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Evaluation of hydro-mechano-chemical behaviour of bentonite-sand mixtures

Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering 2022年第2期14卷 637-652页

作者： Wenjing sun Cheng Liu Diansen Yang dean sun Department of Civil and Energy Engineering College of Environmental Science and EngineeringDonghua UniversityShanghai201620China Institute for the Conservation of Cultural Heritage Shanghai UniversityShanghai200444China State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering Institute of Rock and Soil MechanicsChinese Academy of SciencesWuhan430071China Shanghai Construction Group Co. Ltd.Shanghai200080China Department of Civil Engineering School of Mechanics and Engineering ScienceShanghai UniversityShanghai200444China

Bentonite-sand mixtures are widely used in engineering barrier of deep geological disposal of high-level radioactive nuclear waste and anti-seepage barrier of civil geotechnical engineering.Under the action of groundwater solution infiltration and external stress,the hydro-mechanical(HM)behaviour of bentonitesand mixtures,i.***.the swelling characteristics and permeability,will change.Once the anti-seepage and filtration effect is weakened or lost,the pollutants will spread to the biosphere.Therefore,it is necessary to study the swelling characteristics and permeability of bentonite-sand mixtures under coupled mechanochemical(MC)effect and to establish corresponding prediction model.For this reason,swelling tests under salt solution with different concentrations are conducted on pure bentonite and its mixtures with 30%,70%and 90%sand contents,the compression tests are carried out on saturated samples,and the saturated permeability coefficient k of the sample under each load is calculated by Terzaghi’s one-dimensional consolidation theory.The concepts of true effective stress pe,montmorillonite void ratio em and critical sand content as are introduced to determine the em-pe relationship and finally the k-em relationship of bentonite-sand mixtures.It is found that when the sand content aas,the em-pe relationship of the mixture is linear and independent of the salt solution concentration,and when a>as,the em-pe relationship of bentonite-sand mixture is bi-linear with the true effective deviatoric stress pesa as the intersection.In addition,the em-k relationship also shows the linear trend when aas,and the slope of the line increases with the increase of the salt solution concentration.When a>as,the k-em relationship will deviate from the linear relationship.Moreover,the larger the sand content is,the farther the deviation is.On the basis of summing the regularity,a model for predicting the HM behaviour of bentonite-sand mixture under the coupled MC effect is proposed.By comparing the swelling and permeability test r

关键词： Bentonite-sand mixture Hydro-mechano-chemical(HMC)behaviour Salt solution True effective stress

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Cylindrical cavity expansion responses in anisotropic unsaturated soils under plane stress condition

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Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering 2022年第6期14卷 1989-2002页

作者： Haohua Chen Xiaolin Weng Lele Hou dean sun Department of Geotechnical Engineering Tongji UniversityShanghai200092China Department of Civil and Architectural Engineering and Mechanics University of ArizonaTucsonAZ85721USA School of Highway Chang’an UniversityXi’an710064China Department of Civil Engineering Shanghai UniversityShanghai200444China

In this paper,an anisotropic critical state model for saturated soils was extended to unsaturated conditions by introducing suction into its yield function.Combining this model with soil-water characteristic curves related to porosity ratio was employed to characterize the coupled hydromechanical behavior of unsaturated anisotropic soil.Based on the plane stress condition,the problem of the cylindrical cavity expansion in unsaturated anisotropic soils was transformed into first-order differential equations using the Lagrangian description.The equations were solved as an initial value problem using the Runge-Kutta algorithm,which can reflect the soil-water retention behavior during cavity expansion.Parametric analyses were conducted to investigate the influences of overconsolidation ratio(OCR),suction,and degree of saturation on the expansion responses of a cylindrical cavity in unsaturated anisotropic soil under plane stress condition.The results show that the above factors have obvious influences on the cavity responses,and the plane strain solution tends to overestimate expansion pressure and degree of saturation but underestimates suction around the cavity compared to the proposed plane stress solution.The theoretical model proposed in this paper provides a reasonable and effective method for simulating pile installation and soil pressure gauge tests near the ground surface of the unsaturated soils.

关键词： Cylindrical cavity Anisotropic unsaturated soil Plane stress Hydromechanical behavior

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高放废物处置库温度场解析

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上海大学学报（自然科学版） 2023年第4期29卷 769-785页

作者：何路强周祥运孙德安上海大学力学与工程科学学院上海200444

高放废物处置库的温度场分布特征是处置库安全性能评估和尺寸设计的重要依据之一.根据KBS-3V型处置库概念设计,建立了单废物罐的轴对称2维传热模型.首先,借助有限傅里叶正弦变换、分离变量法和冲量定理法得到单废物罐放热条件下围岩任... 详细信息

高放废物处置库的温度场分布特征是处置库安全性能评估和尺寸设计的重要依据之一.根据KBS-3V型处置库概念设计,建立了单废物罐的轴对称2维传热模型.首先,借助有限傅里叶正弦变换、分离变量法和冲量定理法得到单废物罐放热条件下围岩任意点的温度解析表达式,通过与已有的半解析解和线热源解结果的对比分析,验证了该模型的有效性;采用在岩壁温度上叠加缓冲层温度差的方法得到废物罐表面温度,然后分析了废物罐近场温度演化规律;最后,对材料热参数、核废物衰变参数以及几何参数对废物罐表面温度的影响进行了分析.研究结果表明:废物罐近场温度在前2年快速上升并达到峰值,之后温度随处置时间缓慢下降;缓冲区温度梯度较大,而围岩区温度梯度较小;缓冲材料和围岩导热系数越大、缓冲层厚度越薄、核废物燃烧值越小、冷却时间越长,则废物罐表面温度越低;膨润土颗粒层厚度对废物罐表面温度的影响大于膨润土块层厚度,这是因为颗粒层材料导热系数较低.

关键词：高放废物处置库传热模型温度场解析解

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三维非饱和土边坡拟动力稳定性分析初探

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岩土工程学报 2023年第9期45卷 1859-1867页

作者：王龙陈国兴胡伟孙德安李洁刘文化江南大学环境与土木工程学院江苏无锡214122 南京工业大学岩土工程研究所江苏南京210009 成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室四川成都610059 上海大学力学与工程科学学院上海200444 澳大利亚皇家墨尔本理工大学工学院墨尔本3001

边坡在地震作用下极易失稳破坏且通常伴随明显的三维破坏特征,增加边坡阶数并结合抗滑桩等加固措施可有效提高边坡的动稳定性,广泛用于滑坡灾害防治中。基于极限分析上限原理并结合拟动力法,将塑性变形理论扩展至非饱和土中,改进已提出... 详细信息

边坡在地震作用下极易失稳破坏且通常伴随明显的三维破坏特征,增加边坡阶数并结合抗滑桩等加固措施可有效提高边坡的动稳定性,广泛用于滑坡灾害防治中。基于极限分析上限原理并结合拟动力法,将塑性变形理论扩展至非饱和土中,改进已提出的半解析水平片分法,计算具有非线性分布特征的非饱和土重力、地震惯性力和抗滑桩侧阻力所做外功率和表观黏聚力的功率耗散率,与解析解对比,验证了该方法的合理性。通过算例分析,探究了非饱和土边坡的地震响应规律,揭示了吸力对边坡地震稳定性及抗滑桩加固效果的强化作用。结果表明:吸力对边坡稳定性的贡献可达15%~30%,且与地震动特性密切相关,地震波达到峰值时,吸力效应得到显著加强;水平加速度系数和土体剪切模量对边坡地震稳定性影响较大;地震作用下边坡将出现明显的“浅层”滑动现象。

关键词：非饱和土边坡极限分析拟动力法基质吸力三维效应

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土体导热系数温度效应及其预测模型

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岩土工程学报 2023年第6期45卷 1180-1189页

作者：徐云山肖子龙孙德安陈军浩曾召田福建工程学院土木工程学院福建福州350108 福建工程学院地下工程福建省高校重点实验室福建福州350108 上海大学土木工程系上海200444 桂林理工大学广西桂林541004

考虑环境温度变化对土体导热系数的影响,对于地下热工项目的优化设计和安全评价是必要的。利用热探针法测试了不同温度下红黏土、粉土、软土和膨润土的导热系数,分析了土体导热系数的温度效应及其影响因素,建立了考虑导热系数温度效应... 详细信息

考虑环境温度变化对土体导热系数的影响,对于地下热工项目的优化设计和安全评价是必要的。利用热探针法测试了不同温度下红黏土、粉土、软土和膨润土的导热系数,分析了土体导热系数的温度效应及其影响因素,建立了考虑导热系数温度效应的加权几何平均模型,并与传统的预测模型进行对比分析。试验结果表明:土体导热系数随温度的增加而增大,其温度效应随干密度的增大而减小,温度对非饱和土体导热系数的影响较大,对于干燥和饱和土体导热系数的影响较微弱。温度对土体导热系数的影响可能取决于水汽潜热传输作用的变化,土中可提供潜热传输的水分和水汽运移通道越多,土体导热系数的温度效应越显著。模型计算结果表明,提出的加权几何平均模型预测性能良好,且较好预测了含水率和干密度对土体导热系数温度效应的影响,而Tarnawski模型、Gori模型、Leong模型预测精度均低于加权几何平均模型。

关键词：土体导热系数温度效应水汽潜热传输预测模型

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干湿过程中膨胀土抗拉强度及其预测

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上海大学学报（自然科学版） 2023年第3期29卷 536-548页

作者：黄钟凯孙德安徐永福张俊然上海大学力学与工程科学学院上海200444 上海交通大学土木工程系上海200240 华北水利水电大学河南省岩土力学与结构工程重点实验室郑州450045

膨胀土由于亲水性矿物的存在,在吸水与失水时具有胀缩特性.当干缩过程中产生的收缩应力大于压应力与抗拉强度之和时,土体将会产生裂缝,从而对膨胀土工程的稳定性产生重要影响.为了研究干湿过程中膨胀土抗拉强度的特性,采用了自制的拉伸... 详细信息

膨胀土由于亲水性矿物的存在,在吸水与失水时具有胀缩特性.当干缩过程中产生的收缩应力大于压应力与抗拉强度之和时,土体将会产生裂缝,从而对膨胀土工程的稳定性产生重要影响.为了研究干湿过程中膨胀土抗拉强度的特性,采用了自制的拉伸试验仪对原状土与南阳膨胀土压实样进行单轴拉伸试验,测量其在干湿过程中的抗拉强度.探究了在一个干湿过程中原状土与压实膨胀土抗拉强度的变化,并制备直接压实样与压实脱湿样对照,分析了不同的制样方法对抗拉强度的影响.试验结果表明:原状样与压实样在脱湿过程中随着含水率的下降,抗拉强度、干密度增大,而压实样增长幅度更大;在吸湿过程中,原状样与压实样抗拉强度迅速下降并趋于稳定.根据原状样与压实样在脱湿与吸湿过程中的土水特征曲线,考虑吸力和饱和度的影响,提出了干湿过程中抗拉强度的预测公式.

关键词：膨胀土抗拉强度干湿过程吸力预测

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基于拟动力法抗滑桩加固非饱和土边坡稳定性分析

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防灾减灾工程学报 2023年第6期43卷 1386-1394页

作者：王龙陈国兴胡伟周恩全孙德安江南大学环境与土木工程学院江苏无锡214122 南京工业大学岩土工程研究所江苏南京210009 成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室四川成都610059 江苏大学土木工程与力学学院江苏镇江212013 上海大学力学与工程科学学院上海200444

基于极限分析上限原理和拟动力法,提出一种半解析改进水平片分法,计算具有非线性分布特征的非饱和土重力和地震惯性力所做外功率,将传统塑性理论扩展至非饱和土中以考虑基质吸力对桩侧阻力的提升作用,与解析解对比验证了该方法的合理性... 详细信息

基于极限分析上限原理和拟动力法,提出一种半解析改进水平片分法,计算具有非线性分布特征的非饱和土重力和地震惯性力所做外功率,将传统塑性理论扩展至非饱和土中以考虑基质吸力对桩侧阻力的提升作用,与解析解对比验证了该方法的合理性。通过算例分析,揭示了吸力对非饱和土边坡稳定性及抗滑桩加固效果的强化作用,探究了非饱和土边坡的地震响应规律,研究了抗滑桩布设参数对支挡结构边坡稳定性的影响规律。研究结果表明:吸力对边坡稳定性的提升效果可达20%~50%,吸力效应与地震动特性密切相关,在地震波达到峰值时显著增强;水平和竖向加速度系数以及土剪切模量对边坡地震稳定性影响较大;桩距D1/dp≤4时,抗滑桩加固效果较为显著并随摩擦角的增加得到强化,抗滑桩最佳桩位位于边坡中上部,且随摩擦角的增加逐渐减小,对应的加固效果也有所降低。

关键词：非饱和土边坡极限分析抗滑桩拟动力法基质吸力

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非饱和南阳膨胀土的剪切强度及其预测

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上海大学学报（自然科学版） 2017年第1期23卷 121-127页

作者：孙红云孙德安上海大学土木工程系上海200444

膨胀土是一种随含水率变化而具有吸水膨胀、失水收缩特性的特殊土,与普通黏土相比,含水率对其强度特性影响更为显著.为了探讨含水率对膨胀土强度的影响,对压实南阳膨胀土进行了一系列直剪试验,得到了在相同干密度及不同含水率条件下的... 详细信息

膨胀土是一种随含水率变化而具有吸水膨胀、失水收缩特性的特殊土,与普通黏土相比,含水率对其强度特性影响更为显著.为了探讨含水率对膨胀土强度的影响,对压实南阳膨胀土进行了一系列直剪试验,得到了在相同干密度及不同含水率条件下的抗剪强度.试验结果表明,南阳膨胀土的抗剪强度和黏聚力均随含水率的增大而减小,内摩擦角受含水率的变化影响不大.此外,把宏观饱和度引入Bishop非饱和土强度公式中,对试验结果与修正强度公式的计算值进行比较,结果表明修正后的Bishop非饱和土强度公式可以较为精确地预测出非饱和膨胀土的强度.

关键词：膨胀土非饱和土抗剪强度

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粉土干化过程中微观结构的演变

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岩石力学与工程学报 2017年第10期36卷 2544-2550页

作者：孙文静韦广崔玉军孙德安上海大学土木工程系上海200444 法国国立路桥学校Navier实验室法国巴黎77455

对黏粒含量为34%的粉土泥浆样进行无宏观裂缝出现的慢速干化试验,对干化至不同目标含水率的试样进行压汞试验,获得孔隙分布曲线,系统地研究干化过程中粉土微观结构的演变规律,分析微观裂隙的形成及发展机制。研究结果表明:随着干化的发... 详细信息

对黏粒含量为34%的粉土泥浆样进行无宏观裂缝出现的慢速干化试验,对干化至不同目标含水率的试样进行压汞试验,获得孔隙分布曲线,系统地研究干化过程中粉土微观结构的演变规律,分析微观裂隙的形成及发展机制。研究结果表明:随着干化的发展,最大进汞量逐渐减小,当含水率达到缩限后,最大进汞量保持不变;不可侵入孔随干化逐渐增多,当含水率小于缩限后,不可侵入孔增大的趋势减缓;当含水率大于缩限前,孔径分布(PSD)曲线峰值对应孔径随干化呈单调递减的关系,含水率继续减小至缩限以下时,峰值对应孔径逐渐增大至固定值;由饱和到非饱和过渡时,PSD曲线在0.1~1?m范围有隆起并达到最大,随着干化的深入,隆起减小直至消失。PSD曲线峰值孔径随干化先减小后增大的趋势以及隆起随干化的变化规律,均证明干化过程中有可能产生微观裂隙,并反映了微观裂隙的演变过程。粉土泥浆样干化过程中,当由饱和过渡到非饱和状态时,黏土会像"外套"一样裹在粉土颗粒周围,微观裂隙在黏土颗粒间及黏土颗粒与粉土颗粒间的交界面上开始出现,该微观裂隙和宏观干燥裂缝在本质上是不同的,是对土体龟裂研究机制的补充。

关键词：土力学粉土压汞实验干化微观裂隙孔径分布

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压实高庙子膨润土抗拉强度时效性试验

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上海大学学报（自然科学版） 2021年第5期27卷 919-927页

作者：车悦孙德安上海大学土木工程系上海 200444

通过试验研究了试样静置时间对不同干密度和含水率压实高庙子膨润土抗拉强度的影响.在保持干密度和含水率不变的条件下,将不同初始状态试样分别静置0,7,15,30,90 d,利用巴西试验测其抗拉强度,并结合压汞试验进行分析.试验结果表明:随静... 详细信息

通过试验研究了试样静置时间对不同干密度和含水率压实高庙子膨润土抗拉强度的影响.在保持干密度和含水率不变的条件下,将不同初始状态试样分别静置0,7,15,30,90 d,利用巴西试验测其抗拉强度,并结合压汞试验进行分析.试验结果表明:随静置时间的增加压实高庙子膨润土的抗拉强度前期减小较多,后期逐渐趋于稳定;在同一含水率下,静置时间对膨润土抗拉强度的影响程度随干密度的增大而减小.静置时间对膨润土抗拉强度的影响如下:在静置过程中,由于土中水分子逐渐向蒙脱石层间移动,蒙脱石晶层吸水逐渐展开、水化,故颗粒间连接变弱,使抗拉强度降低.该成果为核废料处置库膨润土砌块的存放和在安装过程中其抗拉强度的变化范围提供参考数据.

关键词：膨润土抗拉强度时效性微观结构蒙脱石水化

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