大应变土体固结与污染物迁移的耦合作用机理及工程应用

In the past decades, geotechnical engineering researchers have done extensive work on soil consolidation, while environmental engineering has witnessed extensive research on contaminant transport. However, the coupling of soil consolidation and contaminant transport has not been paid much attention to until recently. The phenomenon of coupling of consolidation and transport occurs in a variety of geoenvironmental engineering applications, including confined disposal of contaminated geo-materials, in-situ capping of contaminated sediments, and others. This project plans to investigate the coupling mechanism of soil consolidation and contaminant transport by conducting laboratory model testing, numerical simulations, and theoretical study. Laboratory model testing will investigate the mutual influence between consolidation process and transport process by studying different soil types, different contaminant types, and different loading methods. Based on the results of laboratory model testing, new numerical models will be developed and used to simulate geoenvironmental engineering applications such as in-situ capping and confined disposal of contaminated geo-materials. Using theoretical analyses, the mutual impact of each key factor for consolidation process and transport process will be investigated, and new design method considering the consolidation-transport coupling effects will be proposed for the aforementioned engineering applications. Results from this research have the potential to significantly advance the state-of-the-art of the relevant theories for geoenvironmental engineering, and will generate significant economic benefit and environmental benefit for environmental remediation.

岩土工程领域对土体固结、环境工程领域对污染物迁移分别开展了诸多研究，但对土体固结与污染物迁移的耦合这一跨学科问题则研究较少。土体固结与污染物迁移耦合的现象出现在各种环境岩土工程问题中，对环境污染治理具有重要影响。本项目从室内模型试验、数值模拟和理论分析三方面着手，对大应变固结与污染物迁移的耦合作用机理及其工程应用进行系统研究。室内模型试验通过改变土体类型、污染物类型和加载方式等，研究不同条件下固结过程与迁移过程的相互影响规律。结合室内试验研究结果，开发新的数值模型，对受污染底泥的原位覆盖和堆场处置等工程问题进行数值模拟，探讨渗流-弥散-应力-化学的共同作用机理。通过理论分析，研究固结过程和迁移过程中各个关键要素的相互作用，并针对上述工程问题首创性地提出能够考虑固结耦合效应的新的设计计算方法。研究成果可促进我国环境岩土工程的相关理论研究，同时可在环境污染治理中产生重要的经济效益和环境效益。

岩土工程领域对土体固结、环境工程领域对污染物迁移分别开展了诸多研究，但对土体固结与污染物迁移的耦合这一跨学科问题则研究较少。土体固结与污染物迁移耦合的现象出现在各种环境岩土工程问题中，对环境污染治理具有重要影响。本项目对受污染底泥水下原位覆盖、疏浚污泥堆场处置和垃圾填埋场底部衬垫处理这三个环境岩土工程问题进行研究，揭示这些工程问题中固结与污染物迁移耦合现象的发生机理及固结效应对污染物迁移过程的影响规律。项目主要研究内容和结论如下：.（1）提出了受污染底泥水下原位覆盖的污染物扩散解析解。分析了受污染底泥水下原位覆盖中的固结与污染物迁移的耦合问题，并研究了覆盖层厚度、污染底泥厚度、洁净底泥厚度、RCM、RCM吸附能力和覆盖层的种类对污染物穿越覆盖层的影响。分析结果表明：覆盖层的自重会导致底泥固结，极大加速污染物的流出；覆盖层、污染底泥和洁净底泥中任一厚度地增加均会加强底泥固结效应的影响。在原位覆盖系统中加入RCM后能显著减小污染物的流出，并且能减弱底泥固结效应的影响。RCM的吸附能力越强，污染物流出得越慢，并且底泥固结效应减弱的幅度越大。.（2） 提出了一种自重固结与污染物迁移耦合的数学模型。分析了固结效应、土体初始高度、土体压缩性、吸附效应和污染物的有效扩散系数对污染物在淤泥中迁移过程的影响。分析结果表明淤泥的自重固结能显著地加速淤泥中污染物的流出；淤泥的自重固结对污染物迁移的影响随着淤泥的初始高度、压缩指数和有效扩散系数经验指数的增大而增大。.（3）提出了针对垃圾填埋场底部GMB/GCL/CCL三层复合衬垫系统的污染物扩散解析解。并研究了GCL压缩性、GCL渗透性、CCL压缩性、CCL渗透性、加载时间、吸附速率常数和一阶衰变常数对污染物穿越GMB/GCL/CCL衬垫系统的影响。分析结果表明：无论是在固结进行的过程中还是在固结完成以后，GCL和CCL的固结均对污染物穿越GMB/GCL/CCL衬垫系统具有显著的影响；GCL和CCL的固结对污染物迁移的影响受GCL压缩性、CCL压缩性和CCL渗透性的影响较大，而受GCL渗透性的影响很小。.研究成果可促进我国环境岩土工程的相关理论研究，同时可在环境污染治理中产生重要的经济效益和环境效益。