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Effect of drying cracks on swelling and self-healing of bentonite-sand blocks used as engineered barriers for radioactive waste disposal

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Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering 2024年第5期16卷 1776-1787页

作者： Yu Tan Guangping Zhou huyuan zhang Xiaoya Li Ping Liu School of Civil Engineering and Mechanics Lanzhou UniversityLanzhou730000China Key Laboratory of Mechanics on Disaster and Environment in Western China (Lanzhou University) Ministry of EducationLanzhou730000China Civil and Environmental Engineering University of Wisconsin-MadisonWI53706USA

Experiments were conducted to evaluate the healing of drying cracks in air-dried bentonite-sand blocks after hydration and swelling in groundwater,providing justifications to simplify the protection of blocks prior to installation in a high-level radioactive waste *** groundwater was prepared to represent the geochemistry of Beishan groundwater,and was used to hydrate the blocks during the swelling pressure and swelling strain measurements,as Beishan is the most promising site for China's *** of the surface cracks was recorded by photography,and healing of the internal cracks was visualized by CT images and hydraulic conductivity of air-dried *** results indicate that the maximum swelling pressure and swelling strain are primarily affected by the geochemistry of Beishan groundwater,but not affected by the drying *** maximum swelling pressure and swelling strain of air-dried blocks are comparable to or even higher than the pressure and strain of fresh *** maximum swelling pressure measured in strong(*** ion strength)Beishan groundwater was 44%of the pressure measured in deionized(DI)water,and the maximum swelling strain was reduced to 23%of the strain measured in DI ***,the remained swelling of the blocks hydrated in strong Beishan groundwater was sufficient to heal the surface and internal drying cracks,as demonstrated by the pictures of surface cracks and CT *** hydraulic conductivity of the air-dried block permeated with strong groundwater was comparable(3.7×higher)to the hydraulic conductivity of the fresh block,indicating the self-healing of drying cracks after hydration and swelling in groundwater.A simplified method of protecting the block with plastic wraps before installation is recommended,since the remained swelling of the block hydrated in Beishan groundwater is sufficient to heal the drying cracks.

关键词： Beishan groundwater chemistry Bentonite buffer Drying cracks High-level radioactive waste(HLW) Self-healing Swelling

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高温碱溶液中混合型缓冲材料膨胀特性研究

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岩石力学与工程学报 2024年第S01期43卷 3507-3519页

作者：张虎元季泽周光平童艳梅王婷婷兰州大学土木工程与力学学院甘肃兰州730000 兰州大学西部灾害与环境力学教育部重点实验室甘肃兰州730000

高放废物地下处置库中,地下水腐蚀衬砌混凝土析出的强碱性溶液,叠加核素衰变释放的辐射热,会影响缓冲材料的膨胀性能。以混合型缓冲材料(70%高庙子膨润土+30%石英砂)为试验对象,孔隙溶液选择蒸馏水和KOH溶液,溶液浓度为0.1,0.3,1.0 mol/... 详细信息

高放废物地下处置库中,地下水腐蚀衬砌混凝土析出的强碱性溶液,叠加核素衰变释放的辐射热,会影响缓冲材料的膨胀性能。以混合型缓冲材料(70%高庙子膨润土+30%石英砂)为试验对象,孔隙溶液选择蒸馏水和KOH溶液,溶液浓度为0.1,0.3,1.0 mol/L。设置试验温度为常温与90℃。测试不同初始干密度试样的膨胀力。试验完成后,对试样开展X射线衍射(XRD)试验,试验结果证实:高温提升了试样膨胀力发展速率与膨胀力值,最终膨胀力值最大增幅为19.3%。KOH溶液作用下缓冲材料膨胀力随时间发展出现衰退现象,是碱溶液危害膨胀性能的典型特征。最终膨胀力值对KOH浓度呈负相关,与初始干密度呈正相关。在90℃1.0 mol/L KOH溶液作用下,试样最终膨胀力值较蒸馏水,衰减程度达到52.3%以上。试样衰减主要与蒙脱石的溶解与阳离子交换有关。最严重的情况下,蒙脱石含量减小为初始的43.2%。

关键词：土力学混合型缓冲材料高庙子膨润土膨胀力温度 KOH溶液

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信息检索与地质工程知识体系融合的教学研究

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中国地质教育 2024年第2期33卷 64-69页

作者：张彤炜张帆宇张虎元兰州大学土木工程与力学学院甘肃兰州730000 西部灾害与环境力学教育部重点实验室甘肃兰州730000

本文针对信息时代学生对搜索资源与学科主体知识体系融合不足的问题展开研究。首先,提出将主体知识体系按照对应的学生能力要求进行模块化分解;然后,从搜索信息、定位信息、利用信息三个角度,引入大语言模型原理、信息智能搜索与订阅、... 详细信息

本文针对信息时代学生对搜索资源与学科主体知识体系融合不足的问题展开研究。首先,提出将主体知识体系按照对应的学生能力要求进行模块化分解;然后,从搜索信息、定位信息、利用信息三个角度,引入大语言模型原理、信息智能搜索与订阅、知识利用与加工三方面教学内容。以培养学生网络信息筛选与管理、信息对比分析与加工、自主搜索知识与学科主体模块融合三方面的能力为目标,设定考核评价体系。学情分析显示,综合目标达成度为0.837。

关键词：地质工程信息检索学科主体知识

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锁阳城土遗址孔隙结构及其分形特征研究

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文物保护与考古科学 2024年第4期36卷 19-31页

作者：张虎元易泉刘洪丽李小雅于洪亮西部灾害与环境力学教育部重点实验室(兰州大学) 甘肃兰州730000 兰州大学土木工程与力学学院甘肃兰州730000 甘肃省敦煌文物保护研究中心(敦煌研究院) 甘肃酒泉736200

在风化因子的持续作用下,土遗址微观结构持续劣化并最终导致宏观病害的发育。微观结构的特征反映了土遗址材料内在的劣化程度,为研究土遗址风化程度与微观孔隙结构变化的关系,采取锁阳城土遗址不同方位城墙土样,采用低温液氮吸附试验测... 详细信息

在风化因子的持续作用下,土遗址微观结构持续劣化并最终导致宏观病害的发育。微观结构的特征反映了土遗址材料内在的劣化程度,为研究土遗址风化程度与微观孔隙结构变化的关系,采取锁阳城土遗址不同方位城墙土样,采用低温液氮吸附试验测定了土样的比表面积和孔容孔径分布,并基于FHH分形模型计算样品的分形维数;结果表明,锁阳城土遗址不同样品比表面积偏差率高,比表面积数值和分布具有明显差异;孔隙容积变异系数高,离散程度大,存在差异性劣化行为;土样的孔隙形态呈狭缝状、楔形、“墨水瓶”孔、管状孔等多种复杂形态,小于2.765 nm的孔隙大都为封闭透气孔。结合分形维数可知,锁阳城土样具有明显的分形特征,孔隙空间结构不规则,非均质性强,表面粗糙程度大,且分形维数和锁阳城土遗址劣化程度具有一定相关性。本研究关于土样孔隙的定量表征对于土遗址风化劣化研究有着重要意义。

关键词：锁阳城土遗址低温氮吸附试验分形维数孔隙结构特征风化

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Responses of arbuscular mycorrhizal fungi to straw return and nitrogen fertilizer reduction in a rainfed maize field

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Pedosphere 2024年第2期34卷 351-360页

作者： Zhenling PENG Hao XI Lin MAO huyuan FENG Jianjun zhang Yongjun LIU State Key Laboratory of Herbage Improvement and Grassland Agro-ecosystems College of EcologyLanzhou UniversityLanzhou 730000China College of Life Sciences Northwest Normal UniversityLanzhou 730070China School of Life Sciences Lanzhou UniversityLanzhou 730000China Dryland Agriculture Institute Gansu Academy of Agricultural SciencesLanzhou 730070China

Straw return can be used to reduce fertilizer input and improve agricultural sustainability and soil ***,how straw return and reduced fertilizer application affect beneficial soil microbes,particularly arbuscular mycorrhizal fungi(AMF),remains poorly ***,we conducted a five-year field experiment in a rainfed maize field on the Loess Plateau of northwestern *** tested four treatments with straw return combined with four nitrogen(N)application rates,i.e.,100%,80%,60%,and 0%of the common N application rate(225 kg N ha^(-1)year^(-1))in this region,and two reference treatments(full or no N application),with three replicates for each *** colonization was quantified and AMF communities colonizing maize roots were characterized using Illumina *** virtual taxa(VTs)of AMF were identified in root samples,among which VT113(related to Rhizophagus fasciculatus)and VT156(related to Dominikia gansuensis)were the predominant *** root length colonization and AMF VT richness were sensitive to N fertilization,but not to straw return;furthermore,both gradually increased with decreasing N application *** VT composition of the AMF community was also affected by N fertilization,but not by straw return,and the community variation could be well explained by soil available N and phosphorus ***,60%,80%,and full N fertilization produced similar maize ***,our study revealed the response patterns of AMF to straw return and N fertilizer reduction and showed that straw return combined with N fertilizer reduction may be a promising practice to maintain mycorrhizal symbiosis concomitantly with crop productivity.

关键词： agricultural sustainability crop productivity mycorrhizal colonization mycorrhizal symbiosis root length colonization virtual taxon

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Hydrophobicity and carbonation treatment of earthen monuments in humid weather condition

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Science China(Technological Sciences) 2012年第8期55卷 2313-2320页

作者： LI Min zhang huyuan Key Laboratory of Mechanics on Disaster and Environment in Western China Ministry of EducationLanzhou UniversityLanzhou 730000China School of Civil Engineering and Mechanics Lanzhou UniversityLanzhou 730000China

Water stability of soil is crucial to the durability of earthen monuments,especially those located in the humid weather *** paper discusses the selection reason of materials(tung oil and quicklime) for earthen monument treatment,and then validates the applicability of these materials with tests of soil-water characteristic curve(SWCC),aggregate stability test(AST) and scanning electron microscope(SEM).The soil tested was sampled from Da Bao'en temple in Nanjing,Jiangsu province,*** test results indicate that the carbonation reaction of quicklime offers a favorable environment for the formation of tung oil ***,the regulatory function of tung oil restricts the crystallinity of calcium carbonate(CaCO3) and forms fine *** treated with both of tung oil and quicklime has good water repellency and aggregate stability without obvious changing in aesthetic *** and carbonation treatment can be applied prospectively in the conservation of earthen monument located in humid weather condition.

关键词：天气条件碳化处理疏水性潮湿团聚体稳定性扫描电子显微镜稳定性测试古迹

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Leachability of heavy metals from solidified sludge

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Science China(Technological Sciences) 2009年第7期52卷 1906-1912页

作者： zhang huyuan WANG Bao DONG XingLing FENG Lei FAN ZhiMing Key Laboratory of Mechanics on Disaster and Environment in Western China Ministry of EducationLanzhou UniversityLanzhou 730000China College of Resource and Environmental Science Lanzhou UniversityLanzhou 730000China

Solidified sludge undergoes progressive depletion of the alkalinity materials under natural weathering condition and releases out of heavy metals. The leaching of heavy metals from solidified sewage sludge was studied by acid neutralization capacity (ANC) test and flow-through leaching test. The results of ANC test showed that heavy metals release at high concentration when the pH of extract lowers than 6. The disintegration of solidified sludge and the transformation of heavy metals are the main reasons for the resolubilisation of contaminants. Flow-through leaching test indicated that leaching of heavy metals from solidified sludge occurs in a slow way. A mathematical model has been developed to predict the stabilization time of heavy metals in solidified sludge. The research results showed that decreasing hydraulic conductivity is more important than cement addition for controlling the release of heavy metals from solidified sludge.

关键词： sludge heavy metal leaching model stabilization time

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深埋富水黄土隧道地表深孔袖阀管注浆加固机理及效果分析

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现代隧道技术 2023年第1期60卷 219-224页

作者：张民庆张虎元谢君泰中国国家铁路集团有限公司工程管理中心北京100844 兰州大学兰州730000 中铁第一勘察设计院集团有限公司西安710043

黄土具有“强度低、变形量大、自承能力小、工程性质差”的特点,且对水特别敏感,一旦遇水,强度明显降低,工程性质急剧恶化。因此,富水黄土隧道的施工难度极大、安全风险极高。银川至西安高铁上阁村隧道穿越富水黄土地层,埋深102 m。施工... 详细信息

黄土具有“强度低、变形量大、自承能力小、工程性质差”的特点,且对水特别敏感,一旦遇水,强度明显降低,工程性质急剧恶化。因此,富水黄土隧道的施工难度极大、安全风险极高。银川至西安高铁上阁村隧道穿越富水黄土地层,埋深102 m。施工中,通过降水试验无法取得明显的降水效果,同时隧道围岩变形大、进度缓慢。鉴于此,开展了地表深孔刚性袖阀管注浆试验研究。研究结果表明:(1)地表深孔袖阀管注浆可以有效加固地层,提高其自稳能力。加固机理主要表现为浆液对竖向原生节理的填充阻水作用、浆液结石体的空间骨架作用;(2)注浆后隧道拱顶累计沉降量明显减小,变形速率降低,仰拱闭合时间提前,隧道开挖进度可达到60~80 m/月。与未注浆工况相比,施工进度提高了3倍以上;(3)通过注浆,隧道基底黄土地层承载能力可提高3倍以上,从而可保证高铁隧道的长期运营安全。

关键词：深埋隧道富水黄土地表深孔袖阀管注浆注浆机理注浆效果

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乐山大佛胸部渗水病害特征研究

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西南交通大学学报 2023年第5期58卷 1037-1044页

作者：孙博张虎元张鹏申喜旺杨天宇兰州大学土木工程与力学学院甘肃兰州730000 中铁西北科学研究院有限公司甘肃兰州730000 乐山大佛风景名胜区管理委员会四川乐山614000

为给乐山大佛渗水病害治理及后期保护研究提供科学依据,本研究首次对乐山大佛渗水及大气降水进行定量监测采样,分析大佛渗水来源及其特征,并结合水化学性质和岩石组成对“大佛砂岩”风化机理进行了研究.研究表明:乐山大佛胸部渗水在平... 详细信息

为给乐山大佛渗水病害治理及后期保护研究提供科学依据,本研究首次对乐山大佛渗水及大气降水进行定量监测采样,分析大佛渗水来源及其特征,并结合水化学性质和岩石组成对“大佛砂岩”风化机理进行了研究.研究表明:乐山大佛胸部渗水在平水期与枯水期主要补给来源为地下水,丰水期主要补给来源为大气降水;大佛胸部渗水含有大量溶解质组分,pH平均值为7.70,2009年之后乐山市降水年平均pH>5.60且逐年增高,至2015年全年降水pH平均值大于7.00,降水已由酸性转为碱性;大佛胸部渗水水化学类型为碳酸盐类-钙组-Ⅱ型与硫酸盐类-钙组-Ⅲ型,阳离子以Ca^(2+)为主,阴离子以SO_(4)^(2-)与HCO_(3)^(-)为主;大佛胸部岩石主要成分为CaCO_(3)和SiO_(2),在空气和水存在的情况下容易发生溶蚀,岩石风化对大佛渗水中离子贡献超过90%,H_(2)CO_(3)与H2SO_(4)共同参与了“大佛砂岩”的风化.

关键词：乐山大佛渗水监测大气降水岩石风化

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高庙子膨润土在模拟水泥浸出液中的黏土矿物相变

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硅酸盐学报 2023年第1期51卷 215-225页

作者：张虎元李小雅童艳梅于洪亮易泉兰州大学土木工程与力学学院兰州730000 兰州大学西部灾害与环境力学教育部重点实验室兰州730000

高放废物处置库衬砌混凝土,在地下水溶蚀作用下释放出“水泥浸出液”,其化学成分经历4个阶段的演变过程。配制新鲜水泥浸出液模拟第I阶段水泥浸出液,与高庙子膨润土粉末混合成悬液体系,开展批式固-液静态反应,评估中国处置库膨润土缓冲... 详细信息

高放废物处置库衬砌混凝土,在地下水溶蚀作用下释放出“水泥浸出液”,其化学成分经历4个阶段的演变过程。配制新鲜水泥浸出液模拟第I阶段水泥浸出液,与高庙子膨润土粉末混合成悬液体系,开展批式固-液静态反应,评估中国处置库膨润土缓冲材料的长期化学稳定性。静态反应256 d期间,分阶段采收的悬液分离成固、液两相。液相检测pH值、电导率和阳离子浓度。固相开展X射线衍射、Fourier红外光谱和扫描电子显微镜-能谱仪分析测试。固、液两相分析结果表明:高庙子膨润土在新鲜水泥浸出液作用下,同时发生蒙脱石矿物的溶解及伊利石/蒙脱石混层次生矿物的形成,从而降低高庙子膨润土的缓冲性能。

关键词：高放废物处置缓冲屏障模拟水泥浸出液膨润土蒙脱石

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