土体龟裂力学机理及理论模型研究进展

土体龟裂是一种常见的自然现象,它对土体的物理力学性质有重要影响,是许多工程地质及环境地质问题的重要诱因。开展土体龟裂研究,探讨其形成机理并构建相应的理论模型,一直是本课题的研究重点和难点。根据近年来国内外围绕土体龟裂所取得的研究成果,着重对土体龟裂的力学机理及相关理论模型研究进展进行了归纳和总结,并依据各模型的理论基础及其特点进行了分类和评价,得到如下主要认识:学界关于龟裂的形成机理尚未有统一认识,主流观点认为龟裂是土体张拉破坏的一种表现形式,张拉应力和抗拉强度是控制龟裂形成的两个关键力学指标,但上述力学机理不能解释所有的土体龟裂现象。与土体龟裂相关的理论模型总体上可以分为4大类:（1）以断裂力学为理论基础的模型:代表性的有线弹性断裂力学模型、弹塑性断裂力学模型和基于线弹性断裂力学的有限元模型;（2）以张拉破坏为理论基础的模型:代表性的有线弹性力学模型、剪切破坏模型、弹性力学模型和黏性开裂模型;（3）以土体干缩变形过程为基础的含水率-体积变化模型;（4）以土体固结理论为基础的应力路径分析模型。在此基础上,进一步对各模型的适用条件及不足之处进行了评价。最后,笔者对该课题今后的研究重点和方向提出了建议,包括:蒸发过程中土体微观结构变化及微观力学分析;蒸发过程中孔隙水的迁移过程、分布特征及赋存状态研究;土体收缩研究;土体抗拉强度研究;裂隙发育宽度及深度预测理论模型研究;龟裂发育几何形态特征预测理论模型研究。     

污泥处理的固化/稳定化技术研究进展

固化/稳定化（S/S）是目前比较有效的一种污泥处置技术,是通过向污泥中添加固化剂材料,与污泥发生一系列的物理化学反应,提高污泥的力学强度和稳定污泥中的重金属污染物,从而达到污泥安全处置和资源化利用的目的,因此,探索高效、低廉和低碳的S/S技术一直是该领域的重点。根据近些年来国内外学者对该领域研究所取得的成果,着重从污泥的种类、固化剂种类、主要技术指标、关键影响因素及固化/稳定化机理等几个方面总结了该课题的研究现状及进展。得到以下主要认识:污泥按来源可分为河湖污泥、市政污泥和工业污泥3大类,由于不同来源污泥成分差别很大,处置方式也不尽相同;对于污泥的S/S处理,常用的固化剂可分为无机和有机两大类,且无机固化剂占主导,目前最流行的是水泥和石灰,还包括一些工业矿渣、黏土等作为辅助材料;S/S的优劣主要通过两个关键技术指标进行评价:固化体的无侧限抗压强度及浸出毒性;污泥的固化/稳定化效果主要受初始含水率、养护时间、固化剂种类、掺入量、pH值和Eh值等因素的影响;固化剂及其产物在污泥中形成骨架,并通过物理化学作用与污泥颗粒胶结和填充大的孔隙,从而起到固化增强作用;固化剂及其产物主要通过物理包裹、沉淀和吸附作用,将污泥中的有害物质封闭在固化体内,从而达到无害化、稳定化目的。最后,针对目前污泥S/S技术研究的不足,提出了今后该课题的研究重点及方向,主要包括:改善污泥的前期脱水效率、进一步掌握固化体的变形特性、开发针对多种重金属离子的综合S/S技术、建立重金属离子固定/溶出模型和迁移模型、研发新型固化剂等。     

土体水分蒸发研究进展

土体水分蒸发是土体-大气物质和能量交换的主要过程之一,对土体的工程性质有重要影响,是许多工程和环境问题的直接诱因,但长期被本学科所忽视。基于国内外近些年来其他学科领域围绕土体水分蒸发问题所取得的研究成果,分别从土体蒸发量确定方法、试验方法、蒸发过程、影响因素及理论模型等几个重要方面总结了该课题的研究现状及进展,取得如下主要认识：（1）准确确定土体的实际蒸发量是土体水分蒸发研究的核心课题,目前主要有理论计算法和直接测量法两种途径;（2）开展蒸发试验是掌握土体水分蒸发过程和研究土体水分蒸发机制的重要途径,目前主要有室内试验和原位试验两种。相比而言,基于环境箱的室内蒸发试验方法具有较好的应用前景;（3）土体水分的蒸发过程可划分为3个阶段：常速率、减速率和残余阶段;（4）影响土体水分蒸发的因素归纳起来可分为内部土性和外部环境因素两类,前者主要影响土体水分的传输能力,后者主要影响蒸发能量的供应强度;（5）当前关于土体水分蒸发量的计算和预测模型较多,但往往存在误差大、适应范围窄或参数难于获取等不足。基于上述认识,并结合本学科的研究背景,提出了今后该课题的研究重点和方向,包括减速率阶段的蒸发机制、土性参数与蒸发速率之间的量化关系、黏性土尤其是膨胀土中水分的蒸发和迁移机制、高精度原位土体水分蒸发试验设备的研发和构建通用型的土体水分蒸发理论模型等。     

纤维加筋市政污泥固结特性试验研究

城市内河环境整治及清淤过程中往往产生大量污泥, 安全高效处理和处置这类市政污泥并实现资源化利用对改善城市生态环境和经济可持续发展具有重要意义。污泥具有高含水率、高孔隙比和高压缩性等特点, 由于其含有较多有机质和细颗粒, 一般难以通过机械脱水达到减容的目的。因此, 提高污泥的脱水速率和改善其固结特性是实现污泥安全处置及资源化利用的首要任务, 也是目前该课题的研究难点。本文提出了一种离散短丝纤维加筋技术, 为了研究该技术对污泥固结特性的影响, 对不同纤维掺量(0, 0.05%, 0.1%, 0.2%, 0.4%和0.8%)的污泥进行了一系列固结压缩试验, 分析了固结过程中纤维掺量对固结系数和渗透系数的影响。结果表明:在相同的荷载条件下, 随着纤维掺量的增加, 试样的压缩量、孔隙比变化显著增加, 固结时间和压缩系数相对减小, 且当纤维掺入量为0.1%时变化最显著, 为最优掺量。此外, 研究结果表明, 纤维的掺入增大了污泥的固结系数和渗透系数, 固结效率和固结效果得到明显改善。     

土体水分蒸发模型研究进展

土体水分蒸发是土体-大气物质和能量交换的主要过程之一,对土体的工程性质有重要影响。尤其是近些年来,受全球气候变化影响,极端干旱性气候频繁发生,与蒸发相关的岩土和地质工程问题越来越突出,逐渐成为国际研究的热点。建立土体水分蒸发模型是该课题研究的首要目标,对准确评估和预测气候作用下土体水分场信息有重要理论和现实意义。着重对国内外学者近几十年来围绕土体水分蒸发模型所取得的研究成果进行了归纳和总结,依据各种模型的理论基础进行了分类,总体上可分为表面能量平衡模型、水量平衡模型、质量传输模型、阻力模型、温度-风速模型及吸力模型等六大类别。在此基础上,分别阐述了各类模型的研究进展,并对其中一些代表性模型进行了详细介绍,对比分析了各个模型之间的联系与区别,并探讨了它们的优缺点和适应条件。总体而言,现有的模型存在重气象因素而轻土性因素的特点,对砂土和饱和土具有较好的适应性,而对黏性土和非饱和土的适应性较差。基于此,结合本学科的特色和研究背景,提出了今后该课题的研究重点,包括非饱和土的蒸发模型问题研究、黏性土水分蒸发模型研究、考虑土体裂隙参数的土体水分蒸发模型研究、构建通用型的土体水分蒸发模型等几个方面。