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黏土岩水力耦合特性试验研究

岩土力学 2022年第8期43卷 2165-2175页

作者：于洪丹王震陈卫忠李翻翻马永尚杨海燕中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 中国交通建设股份有限公司北京100088 安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司工程技术研究院安徽合肥230088 济南城建集团有限公司山东济南250031

对于高放废物地质处置工程,地质屏障系统是放射性有害物质进入环境的最后一道屏障,也是一条重要防线。黏土岩由于其低渗透性、渗透损伤自修复以及较强的吸附能力等特性,被认为是一种合理的高放废物处置地质屏障。结合比利时正开展的黏... 详细信息

对于高放废物地质处置工程,地质屏障系统是放射性有害物质进入环境的最后一道屏障,也是一条重要防线。黏土岩由于其低渗透性、渗透损伤自修复以及较强的吸附能力等特性,被认为是一种合理的高放废物处置地质屏障。结合比利时正开展的黏土岩高放废物地质处置相关研究课题,通过一系列室内试验研究黏土岩的水力耦合机制及长期蠕变特性。三轴压缩试验表明,黏土岩压缩强度、超孔隙水压力与围压正相关。渗透试验表明,黏土岩渗透性呈现显著的各向异性特征,围压增大使黏土岩渗透性显著降低。蠕变试验表明,黏土岩蠕变变形、蠕变变形速率与载荷密切相关,即:载荷越大,黏土岩蠕变变形越显著,蠕变变形速率达到稳定所需的时间越长,且相应的稳态蠕变速率越大;根据应力阈值和等时曲线法初步确定该黏土岩长期强度在1.0~1.2 MPa。研究结果将为我国未来黏土岩高放废物处置库的选址和安全性评估提供重要科学依据。

关键词：高放废物地质处置黏土岩水力耦合试验

黏土岩温度–渗流–应力耦合作用的长期力学特性研究若干进展

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岩石力学与工程学报 2021年第2期40卷 233-247页

作者：陈卫忠卢琛于洪丹李翻翻雷江马永尚李洪辉中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 中国科学院大学北京100049 中国辐射防护研究院山西太原030006

核废料地质处置库长期处于复杂的耦合环境之中,其安全、稳定、高效的建设与运营需要考虑温度场(T)、渗流场(H)、应力场(M)的长期耦合作用。围绕黏土岩多场耦合作用下的长期力学特性,首先总结了国内外在黏土岩温度–渗流–应力耦合条件... 详细信息

核废料地质处置库长期处于复杂的耦合环境之中,其安全、稳定、高效的建设与运营需要考虑温度场(T)、渗流场(H)、应力场(M)的长期耦合作用。围绕黏土岩多场耦合作用下的长期力学特性,首先总结了国内外在黏土岩温度–渗流–应力耦合条件下长期力学试验研究成果与不足,主要包括HM与THM耦合长期作用对黏土岩渗透特性的影响、黏土岩TM与THM耦合长期力学特性。其次从微观唯相的角度,论述了温度对黏土岩微观结构特征的影响机制。基于上述认识,提出黏土岩THM耦合蠕变力学模型及其适用性。同时,介绍了笔者团队围绕黏土岩THM耦合长期力学特性方面的相关研究成果,结果表明:BoomClay的长期力学特性与温度、孔压、应力和各向异性等因素相关。最后,提出黏土岩THM耦合研究未来应重点关注的方向。

关键词：岩石力学黏土岩温度–渗流–应力耦合微观机制长期力学试验流变本构模型

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黏土岩饱和过程中水分运移规律试验研究

岩土力学 2019年第9期40卷 3327-3334,3343页

作者：陈卫忠雷江于洪丹李翻翻马永尚闫宪洋中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 山东大学岩土与结构工程研究中心山东济南250061 中国科学院大学北京100049 兖州煤业股份有限公司东滩煤矿山东邹城273500

黏土岩作为高放废物地质处置库的备选介质,目前得到世界各国的高度重视。黏土岩地质处置库巷道施工过程中,一方面,围岩因开挖损伤生成裂隙使得渗透性增强,对核素的阻滞作用降低;另一方面,在应力和水的耦合作用下,黏土岩良好的裂隙渗透... 详细信息

黏土岩作为高放废物地质处置库的备选介质,目前得到世界各国的高度重视。黏土岩地质处置库巷道施工过程中,一方面,围岩因开挖损伤生成裂隙使得渗透性增强,对核素的阻滞作用降低;另一方面,在应力和水的耦合作用下,黏土岩良好的裂隙渗透损伤自修复能力使得围岩的渗透性逐渐恢复接近于原始状态。基于电阻率测试,首先开展了黏土岩试样在不同条件下的饱和过程试验研究,得到了黏土岩试样饱和过程中等效电阻率的变化规律,分析了不同损伤程度试样、盐溶液对等效电阻率的影响,进而揭示黏土岩饱和过程中水分运移规律。试验结果表明:(1)等效电阻率随着含水率增加而逐渐减小,并逐渐趋于一个稳定值;(2)等效电阻率的大小不仅与含水率有关,试样内部裂隙的存在也会影响等效电阻率分布,这一发现为电阻率法可以探测试样中裂隙的存在提供了依据;(3)水流在黏土岩中扩散,内部裂隙成为优先通道,水流在裂隙中的快速扩散加快了黏土岩的饱和速度。同时,随着黏土岩中水分与黏土矿物的水化膨胀反应,内部裂隙有一定程度闭合,加深对裂隙闭合机制认识,通过电阻率测试可以有效地揭示这一过程。

关键词：黏土岩水分运移裂隙闭合电阻率法

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饱和过程中黏土岩变形和水化膨胀特性研究

岩石力学与工程学报 2022年第S02期41卷 3534-3542页

作者：于洪丹陈卫忠谭贤君雷江赵武胜中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 陕西省交通规划设计研究院有限公司陕西西安710065

在原位状态下,黏土岩呈现饱和状态,而在实际实验室研究中,由于钻孔取芯、运输、储存和加工等因素的影响,黏土岩已经失水并呈现非饱和状态。因此,在试验测试前将黏土岩尽量恢复至原位饱和状态是进一步试验测试的重要前提。本文以黏土岩... 详细信息

在原位状态下,黏土岩呈现饱和状态,而在实际实验室研究中,由于钻孔取芯、运输、储存和加工等因素的影响,黏土岩已经失水并呈现非饱和状态。因此,在试验测试前将黏土岩尽量恢复至原位饱和状态是进一步试验测试的重要前提。本文以黏土岩为研究对象,通过无外力作用的黏土岩饱水试验及原位应力下的饱和试验,重点研究饱和过程中黏土岩的变形规律及水化膨胀特性。试验研究表明:无外力作用下,含中心圆孔黏土岩由于饱水过程中黏土矿物的水化膨胀、崩解、混和堆积逐步充填原有的孔洞;在原位应力作用下,水溶液作用仍使黏土岩内部黏土矿物快速水化膨胀,宏观上表现为试样体积迅速膨胀的同时孔隙度显著增大,且膨胀变形量与试样初始饱和度呈现负相关;在试验研究基础上,基于Comsol Multiphysics多场耦合有限元软件中的流体流动模块,建立黏土岩渗流-应力耦合数学模型,进行原位应力下黏土岩饱和过程的数值仿真,重点分析饱和过程中黏土岩试样内部孔隙水压力及饱和度随时间的演化规律;探讨饱和过程中黏土岩的孔压系数B值,并进一步分析加载步骤对黏土岩饱和过程的影响。研究结果将对黏土岩等岩石物理力学特性的相关研究提供试验指导及理论依据。

关键词：岩石力学黏土岩饱和变形规律水化膨胀

滇中盆地南缘富锂黏土岩地球化学特征及沉积环境初探

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沉积学报 2023年第1期41卷 170-182页

作者：贾永斌于文修温汉捷罗重光杨光树杨洋崔燚昆明理工大学国土资源工程学院昆明650093 中国科学院地球化学研究所矿床地球化学国家重点实验室贵阳550081 中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049 东华理工大学核资源与环境国家重点实验室南昌330013

沉积岩中的微量元素对沉积环境变化有较高的敏感度,是研究古沉积环境的有效手段。滇中盆地倒石头组是一套富锂的黏土岩地层,其古环境的研究对恢复该时期盆地沉积格局和锂元素富集具有重要意义。基于滇中盆地倒石头组两个典型钻孔样品详... 详细信息

沉积岩中的微量元素对沉积环境变化有较高的敏感度,是研究古沉积环境的有效手段。滇中盆地倒石头组是一套富锂的黏土岩地层,其古环境的研究对恢复该时期盆地沉积格局和锂元素富集具有重要意义。基于滇中盆地倒石头组两个典型钻孔样品详细的地球化学研究,探讨了倒石头组富锂黏土岩形成时的沉积环境及其对锂元素富集的影响。研究结果表明:所有样品Sr、Ga元素含量及Sr/Ba值指示研究区古水体介质为淡水陆相沉积环境;其δU值介于0.51~1.63,U/Th值介于0.11~1.49,V/(V+Ni)值介于0.48~0.86,V/Cr值介于0.45~1.24,同时在U_((EF))-Mo_((EF))协变模式图中,样品数据均未落在缺氧和硫化区域,表明研究区富锂黏土岩的沉积环境为氧化—弱还原环境;且样品Sr/Cu比值介于0.69~4.87,CIA值介于86.3~99.66,XRD全岩黏土矿物分析显示高岭石为主要的黏土矿物,表明富锂黏土岩在形成过程中处于温暖潮湿的沉积环境并伴随较为强烈的化学风化作用。

关键词：氧化还原条件古盐度古气候黏土岩滇中盆地

黏土岩温度-渗流-应力耦合特性试验与本构模型研究进展

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岩土力学 2015年第5期36卷 1217-1238页

作者：陈卫忠龚哲于洪丹马永尚田洪铭中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 山东大学岩土与结构工程研究中心山东济南250061

高放废物处置库、垃圾填埋场等工程中常常涉及到温度场(T)、渗流场(H)和应力场(M)的耦合作用的问题。从试验和理论模型两个角度综述国内外黏土岩温度-渗流-应力耦合特性的研究进展,主要包括其传热特性、温度影响下的渗流特性、变形、强... 详细信息

高放废物处置库、垃圾填埋场等工程中常常涉及到温度场(T)、渗流场(H)和应力场(M)的耦合作用的问题。从试验和理论模型两个角度综述国内外黏土岩温度-渗流-应力耦合特性的研究进展,主要包括其传热特性、温度影响下的渗流特性、变形、强度、蠕变特性。在此基础上,重点分析了黏土岩水-热迁移模型以及热-力耦合本构模型的适应性。基于上述认识,通过试验研究了比利时Boom clay在温度作用下的强度、渗透性、蠕变性等特征。结果表明:随着温度升高,Boom clay的强度有所降低,渗透性显著增强,蠕变速率明显加快。提出了适用于Boom clay的THM耦合弹塑性损伤模型,计算结果验证了模型能合理反映温度的影响。最后,探讨了黏土岩THM耦合机理研究的不足和今后的研究方向。

关键词：黏土岩温度-渗流-应力耦合水热迁移力学性质本构模型

川南兴文地区上二叠统龙潭组黏土岩锂的富集特征及赋存状态

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地质学报 2024年第5期98卷 1403-1420页

作者：郝雪峰唐屹潘蒙贺洋何洋飘周颂德付小方梁斌四川省综合地质调查研究所四川成都610081 四川省第七地质大队四川乐山614000 西南科技大学环境与资源学院四川绵阳621000

四川南部位于二叠纪峨眉山大火山岩省中—外带,广泛分布与火成岩风化-沉积有关的上二叠统龙潭组黏土岩,具有形成锂等关键金属矿产资源的地质背景和成矿条件。本文对川南兴文地区上二叠统龙潭组下部黏土岩进行了较为系统的地质调查,对研... 详细信息

四川南部位于二叠纪峨眉山大火山岩省中—外带,广泛分布与火成岩风化-沉积有关的上二叠统龙潭组黏土岩,具有形成锂等关键金属矿产资源的地质背景和成矿条件。本文对川南兴文地区上二叠统龙潭组下部黏土岩进行了较为系统的地质调查,对研究区以及钻孔岩芯样品进行了化学分析,以确定黏土岩中锂等元素的分布特征及富集规律。在此基础上,利用粉晶X-射线衍射(XRD)分析了富锂黏土岩的矿物组成,采用聚焦离子束飞行时间二次离子质谱仪(FIB-TOF-SIMS)分析了富锂黏土岩微米尺度上的元素分布特征。结果表明,龙潭组下部黏土岩中富集Li以及Ga、Nb等元素,是一个多种关键金属的富集层,具有良好的成矿潜力和找矿前景。本区黏土岩来源于峨眉山大火山岩省火山岩的风化产物,富锂的矿层主要为含黄铁矿高岭石黏土岩,其沉积成岩环境为海陆过渡地区的潟湖还原咸水环境,Li含量与化学风化强度(CIA指数)密切相关,具有风化-沉积型矿床的特征。富锂黏土岩中锂除少量赋存于锂云母之中外,主要是被吸附于黏土岩的蒙脱石相中,部分进入蒙脱石矿物结构,还有一部分赋存于伊利石中。Li除了来自火山岩的风化释放以外,部分还可能来自滨海浅层地下卤水的直接补给,从而形成含锂云母的高品位的富锂黏土岩。

关键词：锂黏土岩赋存状态龙潭组四川南部

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热-水-力耦合条件下黏土岩蠕变特性研究

岩土力学 2020年第2期41卷 379-388页

作者：陈卫忠李翻翻雷江于洪丹马永尚中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 中国科学院大学北京100049

黏土岩作为放射性核废料处置的备选介质,长期处于热-水-力耦合的复杂条件下。为研究围岩的长期稳定性,开展了一系列不同围压和偏应力下的黏土岩加温-降温排水蠕变试验。得出以下结论:温度的升高会提升黏土岩的蠕变速率,延长衰减蠕变阶... 详细信息

黏土岩作为放射性核废料处置的备选介质,长期处于热-水-力耦合的复杂条件下。为研究围岩的长期稳定性,开展了一系列不同围压和偏应力下的黏土岩加温-降温排水蠕变试验。得出以下结论:温度的升高会提升黏土岩的蠕变速率,延长衰减蠕变阶段的时间,但是降温过程中试样主要以冷缩变形为主,并未见明显的蠕变变形;围压的降低以及偏应力的增加会提高黏土岩的蠕变速率,并且这种影响会随温度的升高明显加剧。基于试验结果,在Perzyna过应力理论的基础上引入蠕变硬化、蠕变损伤以及热损伤,建立了黏土岩热-水-力耦合蠕变模型。通过ABAQUS软件及其子程序对该模型进行数值实现,模拟结果与试验结果的对比初步表明该模型可以很好地描述热-水-力耦合条件下黏土岩的蠕变特性。

关键词：黏土岩温度蠕变损伤过应力

COx黏土岩三轴压缩蠕变特性及速率阈值试验研究

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岩石力学与工程学报 2017年第3期36卷 644-649页

作者：张帆唐永生刘造保邵建富盛谦周辉湖北工业大学岩土力学与混凝土材料中法联合研究中心湖北武汉430071 中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学和工程国家重点实验室湖北武汉430071 法国里尔科技大学里尔力学实验室法国里尔59650

黏土岩具有低渗性和自我裂缝修复能力等优点,被用于高放废物地质处置的候选基岩。出于高放废物处置库的长期性及高安全性要求,研究黏土岩的蠕变破坏特征显得极其重要。通过一系列黏土岩的单级三轴压缩蠕变试验,获得Callovo-Oxfordian(C... 详细信息

黏土岩具有低渗性和自我裂缝修复能力等优点,被用于高放废物地质处置的候选基岩。出于高放废物处置库的长期性及高安全性要求,研究黏土岩的蠕变破坏特征显得极其重要。通过一系列黏土岩的单级三轴压缩蠕变试验,获得Callovo-Oxfordian(COx)黏土岩较为精确的蠕变速率阈值范围。试验结果表明,发生蠕变破坏的蠕变速率阈值与黏土岩的湿度及所处围压等因素有关。总体上,当轴向蠕变速率低于2.5με/h,该类黏土岩很难发生蠕变破坏;但若高于58με/h,则黏土岩极易发生加速蠕变破坏;而处于两者之间的速率值,目前试验尚无明确结论。该阈值可用于在稳定蠕变阶段判断黏土岩是否会出现加速蠕变破坏。

关键词：岩石力学黏土岩蠕变试验蠕变速率加速蠕变蠕变阈值