  12-13
  1.2 国内外研究现状  13-22
    1.2.1 海水入侵现状  13-15
    1.2.2 水化学作用对土体性质的影响  15-22
  1.3 研究内容和方法  22-25
    1.3.1 研究内容  22
    1.3.2 研究方法  22-24
    1.3.3 技术路线  24-25
2 试验材料与试验方法  25-33
  2.1 试验材料  25-27
    2.1.1 成分和结构  25-27
    2.1.2 溶液条件  27
  2.2 试验方法与装置  27-33
    2.2.1 粒度测试  28-30
    2.2.2 强度测试  30-31
    2.2.3 渗透性测试  31-33
3 水化学环境变化对颗粒粒径的影响  33-46
  3.1 试验材料与方法  33-34
  3.2 影响因素分析  34-44
    3.2.1 单电解质浓度对颗粒粒径的影响  34-42
    3.2.2 相同浓度不同电解质对颗粒粒径的影响  42-44
  3.3 结果与讨论  44-46
4 水化学环境变化对土体强度的影响  46-60
  4.1 对实际土体强度的影响  46-51
    4.1.1 试验材料与方法  46
    4.1.2 影响因素分析  46-51
    4.1.3 结果与讨论  51
  4.2 水化学作用对玻璃微珠强度变化的影响  51-60
    4.2.1 试验材料与方法  51-52
    4.2.2 影响因素分析  52-58
    4.2.3 结果与讨论  58-60
5 水化学环境变化对土体渗透性的影响研究  60-71
  5.1 试验材料与方法  60-61
  5.2 影响因素分析  61-69
  5.3 结果与讨论  69-71
6 结论与建议  71-73
  6.1 结论  71-72
  6.2 建议  72-73
参考文献  73-79
附录1 不同溶液条件下的颗粒分布  79-80
附录2 紧密排列方式中，相对孔隙率计算过程  80-81
致谢  81-82
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  82

水化学环境变化对多孔介质强度和渗透性的影响

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