盐溶液中膨润土膨胀变形的分形模型

当压实膨润土在蒸馏水中膨胀后,施加于膨润土颗粒上的有效应力通常被认为是外部施加的荷载,而当膨润土在盐溶液中膨胀时,膨润土颗粒所承受的有效应力还包括由孔隙水渗透吸力所引起的渗透应力。而压缩膨润土的蒙脱石孔隙比e_m与膨润土颗粒承受的有效应力p之间满足分形关系,该关系可用来计算膨润土的膨胀变形。通过对压实膨润土在盐溶液中颗粒的分散情况以及颗粒表面的分形特性,推导出该渗透应力的表达式,进而得出膨润土颗粒所承受的有效应力。将所提出的有效应力代入分形模型中,计算GMZ01和MX-80膨润土在不同浓度NaCl溶液中的膨胀变形,将现有的两种膨润土膨胀试验结果与模型计算结果对比,发现具有较好的吻合度,在蒸馏水以及各浓度的盐溶液中膨润土的膨胀变形都可采用统一的e_m-p曲线表示,表明提出的有效应力符合膨润土颗粒在盐溶液中的实际受力情况。分形模型为研究膨润土在盐溶液中的膨胀性质提供了有效的计算方法。     

压实膨润土膨胀变形的分形计算方法

分形计算方法能较准确地计算膨润土的膨胀变形,但系数K没有确切的计算方法,限制了该方法的广泛应用。基于双电层（DDL）理论和分形方法在双电层膨胀下都适用的理论事实,提出在双电层膨胀条件下采用DDL理论推导出分形方法中系数K的方法,并计算出商用膨润土的K值为9.15。对商用膨润土进行了N2吸附试验,利用等温吸附数据计算出该膨润土的表面分维为2.65,然后根据得出的系数K和表面分维采用分形方法计算了膨润土的最大膨胀率并与膨胀试验结果作对比。结果表明,分形方法的理论计算和试验结果基本一致,尤其是在施加压力较大而膨胀变形较小的情况下,分形计算方法计算结果比起双电层理论更符合试验数据。     

合肥地区膨胀土颗粒粒径的分形分维研究

简要介绍了分形几何的相关理论 ,通过推求膨胀土颗粒粒径的质量分形特征函数得出了膨胀土颗粒粒径的分形分维简易、方便的计算公式。用筛选法和比重计 (相对密度计 )法对合肥地区有代表性的膨胀土试样进行分析、整理 ,给出了该地区的膨胀土颗粒粒径的分形分维值大致范围 ,为进一步深入研究该地区膨胀土性质和结构奠定了基础     

压实膨润土在盐溶液中的膨胀变形特性

采用蒸馏水以及浓度不同的NaCl溶液作为浸泡溶液,对商用膨润土进行了膨胀变形试验。结果表明在相同的荷载作用下,膨胀变形随浸泡溶液浓度的增加而减小。这是因为浸泡溶液的浓度越大,溶液的渗透吸力也越大,渗透吸力的增加将引起施加在黏土颗粒上有效应力的增加,使得在外部施加荷载相同时膨润土的膨胀变形随溶液浓度的增加而减小。当压实膨润土在盐溶液中膨胀时,其有效应力pe可分为两部分,即施加荷载部分p和渗透吸力部分p。对于浸泡于蒸馏水和NaCl溶液中的膨润土试样,其膨胀后的蒙脱石孔隙比em与有效应力pe之间的关系可采用同一关系曲线表示,此时施加于黏土颗粒上的有效应力的渗透吸力部分p=(p/)0.66。     

膨润土加砂混合物膨胀特征试验研究

运用自行研制的膨胀仪对膨润土加砂混合物进行了一系列膨胀力及膨胀应变等膨胀特性的试验研究,分析了膨胀力随时间的变化规律、两向膨胀力之间的关系和膨胀应变与时间及吸水量之间的关系。试验研究表明,膨润土加砂混合物的最大膨胀力以及最大膨胀应变主要取决于混合物的最初干密度和膨润土含量,并且随着二者的增大而增大;膨润土加砂混合物的水平膨胀力与竖向膨胀力之比随着混合物干密度的增大减小,并且与干密度近似成线性关系;不同膨润土含量的膨润土加砂混合物的膨胀应变与时间成双曲线关系,与吸水量近似呈S型曲线关系,并且其最大膨胀应变与膨润土含量存在指数关系。试验结果对高放废物深处置库中的缓冲回填材料设计具有一定的参考价值。     

高压实膨润土的非饱和渗透膨胀模型

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。     

基于同步辐射小角X射线散射和液氮吸附所测分维计算高庙子膨润土膨胀变形

针对核废料缓冲回填材料内蒙古高庙子钠基膨润土GMZ01,采用同步辐射小角X射线散射(SAXS)和液氮吸附法,基于双对数曲线求斜率测定了SAXS分形维数,基于FHH(Frenkel-Halsey-Hill)模型计算了液氮吸附分形维数。归纳了膨润土膨胀变形计算模型和所需计算参数。基于膨润土膨胀变形双电层和分形模型,采用SAXS分形维数和液氮吸附分形维数分别计算了膨润土膨胀力参数K值,对比了两种方法所测分形维数的计算膨胀力的迥异。结果表明:同步辐射小角散射(SAXS)和液氮吸附所测分形维数较为接近,分别是2.600和2.636,两者差值较小。在双对数坐标表下散射强度和散射矢量存在良好的线性关系;在孔隙比和膨胀力关系中,两种方法所得预测值小于试验实测值;相同的膨润土密度条件下,由SAXS分维计算膨胀应变预测值大于由液氮吸附测试的分维所预测的值。     

基于膨润土凝胶分形结构的屈服强度理论

在核废料处置库安全使用的设计年限（数万年至数十万年）内,膨润土遇水侵蚀,导致缓冲/回填层致密性降低、渗透性增加,危及核废料处置库安全。膨润土侵蚀是以膨润土凝胶形式迁移,膨润土凝胶的屈服强度就是侵蚀的临界剪切应力。膨润土凝胶颗粒之间的联结靠颗粒间的长程作用,即van der Waals力,颗粒间的联结作用取决于凝胶的结构。本文基于膨润土凝胶结构的分形模型,假设凝胶的屈服强度等于冲刷面上单位面积的van der Waals力的总和,导出了膨润土凝胶的屈服强度（σ_y）的表达式,表示为凝胶的固体体积率（φ_s）的幂函数,即σ_y=σ_y0φ_sm,幂函数的指数是凝胶结构分维的函数。膨润土凝胶的屈服强度理论得到了试验数据的验证。     

阳离子交换量和盐溶液浓度对膨润土膨胀变形的影响

膨润土遇水产生的膨胀变形以及膨胀力是由于颗粒间的斥力引起的,而该斥力大小与土体的固定负电荷密度（采用阳离子交换量CEC来表征）以及孔隙溶液的浓度有关,已有的对膨润土膨胀变形研究多针对孔隙溶液而非土体的阳离子交换量。现以钠基膨润土为研究对象,采用Li+固定法来控制膨润土的固定负电荷密度,以达到降低膨润土阳离子交换量的目的,再采用Li Cl为盐溶液,获得了上述不同阳离子交换量的膨润土在不同浓度的盐溶液作用下的膨胀指数。结果表明：随着溶液浓度升高,土样的膨胀指数降低;当浓度小于1 mol/L时,下降较为显著,之后则缓慢降低;随着阳离子交换量的减少,土样的膨胀指数也呈降低趋势。这是因为土颗粒的阳离子交换量和溶液浓度是影响土样与孔隙溶液物理化学作用的决定性因素,阳离子交换量越小,浓度越高,土颗粒之间的斥力降低,土样的膨胀指数则会降低。采用考虑颗粒间物理化学作用的粒间应力来描述试验结果,表明对于该种膨润土来说,不同阳离子交换量以及不同盐溶液作用下的回弹变形和回弹应力几乎在一条曲线上,这也进一步验证了粒间应力在膨胀土模拟中的有效性和适用性。     

膨润土加砂混合物膨胀特性研究

通过有荷膨胀试验,对膨润土加砂混合物的膨胀特性进行了研究,分析了膨胀应变与轴向应力、膨胀应变与吸水量以及轴向应力与吸水量之间的关系,并建立了能综合反映轴向应力和吸水量对膨胀应变影响的混合物膨胀本构关系式。试验研究表明,膨胀应变随着轴向应力的增大而减小,两者之间的关系可以采用对数线性关系来表达;吸水量的变化对膨胀应变有明显的影响,膨胀应变随吸水量的增加而线性的增大;而吸水量受到轴向应力的影响,随着轴向应力的增大,吸水量减少,在轴向应力一定时,吸水量会达到一个最终的饱和值。由于考虑了膨胀变形过程中吸水量的变化,所建立的膨胀本构关系式能较好地反映膨润土加砂混合物的膨胀特性。     

膨润土在核废料处置环境中的膨胀衰减规律研究

利用Phreeqc软件模拟了核废料处置库中高压实膨润土中发生的化学反应,建立了K+、Ca2+、Na+、Mg2+ 4种阳离子的离子交换和矿物溶解沉淀的一维运移反应模型。模拟了核废料处置环境中,膨润土化学组分在不同流体环境下随时间和空间的变化规律,验证了膨胀性的衰减主要是由Na基蒙脱石转变为Ca基蒙脱石引起。结合膨润土化学组分变化结果,对膨润土膨胀性衰减程度进行了评估。得到1万年后海水和地下水环境下的高庙子膨润土膨胀性衰减系数分别达到0.83和0.92,MX80膨润土达到0.79和0.90。     

滑坡分维特征及其预测意义

本文依据分形理论,采用盒维数法计算了西藏樟木地区滑坡及其水系的空间分维。分析了分维的变化特征。发现滑坡高潮期前存在不同幅度的降维现象,滑坡区滑坡活动程度不同,其水系分维在不同观察尺度下变化幅度有显着的差别。探讨了分维的预测意义。     

成矿预测中的分形模型分维数估计的新方法

介绍了分形理论和方法近年来在成矿规律与成矿预测中的应用情况。通过研究分形模型及其曲率，提出了一种求分维数的新方法．该方法求出的分维数比用传统方法求出的分维数更精确（即估计误差更小），并且具有许多优点。最后通过例子说明分形理论在实际问题中应用的方法及步骤，并解释了分维数的实际意义     

分形节理的强度和变形研究

首次运用“分形实验法”人为地生成具有分形结构的节理试件进行实验分析。利用光弹实验可视性特点详细研究了具有不同粗糙度（不同分形维数）的节理在单压和压剪两种加载方式下对试件力学特性影响，得出了一些规律性的结果     

中国断裂构造的分形特征及其大地构造意义

中国大陆壳体中深大断裂的分布具有分形结构特征。大陆全境的分维值为1．493,各构造区的分维值为0．827～1．624。活动区特别是地洼区中断裂构造分维值（1．236～1．624）显著大于稳定区即地台区的分维值（0．827～1．074）,并且壳体结合部位的分维值大于壳内部位。断裂构造的分维值反映了区域大地构造演化、运动历史的复杂性和构造活动的强弱性,因而可作为大地构造研究的一个定量参数。     

估算岩石断裂面粗糙度的一种分形模型

提出了一种更为简单的估算岩石断裂面粗糙度值的分形模型,可用来模拟岩石断裂面剖面线。断裂面愈粗糙,其分维值也愈大,并建立了分维值与ＪＲＣ值之间的经验方程。     

两类花岗岩的分形比较

本文用分形结构因子比较了两类不同的花岗岩系列在矿物学、岩石化学和成矿关系等方面的差别。分形理论不但可从新的角度考察两类花岗岩的差别，而且为解决地质科学问题提供了新的思路和方法。     

地洼区脆性变形域断裂的分形研究

断裂构造是岩石圈脆性变形域内广泛发育着的一类构造，在地洼区内尤为发育。它们构成地洼区构造型相的主体。借助分形维来研究地洼区非线性的断裂系统，可以为评价大地构造单元的构造反差强度提供一种重要的综合性指标。对于定量地描述地洼区大地构造单元演化有着极为重要的理论与实践意义。     

分形统计模型的理论研究及其在地质学中的应用

本文提出了一般分形模型和一般分维数的概念,认为许多地质模型是一般分形模型的特例,指出幂函数分布和帕累托分布是分形统计模型的数学基础,论证了幂函数分布在高端截尾条件下具有尺度不变的分形性质,根据非线性回归模型参数估计的方法,提出了求分维数的新方法,该方法具有许多优点。通过在计算机上产生随机数对分形统计模型进行模拟研究,以及通过实例说明分形统计模型应用的方法及步骤,并解释了分维数的实际意义。