水流入渗和气体驱替过程二维问题的耦合求解

采用孔隙介质力学分析方法,把土体骨架、孔隙水和孔隙气体分别作为独立的研究对象,结合孔隙水和孔隙气体在气、液交界面上的力学条件建立耦合方程,研究非饱和土中孔隙水的入渗和孔隙气体的排出过程,为水流入渗问题的求解提供了一种新的方法。将此种方法应用于二维水流入渗问题的数值求解,利用简单的工况校验了这种计算方法的可靠性。通过对砂体和粉煤灰断面进行的二维水流入渗计算表明,孔隙气体的排出过程影响孔隙水的入渗运动。     

水饱和边坡夹层热-孔隙水-力耦合作用模型及应用

为了研究温度对水饱和边坡夹层力学参数的影响,将水饱和边坡夹层视为固-液两相的线弹性体,建立了水饱和边坡夹层热-孔隙水-力耦合作用的力学模型,并推导了其耦合控制方程;采用物理相似模拟的方法,建立了与边坡原型相似的试验模型,研究温度引起的边坡夹层力学参数的变化特征;通过比较分析理论计算结果与模型试验结果,验证了所建立的耦合力学模型的适用性。研究结果表明：孔隙水压力系数和热压力系数是引起水饱和边坡夹层孔隙水压力增加的关键控制因素;孔隙水压力系数取决于孔隙排水压缩特性和固相介质压缩特性,这两者差值越大,孔隙水压力系数越大;孔隙水热膨胀系数和孔隙体积热膨胀系数是影响热压力系数的主要因素,这两者差值越大,热压力系数也越大;边坡夹层孔隙水压力随温度升高呈现出先缓慢增加而后急剧增加的变化特征,而黏聚力和抗剪强度随温度升高而缓慢降低,且孔隙水压力的理论计算结果与试验测试结果吻合良好。因此,水饱和边坡夹层热-孔隙水-力耦合作用的力学模型能较好地反映孔隙水压力在加热升温过程中的变化特征,为科学地预测和控制类似边坡工程的稳定性提供了参考。     

水饱和边坡夹层热-孔隙水-力耦合作用模型及应用

为了研究温度对水饱和边坡夹层力学参数的影响,将水饱和边坡夹层视为固-液两相的线弹性体,建立了水饱和边坡夹层热-孔隙水-力耦合作用的力学模型,并推导了其耦合控制方程;采用物理相似模拟的方法,建立了与边坡原型相似的试验模型,研究温度引起的边坡夹层力学参数的变化特征;通过比较分析理论计算结果与模型试验结果,验证了所建立的耦合力学模型的适用性。研究结果表明:孔隙水压力系数和热压力系数是引起水饱和边坡夹层孔隙水压力增加的关键控制因素;孔隙水压力系数取决于孔隙排水压缩特性和固相介质压缩特性,这两者差值越大,孔隙水压力系数越大;孔隙水热膨胀系数和孔隙体积热膨胀系数是影响热压力系数的主要因素,这两者差值越大,热压力系数也越大;边坡夹层孔隙水压力随温度升高呈现出先缓慢增加而后急剧增加的变化特征,而粘聚力和抗剪强度随温度升高而缓慢降低,且孔隙水压力的理论计算结果与试验测试结果吻合良好。因此,水饱和边坡夹层热-孔隙水-力耦合作用的力学模型能较好的反应孔隙水压力在加热升温过程中的变化特征,为科学地预测和控制类似边坡工程的稳定性提供了参考。     

水饱和边坡夹层热-孔隙水-力耦合作用模型及应用

为了研究温度对水饱和边坡夹层力学参数的影响,将水饱和边坡夹层视为固-液两相的线弹性体,建立了水饱和边坡夹层热-孔隙水-力耦合作用的力学模型,并推导了其耦合控制方程;采用物理相似模拟的方法,建立了与边坡原型相似的试验模型,研究温度引起的边坡夹层力学参数的变化特征;通过比较分析理论计算结果与模型试验结果,验证了所建立的耦合力学模型的适用性。研究结果表明:孔隙水压力系数和热压力系数是引起水饱和边坡夹层孔隙水压力增加的关键控制因素;孔隙水压力系数取决于孔隙排水压缩特性和固相介质压缩特性,这两者差值越大,孔隙水压力系数越大;孔隙水热膨胀系数和孔隙体积热膨胀系数是影响热压力系数的主要因素,这两者差值越大,热压力系数也越大;边坡夹层孔隙水压力随温度升高呈现出先缓慢增加而后急剧增加的变化特征,而粘聚力和抗剪强度随温度升高而缓慢降低,且孔隙水压力的理论计算结果与试验测试结果吻合良好。因此,水饱和边坡夹层热-孔隙水-力耦合作用的力学模型能较好的反应孔隙水压力在加热升温过程中的变化特征,为科学地预测和控制类似边坡工程的稳定性提供了参考。     

软土中结合水与固结、蠕变行为

采用宏观力学行为和微观结构定量分析相结合的方法,论文探讨了饱和软土中结合水对其固结、蠕变的影响。首先,采用SEM、压汞及最大吸水量等量测技术,对各级荷载下软土的孔隙级配进行了分析,并对淤泥土固结变形过程中微观结构变化特征进行定量研究,发现伴随着结构强度逐渐丧失和固结过程中不同类型孔隙水的排出,并对软土孔隙中的自由水及结合水进行了划分。其次,通过高压固结试验发现软土的固结过程明显存在两个阶段,前者主要与自由水有关,而后者则与结合水的行为有关。通过蠕变试验,分析了软土的黏滞系数与结合水膜的厚度相关关系。     

考虑气相影响的降雨入渗过程分析研究

降雨入渗过程是水在下渗的过程中驱替空气的水-气二相流过程,对这一过程的精确模拟一直是渗流计算的难点,目前的处理方法通常是忽略孔隙气压力变化的影响。根据多相流理论,结合质量守恒定律和达西定律,建立了水-气二相流模型,模型的求解采用积分有限差分法和Newton-Raphson迭代方法,通过变换主要变量来表达相态的变化,实现了水相、气相边界条件及降雨入渗边界的精确模拟。利用上述模型对一土柱试验进行模拟,从而验证了模型的正确性,研究了一均质土层的降雨入渗过程,得到了孔隙水压力、孔隙气压力和毛细压力及含水率的变化过程。根据入渗率与地表孔隙气压力的变化关系,验证了孔隙气压力的增大对入渗水流产生阻滞作用。在求解非稳定渗流问题中,考虑空气压力变化的影响是值得研究的。     

煤中游离甲烷气含量的模拟试验

煤储层具有大量的裂隙和孔隙,这些孔容为游离气的储集提供了必要条件;而煤中游离气含量对煤层气藏的开发影响较大。通过对不同粒径煤粉的游离气含量模拟试验,实测了不同粒径煤粉在吸附甲烷12 h后排出的气量,并计算出其中吸附气量和游离气量的大小,分析了煤层裂隙和孔隙中游离气的含量。研究认为:煤破碎过程中,煤中裂隙和孔隙的破坏使煤层表面裸露,减少了煤中游离气的储集空间,游离气含量也随之减少;对于不同粒径的煤粉,其游离气含量占总气量的6.3%~17.3%,且煤粉粒径越大,游离气含量越多。      

松散堆积土边坡充气排水方法

坡体地下水是影响边坡稳定的主要因素,将水排出往往能够阻止滑坡的启动。通过应用基本理论和模型试验对高压充气法应用在边坡排水工程中的可行性进行研究分析。结果表明：将高压充气排水法应用在边坡排水工程中是可行的,且适用于土体中最大孔径大于5.0 μm的边坡;气驱水过程存在初始充气气压且存在上限值;气排水速度与土体渗透系数和充气气压成正比、与水头高度和孔隙通道半径成反比;气排水过程中土体大孔隙通道内产生优先流现象。     

水泥土细观破裂过程的损伤本构模型

根据对饱水环境中水泥土力学特性的宏观试验和细观破裂过程试验研究,建立了水泥土细观孔隙损伤变量和损伤本构模型,该水泥土的损伤变量不仅与水泥土的初始损伤有关,而且与水泥土微小孔隙中的孔隙水的密度有关,所建立的损伤本构模型与饱水情况下水泥土的单轴压缩试验曲线进行了对比,分析结果表明,所提出的水泥土细观孔隙损伤本构模型与试验值基本吻合,很好地描述了水泥土的损伤演化特性。     

非饱和土一维大变形固结模型

基于分段线性差分法,建立了一种非饱和土一维大变形固结模型。该模型可考虑土性参数非线性变化,可计算与分析大变形问题,并编制了Fortran计算程序。在现有解答和试验数据的基础上,对该模型进行了验证,瞬时加载情况下模型数值解与现有解答基本吻合,考虑加载过程下的数值解与试验数据吻合。进行了大变形算例分析,对比了加荷压密与消散固结阶段土层变形,探讨了孔隙气、水渗透系数比对土层沉降量、饱和度和不同应变情况下固结度的影响规律,分析了非饱和土大、小变形固结理论计算孔隙水（气）压和沉降量的差异。     

孔隙水中NH_4~+和HPO_4~(2-)浓度异常:一种潜在的天然气水合物地球化学勘查新指标

在海洋天然气水合物的勘查与研究中地球化学方法发挥了重大作用。利用海洋沉积物孔隙水中各种离子含量和同位素异常可以有效示踪天然气水合物的存在, 其中Cl-浓度异常、SO42-浓度梯度和氧同位素组成异常已成为指示天然气水合物存在的灵敏示踪剂。通过对比有和没有天然气水合物存在的海域浅表层沉积物中孔隙水的NH4+和HPO42-含量, 发现有天然气水合物区的孔隙水中NH4+和HPO42-浓度明显偏高, 且存在与SO42-类似的浓度梯度曲线, 认为孔隙水中NH4+和HPO42-浓度异常有可能成为一种新的地球化学示踪剂, 指示天然气水合物的存在; 探讨了引起孔隙水中NH +和HPO 2-浓度异常的可能机理及精确测定这些离子含量的方法。     

松辽盆地北东区扶杨油层孔隙流体地球化学与砂岩成岩相研究

不同孔隙水成因的局部水动力单元是决定扶杨油层砂岩成岩相类型的重要因素之一。研究区可以划分出与局部水动力单元直接相关的四个成岩相:大气水淋滤成岩相、混合水成岩相、埋藏压实水成岩相和古蒸发浓缩水成岩相、各成岩相的成岩特征、自生矿物组合、孔隙成因与孔隙组合都有明显差别。     

页岩气储层孔隙系统表征方法研究进展

页岩气是以游离、吸附和溶解状态赋存于暗色泥页岩中的天然气,页岩的孔隙特征是决定页岩储层含气性的关键因 素。页岩孔隙结构复杂,一般以纳米孔隙占优势,用常规储层孔隙的表征方法难以解释美国的高产页岩气系统。因此,页 岩纳米孔隙的表征成为制约页岩气资源评价的关键因素。在综述目前国际上对页岩气储层孔隙表征方法的基础上,对比分 析其各自的适用范围和应用前景。页岩储层孔隙的主要表征方法有3种:(1)以微区分析为主的图像分析技术;(2)以压 汞法和气体等温吸附为主的流体注入技术;(3)以核磁共振、中子小角散射 计算机断层成像技术为代表的非流体注入技术。 图像分析能够直观、方便、快捷地获取孔隙形态等方面的特征;流体注入法在表征微孔隙的孔径分布、比表面积等方面具 有独到优势;非流体注入技术由于其原位、无损分析及粒子高穿透力的特点,使研究多种地质条件下的孔隙特性成为可能。 在目前的技术条件下,应明确各种表征技术的优势与限制,根据实际情况合理建立孔隙研究流程,综合利用多种技术手段 能在不同的尺度下有效表征页岩气储层孔隙。     

粉土与粉质黏土互层中静压桩桩土界面孔隙水压力

为研究层状黏性土在静压桩沉桩过程中桩土界面孔隙水压力的分布规律,依托山东东营某桩基工程开展了现场足尺静压桩试验,分析了桩土界面孔隙水压力的变化规律,探讨了桩土界面超孔隙水压力的分布特征,明确了桩土界面孔隙水压力和超孔隙水压力的消散特性,并结合水力压裂理论和孔穴扩张理论,揭示了沉桩过程中桩土界面沿桩长方向超孔隙水压力的分布形式。试验结果表明：孔隙水压力、超孔隙水压力与土层性质密切相关,二者均在粉土层中增长较慢,在粉质黏土层中增长较快;在同一深度处,两者均存在明显的消散现象,在粉土中的消散程度明显大于粉质黏土中;采用水力压裂理论结合孔穴扩张理论计算的超孔隙水压力沿桩长方向的变化规律与试验值相吻合;桩身贯入深度越大,超孔隙水压力理论计算值与现场实测值越接近。     

南海北部地区海洋沉积物中孔隙水的氢、氧同位素组成特征

海洋沉积物中孔隙水的H、O同位素地球化学研究可以有效示踪天然气水合物的存在，中国南海地区由于地处三大板块交会处，地质构造特殊，沉积地层厚，沉积速率高，有机质丰富，并有指示天然气水合物存在的地球物理证据BSR存在，符合天然气水合物的赋存条件。本文对南海北部地区部分海域浅层沉积物中孔隙水样品进行了H、O同位素分析，试图探讨与天然气水合物赋存有关的地球化学异常。通过研究认为，①南海处于三大板块的交界处，具有特殊的地球物理场和构造沉积特征以及较适合天然气水合物赋存的温压条件，特别是南海北部地区有利于天然气水合物的生成；②南海北部地区部分海域的浅表层沉积物的H、O同位素测试中可以看出，总体上与海水的正常值一致，可能来自海水，但是在其中A14站位8个样品表现出了与天然气水合物有关的重同位素随深度增加的趋势。也许指示该区有天然气水合物存在的可能性。     

压实红黏土失水收缩过程的孔隙演化规律

失水收缩是诱发黏性土体开裂的主要因素之一,揭示收缩开裂的内在机制对预防工程灾变具有十分重要的意义。以压实红黏土为研究对象,开展自然风干条件下4种初始干密度试样的自由收缩试验。依据试样收缩曲线的特征,确定了4个特征含水率点,包括饱和含水率、比例收缩阶段中间含水率、缩限以及残余收缩阶段中间含水率。试样从饱和含水率状态风干到上述特征含水率点后立刻用液氮冻干法干燥,并通过孔隙分析仪测定该脱湿状态下的孔隙分布特征,着重探明细观孔隙体积与宏观总体积收缩的对应过程。结果表明：失水过程的前阶段（偏湿时）团聚体间的孔隙优先收缩,表现为大孔隙体积峰值半径随着含水率的降低而减小,小孔径的孔隙体积则增多;而当达到残余阶段后团聚体内的孔隙会发生收缩,表现为小孔隙的体积峰值会减小;随着含水率进一步降低,土体进入零收缩阶段,团聚体间和团聚体内的孔隙均不会发生变化。整个失水过程中孔隙总体积明显减小,与所测得的宏观变化规律相吻合。     

太原市深层孔隙水的水化学分带性及其地球化学模拟

太原市深层孔隙水具有明显的水化学分带性,具体表现为由山前到盆地依次分布硫酸一重碳酸型水、重碳酸一硫酸型水、重碳酸型水,且各类地下水均大体在南北向上呈条带状展布,这与补给水的水化学状况密切相关．利用地球化学模拟软件PHREEQC建立一系列地下水混合模型对深层孔隙水的水化学形成过程进行模拟,结果显示：盆地北部的深层孔隙水受到北部边山岩溶水、盆地北部浅层孔隙水、汾河水的补给,其中北部边山岩溶水是最主要的补给源;盆地西部的深层孔隙水由西部边山岩溶水与盆地西部浅层孔隙水混合而成;盆地南部的深层孔隙水则由盆地北部与西部的深层水混合而成．混合作用是控制区域水化学状况的最重要的因素．     

对水致黄土斜坡破坏模式及稳定性分析原则的思考

水对斜坡作用包括地表水流动作用和地表水入渗作用,地表水流动作用,如水库、河流的岸坡破坏,由水动力侵蚀所引起。目前黄土中地表水入渗影响下的斜坡稳定性分析存在一些概念含糊的问题,如忽略了入渗过程的应力路径,只考虑其破坏时的应力状态,这会导致对其破机理和稳定性计算参数取值的误判,文章只针对该类问题进行辨析讨论。黄土中地表水的入渗一般有降雨和灌溉两种,伴随降雨入渗多引起斜坡浅层破坏;灌溉导致地下水位上升则引起深层滑移。地表水入渗对斜坡总应力改变不大,水致斜坡破坏主要是孔隙水压力上升,土体有效应力降低所致。非饱和黄土中的初始孔隙水压力为负值,降雨入渗后的浅层黄土仍处于非饱和状态,孔压最大升到0;灌溉会引起地下水位抬升,潜水位下为正的孔隙水压力。明确了孔压变化过程,就可以用有效强度评价边坡稳定性。同时,目前一些观点认为关于流动性黄土滑坡是静态引起,这颠倒了因果关系,是滑移引起了液化,而不是液化导致的滑移。     

沁水盆地武乡区块上古生界煤系页岩气储层孔隙特征和孔隙结构

储层孔隙特征和孔隙结构是影响页岩气赋存与储集的重要因素。为评价海陆过渡相高演化煤系页岩储层性质与页岩气储集性能,应用扫描电子显微镜、高压压汞、低温N₂和 CO₂气体吸附、微米CT扫描、核磁共振实验方法,对沁水盆地武乡区块上古生界煤系页岩气储层孔隙微观特征和孔隙结构进行了研究。结果表明,沁水盆地武乡区块上古生界煤系页岩样品中发育多种类型微观孔隙,常见粒间孔、粒内孔和微裂缝,有机质孔几乎不发育;武乡区块煤系页岩气储层样品孔隙总孔容分布在0.021 9~0.073 5 mL/g之间,平均值为0.039 9 mL/g,总比表面积主要分布在11.94~46.83 m²/g之间,平均为29.16 m²/g,其中介孔(2~50 nm)和微孔(<2 nm)是煤系页岩气储集的主要载体。煤系页岩中的高配位数孔隙数量越多,相应的孔容和孔比表面积越大,孔隙连通性越好;在孔隙数量和总孔容相差不大的前提下,山西组煤系页岩储层孔隙结构与连通性比太原组煤系页岩稍好。