生活源污染质干湿循环条件下土体性质与元素迁移特征

摘要

生活源污染质流体干湿循环条件不仅会对土体性质造成重大影响，还会使其内部元素的迁移特征发生变化。这不仅会威胁工程建设安全，还会对环境保护构成挑战。为研究生活源污染质干湿循环条件下土体性质及元素迁移特征，本文以徐州地区的粉质黏土作为研究对象，在分析生活源垃圾渗滤液的无机离子成分及有机质代谢产物成分的基础上，选择Na2CO3与Na3PO4的混合溶液作为污染溶液。通过加湿循环与自然蒸发所组成的干湿循环试验系统，测试并分析了干湿循环条件下土体性质及元素迁移特征，揭示了生活源污染质干湿循环条件下土体性质的变化机理与元素迁移机理。 研究表明：（1）对于循环加湿过程而言，在前4-6次加湿循环过程中，土体密度、抗剪强度及其参数、电阻率与循环加湿次数均呈负相关关系（v密、v强、v电均＜0）；此后随着循环加湿次数增多，除土体密度略有回升（v密＞0）外，其余二者变化不大（v强、v电趋于0）。上述三者均与渗流深度正相关。循环加湿条件下土体渗透系数及表面裂缝的数量、平均宽度均与循环次数正相关，与渗流深度负相关。第1-2次、第5-6次循环加湿，土体vk%与渗流深度分别呈负相关、正相关关系；第7-8次与最后两次循环加湿，土体vk%受渗流深度的影响较小。（2）对于自然蒸发过程而言，浅、中层土体密度、电阻率与蒸发时间分别呈负、正相关关系；中深层土体密度/电阻率随蒸发时间先增后减/变化不大；深层土体密度/电阻率与蒸发时间正相关/关系不大；土体密度、电阻率与埋深分别呈正、负相关关系。随着蒸发时间的增长，浅层土的抗剪强度与其参数先增后减；中层及以下土体抗剪强度与其参数增大；土体抗剪强度与其参数随埋深增大先降后升。随着埋深增大，各蒸发阶段土体的v密增大，v电降低。蒸发早期，土体v强随埋深增大先增后减，蒸发中后-后期，土体v强与埋深正相关。自然蒸发条件下土体表面裂缝的数量及平均宽度与蒸发时间正相关。（3）总体而言，干湿循环的加湿入渗过程会使土的含水率、渗透性增大，（饱和）密度、抗剪强度与其参数、电阻率降低。当土体由加湿入渗状态进入至蒸发状态时，土的密度下降，抗剪强度与其参数、电阻率升高。（4）在加湿循环条件下，增加循环次数具有提高Q累计增长速率的作用。相同循环次数下，Q累计与渗流深度负相关。自然蒸发具有降低浅、中层土体含水率的作用；另外，提高埋深具有抑制自然蒸发对土体含水率的削减作用。（5）加湿循环使土体中的Si、Al、Ca元素的密度降低；P、Na、C元素的密度增大。增加渗流深度能够抑制加湿循环对土体中的Si、Al、Ca元素密度的降低作用。蒸发作用能提高浅层土体中各元素的密度，降低中层土体中的Na、C元素的密度；重力下渗作用能提高中深层及以下土体中的Na、C元素的密度。增大埋深能够降低土中Si、Al、Ca元素密变量，但对P元素密度影响不大。（6）总体而言，生活源污染质干湿循环的加湿入渗过程会降低土中Si、Al、Ca元素的密度，提高Na、P、C元素的密度；当土体由加湿入渗状态进入至蒸发状态时，土中Si、Al、Ca、P元素密度增大。（7）机理研究。①渗流搬运作用不仅直接造成了元素的迁移，还降低了土体密度、强度等指标，但却提高了土的渗透性。②土水间的化学反应产生的沉淀一方面促成了元素从水至土的迁移，另一方面使土的密度增大，渗透性降低，对土体电阻率及强度特征均有一定的影响。③蒸发营力作用一方面直接促使土体表面水分扩散至大气，造成表面以下一定范围内的土体含水率下降，使土体密度、强度、电阻率、导水率等发生相应变化；且由此引发的土体体积收缩不仅会导致裂缝的产生，还会使土中元素发生整体迁移。④重力下渗，离子吸附、溶质运移等作用也会使生活源污染质干湿循环条件下土体性质及元素迁移特征发生变化。（8）建立了生活源污染质干湿循环条件下土中元素迁移的基本微分方程。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1研究背景及意义

1.2.1 污染土基本工程性质研究现状

1.2.2 电阻率等污染土性质测试方面的研究现状

1.2.3 土中水-元素迁移研究现状

1.2.4 渗流理论研究现状

1.3研究中存在的问题

1.4研究内容与技术路线

1.5论文主要成果

2 试验内容及方案设计

2.1 生活源污染质无机盐成分、干湿循环条件确定

2.2土样的制备及其粒度成分

2.3生活源污染质循环加湿条件下土体性质与元素迁移试验设计

2.3.1试验设计思路

2.3.2循环加湿试验设备

2.3.3试验方案设计

2.3.4试验操作步骤与注意事项

2.4.1试验设计思路

2.4.2自然蒸发土柱模型

2.4.3试验设计方案

2.4.4试验操作步骤与注意事项

2.5 小结

3 生活源污染质干湿循环条件下土的性质特征

3.1 生活源污染质循环加湿条件下土的物理力学性质

3.1.1 生活源污染质循环加湿条件下土的密度特征

3.1.2 生活源污染质循环加湿条件下土的强度特性

3.1.3 生活源污染质循环加湿条件下土的电阻率特性

3.2 生活源污染质循环加湿条件下土的裂缝发育特征

3.2.1 生活源污染质循环加湿条件下加湿次数对土体裂缝发育的影响

3.2.2 生活源污染质循环加湿条件下渗流深度对土体裂缝发育的影响

3.3生活源污染质循环加湿条件下土的渗透特性

3.3.1 生活源污染质循环加湿条件下加湿次数对土体渗透性的影响

3.3.2 生活源污染质循环加湿条件下渗流深度对土体渗透性的影响

3.3.3 循环加湿条件下渗流深度对污染土渗透系数变化率的影响

3.4自然蒸发条件下生活源污染土的物理力学特性

3.4.1 自然蒸发条件下生活源污染土的密度特性

3.4.2 自然蒸发条件下生活源污染土的强度特性

3.4.3 自然蒸发条件下生活源污染土的电阻率特性

3.5 自然蒸发条件下生活源污染土的裂缝发育特征

3.6干湿循环过程中污染土性质变化规律

3.7 生活源污染质干湿循环条件对土体性质的影响机理

3.8 小结

（1）生活源污染质干湿循环条件下土体性质特征

（2）生活源污染质 干湿循环条件下土体性质变化机理

4 生活源污染质干湿循环条件下土的元素迁移特征

4.1生活源污染质干湿循环条件下土中元素迁移研究的参数选择

4.2 生活源污染质循环加湿条件下土的元素迁移特征

4.2.1生活源污染质循环加湿条件下土的水通量变化规律

4.2.2生活源污染质循环加湿条件下土中元素迁移规律

4.3 自然蒸发条件下生活源污染土的元素迁移特征

4.3.1自然蒸发条件下生活源污染土的含水率变化规律

4.3.2自然蒸发条件下生活源污染土的元素迁移规律

4.4 生活源污染质干湿循环过程中土的元素迁移规律

4.5 生活源污染质干湿循环条件下土中水分运动原理

4.5.1生活源污染质循环加湿条件下土体Q 累计变化机理

4.5.2蒸发条件下生活源污染土体含水率变化机理

4.5.3污染土中水分运动的数学解释

4.6生活源污染质干湿循环条件下土中元素迁移机理及基本方程

4.6.1生活源污染质干湿循环条件下土中元素迁移机理

4.6.2土中元素迁移的基本方程

4.7 土中水分运动、元素迁移与土体性质之间的内在联系

4.8 小结

（1）生活源污染质 干湿循环条件下土 中元素迁移规律

（2）揭示了生活源污染质干湿循环条件下土中水分的运动原理

（3）揭示了 生活源污染质 干湿循环条件下土中元素的迁移机理

（4）建立了土中元素迁移的基本方程

（5）分析了土中水 分运动、 元素迁移与土体性质之间的内在联系

5 结论与建议

5.1结论

1）生活源污染质干湿循环条件下土体性质特征

2）生活源污染质干湿循环条件下土中元素迁移规律

3）生活源污染质干湿循环条件下土体性变化机理

4）生活源污染 质干湿循环条件 下土中水分的运动原理

5）揭示了 生活源污染质 干湿循环条件下 土中 元素迁移机理

6）建立了 土中元素迁移 的基本方程

7）分析了 土中水 分运动、 元素迁移与土体性质之间的内在联系

5.2 建议

参考文献

作者简历

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