有机污染物-应力耦合作用下黏土结构特性演化机制研究

According to the key scientific problems during contamination and damage of site soil in garbage dump, a series of clay structural, seepage and creep properties tests are performed at different stress and organic pollutants chemical solution. The structure evolution rules, seepage and creep characteristics of the organic contaminated clay are discussed. The mechanism of structure evolution of the organic contaminated clay is revealed. Based on experimental results, the nonlinear relationship between structure parameters, such as porosity, mineral composition, particle size, and seepage, creep parameters of the organic contaminated clay are explored. The failure criterion and constitutive model of structure evolution of the organic contaminated clay are established. The parameters identification method of the constitutive model is given. The structure evolution mathematical model is developed to describe structure evolution under coupling of organic pollutants chemical solution and stress. The numerical solution techniques of the model are established. The structure evolution of site soil in the garbage dump is predicted by numerical simulation. It will provide technological and data support for contamination and damage assessment of site soil, and key parameters of soil remediation in garbage dump.

围绕存量垃圾场场地土体污染破坏过程中的关键科学问题，通过试验与理论分析相结合的方法，研究不同浓度有机污染物化学溶液、不同腐蚀时间、不同应力条件下结构性黏土结构特性的动态演化规律及渗流、蠕变特性的变化规律，揭示有机物污染黏土结构特性演化机制。寻求黏土结构性特征参数(孔隙率、矿物成分含量、颗粒尺寸分布等)与渗透系数、蠕变特性参数之间的非线性关系。建立黏土结构的破坏-重建-再破坏过程的临界判据以及控制有机物污染黏土结构性演化过程的化学-结构-变形非线性本构模型，给出模型参数反演辨识方法。构建反映有机污染物与应力耦合作用下黏土结构性演化的数学模型，提出模型的有限元数值计算方法，采用此模型评估与预测垃圾场场地土体结构破坏程度及发展趋势。研究成果不仅为存量垃圾场场地土体污染破坏状况的评估提供技术支持与基础数据，同时为垃圾场污染土体的治理与修复提供关键参数。

针对存量垃圾场下卧土层污染破坏中的关键科学问题，系统的开展了不同浓度垃圾渗沥液、不同腐蚀时间、不同应力条件下结构性原状黏土、重塑压实黏土的结构演化以及剪切、渗透试验。综合分析试验结果发现，随着渗沥液污染时间或浓度的增大，黏土的抗剪强度参数(粘聚力、内摩擦角)、渗透系数减小，变形破坏模式由剪切破坏转变为“鼓胀”型破坏，应力-应变曲线由应变软化向应变硬化过渡。原状黏土的结构强度发挥度持续减小，但仍表现出一定的结构性，其粘聚力和内摩擦角始终大于重塑土。原状土中的原生矿物（石英、长石、白云母）的含量变化幅度不大，黏土矿物(伊利石、蒙脱石)的含量减少。土颗粒平均粒径减小，比表面积增加，中值粒径先减小后趋于稳定。孔隙向细小、均匀的趋势发展，孔隙体积、最大和最优孔径均增大。通过主成分分析法遴选黏土结构性演化过程的关键微观参数。粘聚力、内摩擦角与平均粒径呈正相关、与比表面积呈负相关。获取了原状土的结构性参数，建立了结构性参数与力学强度参数(粘聚力、内摩擦角)、影响因素(污染天数、污染物浓度)之间的数学关联式。以结构性参数与力学参数之间的非线性关系为基础，结合污染物传输方程、水渗流方程、力平衡方程，构建应力-渗流-化学耦合作用下黏土结构变形数学模型，仿真分析了不同上覆荷载、不同压力水头、不同有机污染物浓度条件下填埋场下卧土层的变形破坏演化过程。此外，针对市政脱水污泥，以矿渣、粉煤灰、脱硫石膏等工业固废材料为改性剂，研发了一种污泥基填埋场屏障材料，并通过室内试验分析了该种屏障材料的工程特性。以上研究成果对于正确认识存量垃圾场土体污染破坏过程和演化机制具有重要意义，可为污染场地土层破坏状况的评价与分析提供技术支持与基础数据。此外，研究成果对于黏土科学及应用技术、污染场地修复、固体废弃物资源化利用等相关理论、方法的发展具有一定的推动作用。