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随着全球气候变暖,城市化进程加快,世界各地大城市的“热岛”效应不断加剧,影响着城市地质环境中的温度场,并引发各类工程地质问题。同时,作为核废料处置和垃圾填埋场缓冲层的粘性土渗透性的温度效应研究也越来越受到关注。本文针对粘性土渗透性的温度效应对几种代表性土样进行了试验研究,并对粘性土渗透性的温度效应的机理进行了相关分析。论文的主要研究工作和相关成果如下:
(1)采用本课题组自主设计的温控系统和变水头渗透装置,对同一密度下三类土五种土样,即下蜀土、淤泥质土、膨胀土、下蜀土-淤泥质土混合土(以下简称淤泥混合土)、下蜀土-膨胀土混合土(以下简称膨胀混合土)进行了不同温度下的渗透试验研究。试验结果表明:随着温度从5℃升到45℃,五种土样的渗透性都呈线性增长。在5℃-45℃温度区间下蜀土的渗透系数提高了一个数量级(从10-7 cm/s升至10-6 cm/s);淤泥质土和淤泥混合土的渗透系数提高了约1.5倍;膨胀混合土的渗透系数变化趋势与下蜀土类似,而膨胀土的渗透系数随温度升高变化不明显,由于试验精度问题,本次试验中膨胀土渗透系数与温度的关系不确定。同一干密度下(干密度=1.57 g/cm3),淤泥混合土在各温度下的渗透系数都比淤泥质土大,而淤泥质土的渗透系数又比下蜀土的大;同时,下蜀土各温度下的渗透系数比膨胀混合土大,膨胀混合土的值又大于膨胀土的。
(2)研究了不同密度下蜀土在不同温度下的渗透系数的变化规律。试验结果表明:不同试验温度下下蜀土渗透系数与其干密度呈多重关系,且不同密度土样的渗透系数随温度的变化率不同,低密度土的渗透系数变化率比高密度土的大。
(3)研究了温度对不同类别粘性土液塑限的影响。结果表明不同类别粘性土液塑限随温度变化规律不一样:下蜀土随温度升高液塑限减小,淤泥质土随温度升高液塑限增大,膨胀土随温度升高液限变化不大,塑性指数有所减小。此外,不同类别土间的液限大小关系为:膨胀土的液限最大,下蜀土次之,淤泥质土最小。
(4)研究了温度对不同类别粘粒吸附结合水的影响。容量瓶法结果显示:三种土的吸附结合水量都随温度升高而减小,减小幅度按膨胀土>下蜀土>淤泥质土排列;同一温度下膨胀土的吸附结合水量明显大于下蜀土的,而下蜀土的吸附结合水量又大于淤泥质土的。吸附结合水厚度与渗透系数及液塑限间有很好的相关性。
(5)在试验的基础上,对粘性土渗透性温度效应的作用机理和影响因素进行了分析,水的动力粘滞性、粘粒的双电层厚度以及土的细微结构变化是引起粘性土渗透性温度效应的主要因素。
(6)论文成果为弄清城市热岛效应中粘性土工程性质的变化规律,分析核废料处置与污染物贮存中粘性土衬垫层的温度效应提供了理论依据。