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基于离散单元法的循环荷载作用下草炭土的力学行为研究

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基于离散单元法的循环荷载作用下草炭土的力学行为研究

作者：杨圣涛吉林大学

学位级别：硕士

草炭土是一类含有大量未分解的植物纤维与腐殖质的特殊土壤,具有容重低、孔隙比高、压缩性高、含水量高、透水性较强、有机质含量高等不良工程地质性质。由于草炭土的土基质内部含有大量未被充分分解的植物根系,因此可被视作土基质与植... 详细信息

草炭土是一类含有大量未分解的植物纤维与腐殖质的特殊土壤,具有容重低、孔隙比高、压缩性高、含水量高、透水性较强、有机质含量高等不良工程地质性质。由于草炭土的土基质内部含有大量未被充分分解的植物根系,因此可被视作土基质与植物纤维的混合物。当今人类工程已经涉及到草炭土分布区,不同的工程活动会产生不同形式的荷载,因此不同人类活动的地基下方的草炭土表现出的力学性质差异有待考究。为了进一步了解工程中不同形式的循环载荷作用下土壤-纤维混合物的力学行为,本文采取室内试验与数值模拟方法,从宏观与细观相结合的角度分析了循环荷载作用下草炭土的力学特性,主要研究工作如下:(1)基于动态三轴加载系统,选取了三种不同植物纤维含量的草炭土样品,对实验室条件下草炭土在循环荷载作用下的动力特性进行了研究。研究发现草炭土的动强度随植物纤维含量的增加而增大,动变形随植物纤维含量的增加而减小。随着植物纤维含量的增加,草炭土在动态加载下的刚度也随之增长,草炭土的弹性性能越强,产生可恢复的弹性变形就越小。(2)基于草炭土的基本物理性质及细观结构特性,采用颗粒流离散单元法软件PFC构建出富含植物纤维的草炭土模型。基于课题组的研究结果与一定植物纤维含量的草炭土的循环荷载结果完成了在循环荷载作用下的应力应变曲线完成草炭土离散元模型的参数标定工作。模拟结果显示草炭土在多级循环加载下的应力-应变曲线与室内试验的应力应变曲线吻合很好,说明给定的土颗粒与植物纤维的细观力学参数能够较好地捕捉草炭土在动态加载条件下的实际力学行为。(3)基于颗粒流离散单元法对草炭土的离散单元模型进行了固结排水条件下的循环三轴模拟试验,采用三种波形(三角波、正弦波、方波)进行多级应力幅值下的循环加载。分析了不同形式的外部荷载(如交通载荷和地震)下草炭土的宏观力学行为。宏观上的结果表明不同的加载波形对多级循环荷载作用下草炭土的动变形有一定程度的影响。在循环次数相同的情况下,方波在加载过程中对试样变形影响的程度最大,正弦波次之,三角波最低。随着每级循环振幅的增加,草炭土试样的抗变形性能逐渐下降。这表明随着地震震级的增加,草炭土试样的抗变形性能逐渐下降,逐渐发展为易失稳土体。(4)细观上的结果发现植物纤维的存在能够整体上提升草炭土的强度,包括促使试样存储能量,提升试样内部接触界面的摩擦力以及植物纤维自身提供张力来支撑周围土体。植物纤维对草炭土强度的贡献在方波加载下是最为明显的。方波的加载作用下草炭土试样中植物纤维出现了最大的弯曲程度,表明方波加载下植物纤维受到的扰动程度最大,因而方波加载下试样的变形程度也是最大的。

关键词：草炭土循环荷载离散单元法微细观结构植物纤维不同加载波形

循环荷载作用下沼泽草炭土的动力特性试验研究

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循环荷载作用下沼泽草炭土的动力特性试验研究

作者：马晓祯吉林大学

学位级别：硕士

草炭土是一种在我国东北、青藏高原、四川等地广泛存在的特殊土体,是植物根茎叶等残体沉积于土层中,历经长期地质作用与微生物作用形成的产物。这种土体的发育环境通常具有地势低洼、降水丰盈、地下水位较高且多生长喜水植物的特点。由... 详细信息

草炭土是一种在我国东北、青藏高原、四川等地广泛存在的特殊土体,是植物根茎叶等残体沉积于土层中,历经长期地质作用与微生物作用形成的产物。这种土体的发育环境通常具有地势低洼、降水丰盈、地下水位较高且多生长喜水植物的特点。由于其特殊的生成环境和复杂的发育过程,使得草炭土中蕴含着丰富的有机质,其中包括尚未完全分解的植物根系,草木纤维与腐殖质等,并具有含水率高、有机质含量高、孔隙度大且强度较低的性质。现阶段,随着“十四五”交通运输规划的推行,吉林东部地区的公路铁路建设发展迅速,其中部分公路路段修建于草炭土分布区,而草炭土强度低、压缩性高等性质会给交通线路的正常运行与维护带来安全隐患。本文以吉林省东部敦化地区沼泽草炭土为研究对象,通过GDS动三轴试验方法,研究草炭土在循环荷载作用下的应力-应变规律与动变形特征,为现有高速公路的维护与未来新路线的设计与建设提供可参考的依据,主要的研究工作及成果如下:(1)通过室内试验对研究区草炭土的特殊性质指标进行了测定,分析了草炭土基本物理性质随深度变化的规律,为动力三轴试验的方案设计提供参考;(2)设计了草炭土室内动三轴试验,通过多级施加动荷载的方式研究草炭土在不同固结条件、不同水平动荷载作用下的应力-应变关系、动弹性模量与动阻尼比。研究发现固结围压、有机质含量、振动频率与振动次数对草炭土动力特性具有一定的影响。分析其影响规律可知,草炭土的有机质含量与固结围压改变了土体内部结构与孔隙,振动频率与次数影响土体的受力状态,因此影响了土体变形程度、抗荷载能力与能量耗散情况,进而影响动力参数的变化趋势。(3)研究了草炭土在长期循环荷载下不同应力水平及有机质含量对累积应变、累积动孔压的影响及滞回曲线的演化规律。分析规律产生的原因发现,应力水平和草炭土的有机质含量对其结构产生影响,从而影响土体的可变形性和渗透性,因此累积应变与动孔压随影响因素的变化表现出一定的规律性。(4)采用多种累积应变经验模型进行循环荷载下草炭土的累积应变预测模型研究。通过对室内动三轴试验所得的数据进行拟合,将围压、有机质含量、初始偏应力等影响因素加入到经验模型的参数中,得到了可以预测草炭土在长期循环荷载作用下的累积应变的经验模型,选择未参与拟合的部分试验数据,与模型预测结果进行了对比验证,整体吻合度较好。

关键词：草炭土循环荷载 GDS动三轴试验动力特性累积应变

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吉林省敦化地区沼泽草炭土冻胀融沉特性研究

吉林省敦化地区沼泽草炭土冻胀融沉特性研究

作者：刘婷婷吉林大学

学位级别：硕士

草炭土是一种具有高含水率,高有机质含量、高压缩性和高孔隙比等特殊工程地质特性的腐殖质土,常存在于特殊的沼泽湿地环境中,对调节周围环境的生态平衡起到重要作用。草炭土主要分布于中国的东北区域、青藏高原、川西若尔盖高原和长江... 详细信息

草炭土是一种具有高含水率,高有机质含量、高压缩性和高孔隙比等特殊工程地质特性的腐殖质土,常存在于特殊的沼泽湿地环境中,对调节周围环境的生态平衡起到重要作用。草炭土主要分布于中国的东北区域、青藏高原、川西若尔盖高原和长江中下游等植被发育、常年积水的地势低平地区。当草炭土在季冻区分布时,会出现冻胀融沉现象,常出现道路破坏,路基软化,公路承载能力降低等工程问题。而近年来,由于我们国家经济建设快速发展,以及公路铁路工程的日益发达,很多新建的线路工程穿越季冻区沼泽草炭土分布区是无法避免的,为了保护沼泽草炭土湿地以及减少工程问题的出现,有必要对草炭土的冻胀融沉特性展开探究,为工程建筑设计提供理论基础。本文基于国家自然科学基金项目“季冻区沼泽草炭土冻胀机理研究”,以敦化地区典型的季冻区沼泽草炭土为主要研究对象,首先通过常规的土工试验,测定了草炭土的基本物理化学指标,然后选取天然含水率、干密度、有机质、分解度四个影响因素,在不同冻结温度下对草炭土展开封闭条件下的冻胀融沉试验,建立了基于极限学习机(ELM)的草炭土冻胀和融沉预测模型,得出以下结论:(1)由Pearson相关性分析可知,草炭土的含水率,干密度,有机质含量以及分解度四个因素之间有显著的线性关系,含水率与干密度成负相关,与有机质含量和分解度均成正相关;干密度与有机质含量和分解度均成负相关;而有机质含量和分解度二者成正相关。(2)不同深度的草炭土含水率与干密度差距较大,冻胀力与含水率和干密度均成正比关系,但干密度过小便不会产生明显的冻胀力。深度为0-0.4m的土样,干密度不超过0.41g/cm时,几乎不产生冻胀力,随着深度增加,含水率逐渐增加,干密度逐渐降低,不产生明显冻胀力的界限值在逐渐降低,深度为0.8-1.6m的草炭土,当干密度低于0.25 g/cm后不会产生明显的冻胀力。(3)草炭土属于强冻胀土,其冻胀率与融沉系数成显著的正比关系;含水率和分解度对与冻胀率和融沉系数的影响规律相同,均成正比关系,并且冻胀率和融沉系数均随着有机质含量的增加先增加后减小;另外含水率越大,未冻水含量越高,冻胀完成的温度也越低;而干密度越大,孔隙率越小,冻胀率越大,冻结时所需的温度降低;对于融沉系数,干密度增加,其先逐渐减小后增加,即存在一个临界干密度值使得草炭土的融沉系数最小。(4)分别建立了基于ELM的草炭土冻胀和融沉预测模型并检验,通过此模型得到的预测值和实测值偏差相对较小,整体拟合度较好,可应用于季冻区草炭土路基工程中冻胀融沉特性的初步预测,为实际工程提供一定参考。

关键词：草炭土冻胀力冻胀率融沉系数极限学习机

污泥-草炭土复合改良镉污染土壤下的植物修复技术

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污泥-草炭土复合改良镉污染土壤下的植物修复技术

作者：肖红辽宁大学

学位级别：硕士

近些年,重金属镉(Cd)污染持续居于土壤重金属污染之首,严重危害了土壤环境、植物生长,并通过食物链作用威胁人类和动物的健康。因此,土壤镉污染问题是一项亟待解决的环境问题。目前,在土壤改良和植物富集技术方面已经开展了广泛的研究,... 详细信息

近些年,重金属镉(Cd)污染持续居于土壤重金属污染之首,严重危害了土壤环境、植物生长,并通过食物链作用威胁人类和动物的健康。因此,土壤镉污染问题是一项亟待解决的环境问题。目前,在土壤改良和植物富集技术方面已经开展了广泛的研究,但是这些研究由于技术要求高、对土壤影响较大及成本较高等原因,还未能在生产实践中得到应用。为此,本文研究了一项可应用于生产实践的重金属污染土壤生态修复技术。本文以人工模拟镉污染土壤(25 mg/kg)为研究对象,加入污泥和草炭土复合改良剂,选取北方地区常见的早熟禾、结缕草、油松、樟子松作为供试植物,通过盆栽试验考察这四种植物对重金属镉污染土壤的修复效果。主要研究结论如下:1.利用污泥和草炭土(1:1,以干质量比计)制成复合改良剂施入土壤后,改变了土壤的基本性质。施入15%-45%的复合改良剂,p H值由6.98下降至5.85;电导率值相比对照实验增加了43.93%-192.5%;土壤的有机质相比对照实验增加了81.9%-266.2%。2.施加复合改良剂后,早熟禾、结缕草、油松、樟子松的生物量均得到了提高。在25 mg/kg镉胁迫下,相比对照组,早熟禾的地下部分干重和地上部分干重分别增加了19.1%-36.46%、19.89%-33.83%;结缕草地下部分、地上部分干重分别增加了22.47%-44.46%、21.89%-37.59%;油松地下部分、地上部分干重分别增加了20.27%-28.37%、13.14%-26.27%;樟子松地下部分、地上部分干重分别增加了13.77%-25.97%、12.28%-22.77%,这表明,在本研究范围内改良剂的施入对植物的生长有促进的作用。3.相同处理条件下,不同植物中镉的分布特征不同。结缕草各器官的重金属镉含量高低表现为茎>根>叶,早熟禾重金属镉含量高低表现为根>茎>叶,油松、樟子松重金属镉含量高低表现为根>茎>叶。4.施用复合改良剂提高了重金属镉在植物各器官中的富集和迁移能力。早熟禾、结缕草、油松、樟子松的根、茎、叶的富集系数均高于对照组,且随着复合改良剂施入比例的提高,富集系数均呈现先增后减的趋势。早熟禾、结缕草、油松、樟子松迁移系数分别在0.5-0.78、0.64-0.87、0.36-0.40、0.49-0.61范围内,两种草本富集系数和迁移系数均大于两种木本植物。在本实验范围内,25%的复合改良剂的施加量使重金属镉在早熟禾、油松、樟子松从地下部向地上部迁移效果最好,35%的复合改良剂对结缕草迁移效果最佳。5.改良剂的施入对土壤中重金属镉的形态分布产生了影响,可交换态和铁锰氧化物结合态随着施加比例增加而增加,碳酸盐结合态和有机结合态随着改良剂比例的增加而减少,残渣态随着改良剂的施入变化不大。p H值、有机质、电导率均与镉的各形态有显著的相关关系。另一方面,p H值与土壤中镉的生物有效态含量变化呈负相关,而有机质、电导率均与土壤中镉的生物有效态含量变化呈正相关。6.四种植物修复镉污染土壤效果最好的改良剂施加比例存在差异。早熟禾和结缕草在复合改良剂施加比例为25%时体内镉积累量最多,修复后的土壤中镉含量最低分别为21.17 mg/kg、22.86 mg/kg;油松在复合改良剂施加比例为15%时体内镉积累量最多,修复后的土壤中镉含量最低为24.43 mg/kg;樟子松在复合改良剂施加比例为35%时体内镉积累量最多,修复后土壤中镉含量最低为23.76 mg/kg。从短期修复效果来看,草本植物早熟禾在复合改良剂比例为25%时修复镉污染土壤效果最好,可作为修复镉污染土壤快速修复实践工程的一种技术。

关键词：重金属生态修复技术草炭土污泥

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分解度对草炭土结构特征及强度的影响试验

吉林大学学报（地球科学版） 2010年第6期40卷 1395-1400页

作者：刘飞佴磊吕岩张敏吉林大学建设工程学院长春130026

大量资料表明,草炭土是一种分解度不一的腐殖质土。针对这一特性进行了一系列的室内试验,研究草炭土的微观结构及强度随分解度的变化特征。采用灵敏度试验和常规三轴试验测定原状土与重塑土的无侧限抗压强度以及应力-应变变化规律,研究... 详细信息

大量资料表明,草炭土是一种分解度不一的腐殖质土。针对这一特性进行了一系列的室内试验,研究草炭土的微观结构及强度随分解度的变化特征。采用灵敏度试验和常规三轴试验测定原状土与重塑土的无侧限抗压强度以及应力-应变变化规律,研究不同分解度草炭土的灵敏度及结构强度变化特征,从力学及微结构等方面对分解度在草炭土结构特征和强度变化中所起的作用进行了深入分析,并利用高压固结试验,对不同分解度草炭土的结构强度进行了测定。分析结果表明:草炭土属于中高分解度土,并且随着分解度的提高,试样的结构逐渐从架空结构发展为絮凝状结构,孔隙逐渐变小,结构灵敏度也由2.029逐渐减小为1.075。通过高压固结试验测得1#、2#、3#草炭土试样的结构强度分别为17kPa、15kPa和9kPa。

关键词：草炭土分解性微观结构结构性分析

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季冻区沼泽草炭土冻胀融沉特性研究

公路工程 2022年第4期47卷 81-88页

作者：刘婷婷吕岩吉林大学建设工程学院吉林长春130026

以吉林省敦化草炭土公路试验段的草炭土为研究对象,在不同温度下对草炭土进行冻胀融沉试验,探究含水率、干密度、有机质和分解度4个因素对草炭土冻融特性的影响,并建立了基于极限学习机的草炭土冻胀融沉预测模型。结果表明:草炭土属于... 详细信息

以吉林省敦化草炭土公路试验段的草炭土为研究对象,在不同温度下对草炭土进行冻胀融沉试验,探究含水率、干密度、有机质和分解度4个因素对草炭土冻融特性的影响,并建立了基于极限学习机的草炭土冻胀融沉预测模型。结果表明:草炭土属于强冻胀土,含水率和分解度与草炭土的冻胀率和融沉量均成正比关系;由于有机质的亲水性,当其在一定范围内升高时,冻胀率和融沉量会随着有机质含量的增加而增加,而有机质含量过高,土内纤维含量增加,形成的架空结构会抑制草炭土的冻融;干密度越大,孔隙度越小,向毛细水转换的薄膜水越多,未冻水含量越高,冻胀率越大;融沉量随着干密度的增加先减小后增加,研究成果可为草炭土地区路基工程提供一定参考。

关键词：草炭土冻胀率融沉量极限学习机冻胀融沉预测模型

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草炭土影响下土壤对硒的吸附特性研究

应用化工 2017年第10期46卷 1949-1951,1972页

作者：万鹰昕杨明会李楠张平杜小凤北京联合大学生物化学工程学院北京100191

采用吸附解吸批量实验研究了草炭土影响下土壤对Se的吸附行为,为合理利用Se及防止土壤Se污染提供依据。结果表明,土壤对硒的吸附量随着反应时间先快速增加而后趋稳,在6 h内达到平衡,草炭土比例高的土壤吸附平衡时间长。草炭土增加了土... 详细信息

采用吸附解吸批量实验研究了草炭土影响下土壤对Se的吸附行为,为合理利用Se及防止土壤Se污染提供依据。结果表明,土壤对硒的吸附量随着反应时间先快速增加而后趋稳,在6 h内达到平衡,草炭土比例高的土壤吸附平衡时间长。草炭土增加了土壤对硒的吸附,但抑制了硒的解吸,从而降低了硒的可移动性。硒初始浓度越高,吸附量越高,但在添加了草炭土的土壤中,初始硒浓度大于100μg/L后,解吸率保持稳定。

关键词：草炭土硒吸附解吸

草炭土及其有机质组分对PCB138吸附动力学和热力学研究

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生态环境学报 2020年第2期29卷 394-401页

作者：丛鑫毕然孙思坤辽宁工程技术大学环境科学与工程学院辽宁阜新123000

选取六氯联苯PCB138为目标污染物,有机质含量较高的草炭土为供试土壤,提取草炭土中的胡敏酸和胡敏素,研究PCB138在草炭土原土壤、胡敏酸和胡敏素中的吸附动力学和热力学。实验结果表明,PCB138在草炭土原土壤、胡敏酸和胡敏素中的吸附是... 详细信息

选取六氯联苯PCB138为目标污染物,有机质含量较高的草炭土为供试土壤,提取草炭土中的胡敏酸和胡敏素,研究PCB138在草炭土原土壤、胡敏酸和胡敏素中的吸附动力学和热力学。实验结果表明,PCB138在草炭土原土壤、胡敏酸和胡敏素中的吸附是一个快速吸附过程,240 min后吸附达到动态平衡,吸附速率常数分别为0.014、0.011、0.005,吸附速率由快到慢依次为原土壤>胡敏酸>胡敏素。准一级、准二级、Elovich和Weber-Morris动力学模型分析结果显示,准二级动力学模型能更好地描述其吸附过程,可决系数r2在0.988-0.994间。在实验条件下,随着PCB138在土壤中浓度增大,土壤各组分对其吸附量也随之增大。温度由25℃升高到45℃时,土壤各组分对PCB138的吸附量由1.40-17.7μg·g-1增长到1.56-17.9μg·g-1,即随着温度的升高吸附量略有增大。热力学吸附过程采用Freundlich、Langmuir和Temkin等温吸附模型进行拟合,拟合结果显示,Freundlich等温吸附模型拟合效果更好。在吸附时间为240 min的实验条件下,计算得到的有机碳均一化分配系数Koc值表明PCB138在胡敏酸中吸附能力最强。由吉布斯方程得到的3个热力学参数:吸附自由能(ΔG0)、焓变(ΔH0)和熵变(ΔS0)值均大于0,这表明草炭土对PCB138的吸附是一个非自发,吸热且吸附体系的混乱度增大的过程。该研究可为探讨PCBs在不同类型土壤中的环境行为提供一些基础数据,为PCBs的污染控制提供理论依据。

关键词：草炭土有机质组分胡敏酸胡敏素吸附热力学吸附动力学

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草炭土铁路路基工程处理研究

铁道建筑 2010年第2期50卷 61-64页

作者：沈世伟佴磊吉林大学建设工程学院长春130026

以靖宇至辉南地方铁路沼泽湿地地段为例,结合工程地质条件,研究了塑料排水板和砂井两种不同的工程处理措施下草炭土的固结沉降性状。发现塑料排水板和砂井的布置改变了草炭土的排水路径,缩短了主固结完成时间。结果表明,草炭土层越厚,... 详细信息

以靖宇至辉南地方铁路沼泽湿地地段为例,结合工程地质条件,研究了塑料排水板和砂井两种不同的工程处理措施下草炭土的固结沉降性状。发现塑料排水板和砂井的布置改变了草炭土的排水路径,缩短了主固结完成时间。结果表明,草炭土层越厚,塑料排水板及砂井的加固作用越明显。而且在相同条件下,砂井处理后草炭土地基的固结完成时间比塑料排水板处理后的时间缩短20%左右。

关键词：铁路路基草炭土塑料排水板砂井加固