动渗耦合作用下软黏土动力特性试验研究

针对天津地区饱和软黏土,开展了一系列动渗耦合作用下的循环三轴试验。结果表明,软黏土在动渗耦合作用下累积塑性应变发展呈现初期瞬时增长、减速增加、稳定/线性发展3阶段特征;渗流力的存在使得软黏土的动力变形增大1～2倍,且渗流力越大,累积塑性变形增幅越大;振动频率越小,动应力越高,累积塑性应变越大;建立了考虑渗流力作用的软黏土累积塑性应变预测模型;渗流力的存在使得加载初期滞回曲线向应变轴倾斜程度增大;动渗耦合下软黏土的动弹性模量随应变发展先增加后减小,且渗流力越大,模量越低;定义了动弹性模量的换算系数,揭示了其与累积塑性应变的变化规律,建立了考虑渗流力、频率影响的动弹性模量归一化预测模型;渗流力越大,阻尼比的衰减幅度越大,且在振动末期,其阻尼比近似为0.02～0.04。研究成果可以为流固耦合条件下的场地动力特性分析提供理论参考。     

混合重金属离子侵蚀饱和黏性土渗透特性试验研究

渗透特性是表征黏性土层防渗能力及防污性能的关键控制因素,黏土衬垫渗透系数的正确选择对保证垫层的防污效果具有极其重要的意义。采用柔性壁渗透仪,通过室内试验研究了混合重金属离子共存情况下侵蚀饱和黏性土的渗透特性变化规律。试验结果表明,将可溶性铜、铬离子混合与铜、锰离子混合溶液作为渗液,黏性土渗透性均随着掺入离子浓度比例的增大而逐渐增强,且相同试验条件下,铜、铬离子混合溶液作为渗液测得的黏土渗透系数值大于铜、锰离子混合溶液作为渗液测得的渗透系数值。混合重金属离子的存在削弱了黏土垫层作为工程防污屏障服役的能力,并对黏土层的水力传导性起到了劣化作用。试验土样微观结构分析表明,渗液特性的改变影响了土样内部的微观结构,随着渗液混合离子质量比的增大,土样中出现了凝聚体且有效输运孔隙通道增大,与宏观渗透特性的变化规律相吻合。研究结果能够为有效评估黏土防污屏障的防渗隔污能力及研究堆场渗液在黏土垫层中的运移机制提供参考。     

不同压应力作用下黏土体积变形的微观特征

为了研究黏土体积变形的微观结构变化特征,选取上海第4层淤泥质黏土为研究对象,分别采用各向等压和K0压缩两种方法制备体积变化率相同的土样,经冷冻真空干燥后对土样进行压汞试验并测定土中孔隙大小分布状况。压汞试验结果表明：试验黏土中孔隙可分为大孔隙、中孔隙、小孔隙和微孔隙,小孔隙占据土中孔隙的大部分空间,且其变化能够反映微观结构的主要特性;在各向等压应力状态下,随着压应力增高、体积压缩量增大,黏土颗粒发生空间平移使颗粒间变得更为紧密,孔隙分布曲线变化以孔隙波峰往孔隙变小方向偏移为主要特征,孔隙尺寸变小而孔隙形态基本不变;在K0压缩应力状态下,随着压应力增高,黏土颗粒发生旋转使孔隙变得扁平,表现为孔隙波峰位置基本不发生偏移,而以峰值降低为主要特征,孔隙结构形态明显改变     

加荷条件下软黏土的孔隙演化特征

开展上海软黏土的宏微观三轴剪切试验,研究软黏土受荷状态下孔隙的演化特征。结果表明：局部变形在加荷初期就开始发生。随着荷载的增加,细碎团聚体增多,孔隙不断地扩展,生成大的贯通孔隙,孔隙定向排列明显,剪切带形成。微观结构参数与剪应力比呈非线性正相关关系,最大孔隙面积、孔隙比、孔隙各向异性率及分布分维数在受荷初期缓慢地增大,后期快速增大。应变为8%时,最大各向异性率达到0.68,最大孔隙比为1.96。剪切带附近的微观结构参数都大于带外值。在受荷过程中,土的微观结构发生劣化,软黏土变形过程分为损伤开始、损伤发展剪切带形成和土体破坏3阶段,微观结构的劣化与土的宏观力学特性紧密相联系。     

PS加固对非饱和遗址土的渗透特性影响研究

高模数硅酸钾（简称PS）对西北干旱区的土遗址具有明显的加固效果,其加固后的土体也具有较好的渗透性。采用VJ-T非饱和土渗透仪和常规压力板仪测试了PS加固前后饱和样的渗透系数和非饱和土的土-水特征曲线(SWCC),并利用相关模型预测了非饱和土的渗透系数。结果显示,PS加固以后,在各个含水条件下的渗透性都有一定程度的提高,7%PS加固样表现非常明显。其原因是PS与土颗粒进行了非常复杂的物理化学变化,在反应中颗粒的几何形状发生变化,大量棱角弱化或消失,土颗粒磨圆度变好。同时,孔隙壁变得光滑、平直,孔隙弯曲因子减小,有效孔隙增大,这些因素导致了非饱和黏土的渗透性能有较大幅度提高。电镜测试分析了PS加固以后黏土颗粒及孔隙的变化,较好地验证了渗透性试验的结果     

上海浅部黏土渗透系数及其各向异性

为研究上海浅部黏土的渗透系数及其各向异性,沿水平及竖直方向对上海浅部主要黏土层进行了不同压力下的固结试验,联合使用时间平方根法和时间对数法获取了试样的渗透系数,探讨了渗透系数与孔隙比及渗流方向之间的关系,并通过电镜扫描,从微观角度分析了水平和竖直方向渗透系数存在差异的原因。研究结果表明：上海浅部主要黏土层的渗透系数均随着孔隙比的增加而增大。对于单组试验来说,渗透系数k与孔隙比e在e lgk坐标系中呈现很好的线性关系,且渗透变化指数Ck大致呈现Ck = 0.5e0的规律;但对于整体试验而言,渗透系数与孔隙比在e lgk坐标系中大致呈现出曲线关系。通过扫描电镜观察,揭示了沉积形成的絮状微观结构是竖直和水平渗透系数差异较小的主要原因。     

孔隙溶液对粉质黏土界限含水率的影响

针对桂林地区的粉质黏土,运用液、塑限联合测定法探讨了不同孔隙溶液作用下土体的界限含水率,并利用扫描电镜（SEM）技术从微观层面分析了水化学环境变异下土体的水化学-力学耦合作用对结构特性造成的影响。试验结果表明,随着孔隙溶液浓度的增大,粉质黏土的界限含水率均减小,且在相同浓度下同价阳离子半径较小的水溶液使得粉质黏土界限含水率下降的较为明显,随着阳离子价位的增高,其下降的幅度更大;该现象的产生主要是由于离子浓度及离子价位的增大,使得扩散双电层的厚度减小,而双电层对于土体界限含水率存在直接的控制作用。除此以外,通过探测土体的微观结构发现,水化学-力学耦合作用使得粉质黏土颗粒间发生絮凝作用,致使土粒形成粒团,土颗粒间孔隙增大,架空孔隙变多。     

循环应力比和振动频率对盐渍土微观结构影响分析

以青海省察尔汗地区盐渍土为研究对象, 借助扫描电子显微镜（SEM）设备和颗粒孔隙及裂隙图像识别与分析系统（PCAS）, 应用图像分割原理和分形理论, 对交通循环荷载作用下的盐渍土微观结构进行研究, 探讨不同循环应力比和不同振动频率下孔隙分布特征及其微观机制。结果表明： 循环应力比R由0.375增加到0.75, 临界破坏动应变由2.32%增高到3.17%, 动载循环次数相应减少; 振动频率f由0.5 Hz增加到2.0 Hz, 临界破坏动应变由2.82%减小到2.48%, 动载循环次数相应增多; 盐渍土孔隙参数随循环应力比的增大, 孔隙尺度分维值D_v 增长了0.12, 概率熵H_m 减小了0.017, 孔隙的形态分形维数D减小了0.27, 平均形状系数F增加了0.14, 变化规律较明显; 随振动频率的增大, D_v 增长了0.014, H_m 减小了0.002, D变化了0.06, F变化了0.003, 变化规律不明显; 在动荷载作用下, 试样的孔隙空间排列与宏观上的褶皱鼓状变形具有一致性。通过未加载试样与加载后试样的微观结构参数变化对比, 从循环应力比和振动频率对盐渍土微观孔隙特征的影响到宏观变形的相互作用机制进行了系统分析。     

利用扫描电镜、压汞法、氮气吸附法评价近海黏土孔隙特征

近海地区黏土的微观结构单元--黏土畴中含有大量的粒内孔隙,其孔径小至纳米级,这部分孔隙对黏土的物理指标、水稳性、膨胀性、收缩性等具有重要影响,一般方法很难准确地描述其孔隙特征。试验利用扫描电镜、压汞法、氮气吸附法对湛江黏土的微观孔隙特征及其孔隙发育的控制因素分析,建立微观结构与物理指标、力学行为的相互关系与灵敏性分析。结果表明,湛江黏土具有不良物理性质和良好力学特性指标的异常组合,是一种高灵敏性的强胶结结构性黏性土,其机制主要是：湛江黏土的微观结构为带有胶质联结特性的、定向性无序的开放式絮凝结构,孔隙结构为具有较高的强度和空间稳定性的边－面－角联结的空间网架系统。由于特殊的孔隙网架结构以及“墨水瓶”型孔隙的存在,导致退汞过程出现滞留现象及产生吸附回线。研究表明,联合扫描电镜、压汞法、氮气吸附法能够准确、完整地对近海地区黏土孔隙体系特征进行定性与定量的评价。     

湿干循环作用对压实黏土干裂特性的影响

开展了湿干循环作用下压实黏土的开裂试验和微观结构特性研究,分析了湿干循环作用对黏土开裂和孔隙结构的影响,将压汞试验(MIP)和扫描电镜(SEM)的结果与宏观开裂进行比较。结果表明:湿干循环作用显著影响了压实黏土的开裂,用开裂因子表征黏土的开裂程度,开裂因子随含水率减小而增大并明显大于湿干循环作用前; 随湿干循环次数的增加,黏土孔隙的总体积、中间孔径、平均孔径、平均孔隙率和团粒内孔隙均在增加,而黏土的颗粒内孔隙、颗粒间孔隙和团粒间孔隙却在减小。湿干循环作用使黏土体从大团粒逐渐转化为小颗粒,并增大了土颗粒的凸凹性,分析SEM二值化图像得知土体孔隙率均在增加; 用压汞法和扫描电镜法分析和解释土体开裂是可行的,所得的微观孔隙特征与宏观开裂规律基本相符。     

Influence of processes of the formation of authigenic clay minerals of terrigenous rocks on reservoir properties: Evidence from the rocks of the Vartov Arch

Filtration-capacity properties of terrigenous reservoir rocks significantly depend on catagenetic transformations of clay minerals. Results of our research revealed the authigenic nature and formation stages of kaolinite and chlorite. The volume and shape of pore space define the morphology of clay particles. Depending on the pore volume, kaolinite crystallizes either as thick tabular aggregates or as fan-shaped intergrowths. The formation of authigenic clays in pores of terrigenous reservoirs decreases filtration-capacity properties of rocks with low permeability and, conversely, increases filtration-capacity properties of rocks with high primary permeability and large pore volume.     

Changes of the pore distribution of silty clay under the subway train loads

Vibrations induced by the passage of subway trains are a major concern in urban areas. These vibrations can cause annoyance to people. Meanwhile, they can cause the settlement of tunnels by loading on the structured soft soil around the tunnel. It is known that the engineering behaviors of soft soil are determined by its microstructure. Therefore, the changes of pore distribution under characteristic dynamic loads were studied in this paper through a series of dynamic triaxial tests and mercury intrusion porosimeter tests. It is worth mentioning that the low-order fundamental frequency should be paid more attention to the similar research. Under the dynamic loads, the silty clay and mucky silty clay samples were all compacted. The volume of large pores (pore radius >400 nm) significantly decreased, while the volume of medium and small pores (pore radius <400 nm) increased due to the transformation of large pores. The changes of pore distribution can be well reflected by the fractal dimensions in thermodynamic model.     

不同固结压力下强结构性黏土孔隙分布试验研究

为探讨结构性土变形的微观机制,以湛江地区结构性黏土为研究对象,对原状土和压缩试验后土样进行压汞试验,分析不同固结压力下土的孔隙分布、孔径大小以及孔隙结构特征参数的变化规律,辅以SEM图像进行孔隙形态的定性分析,并从分形理论角度对此解释与验证。结果表明,湛江黏土各孔隙组对外力的敏感度与孔隙体积含量正相关。由于压汞过程存在瓶颈效应以及边-面-角的空间接触形式,其结果可能会夸大真实小孔隙的分布密度而低估大孔隙的分布密度。结构性对压缩过程中孔隙分布影响较大,当固结压力增大至结构屈服压力后,孔径为0.01～0.50 μm的孔隙组变化明显,孔隙的连通性变差,孔径分布向小孔径范围移动,孤立式孔隙增多,大、中孔隙的界限变得不明显。湛江黏土孔隙具有多重分形特征,据此确定微裂隙、粒间孔隙和孤立孔隙孔径的分界点为0.01 μm与0.50 μm,同时给出了湛江黏土的孔径界定标准。     

上新世红土微观结构参数与渗透系数的变化关系研究

新近系上新世（N₂）红土是实现我国西北地区保水采煤和生态环境保护的关键隔水层,研究红土的微观结构有利于分析其渗透性变化的内在机理。文章利用Matlab对不同渗透系数的N2红土的SEM图像进行了预处理和二值化分割,提取孔隙轮廓,得到其孔隙大小、排列、形态和类型等微观特征,并分析了红土的灰度熵、平均孔径、扁圆度、分布分维和概率熵等孔隙微观结构参数与渗透系数之间的关系。结果表明:图像灰度熵与渗透系数之间无明显变化规律,灰度熵在0.88~0.92之间;平均孔径在2.7~3.7μm之间,渗透系数随平均孔径的增加呈指数型增加;对孔隙大小按照微孔隙（<1μm）、小孔隙（1~4μm）、中孔隙（4~16μm）、大孔隙（> 16μm） 4组进行分类,发现小孔隙的数量最多,约占总孔隙数的50%以上,中孔隙和大孔隙的面积约占总孔隙面积的80%以上,渗透系数的增大主要与中孔隙和大孔隙有关;孔隙扁圆度在0.54~0.57之间,形状系数在0.63~0.75之间,孔隙主要呈扁椭圆状,渗透系数随扁圆度的增加呈指数型缓慢减小,随形状系数的增加呈线性减小;孔隙的分布分维数在1.00~1.40之间,随着分布分维的增加,孔隙由大变小,渗透系数随之呈指数型减小;不同土样的概率熵在0.97~0.99之间,孔隙缺乏明显定向性。     

考虑不同尺度孔隙压缩敏感性的砂岩渗透特性研究

以往的研究多是从宏观层面建立孔隙压缩敏感性与渗透率之间的关系,缺乏砂岩不同尺度孔隙结构改变对渗透率演化规律的认识。从细观孔隙层面来看,不同尺度孔隙在应力作用下闭合程度差异明显,考虑不同尺度下孔隙压缩敏感性对准确预测渗透率演化至关重要。因此,利用多场耦合核磁共振试验平台开展了砂岩渗流-应力耦合试验,获得了不同应力作用下砂岩渗透率以及孔径分布曲线的变化规律,将孔径分成大孔(>1μm)、中孔(0.1～lμm)、小孔(<0.1μm)3类,计算了砂岩不同尺度孔隙压缩系数及其转化因子,提出了考虑不同尺度孔隙压缩敏感性的砂岩渗透率计算公式。结果发现:砂岩不同尺度孔隙的压缩性差异明显,大尺度孔隙的压缩敏感性更强;考虑不同尺度孔隙压缩敏感性的渗透率公式与试验值具有较好的一致性。     

广州饱和软土固结过程微孔隙变化的试验分析

软土的孔隙特征及其变化规律对软土的压缩性和渗透性有重大的影响,软土孔隙特征随荷载变化规律的试验研究为揭示软土排水固结过程与变形规律,建立基于孔隙压缩规律和渗流机制的排水固结模型提供有力依据。利用美国全自动压汞仪,对不同压力下固结的广州番禺淤泥土样的孔隙及其尺度分布进行测试,根据测试结果对土样孔隙尺度分布特征及其随固结压力的变化规律给出了定量分析。试验结果表明：淤泥土中介于0.4～2.5 μm范围的颗粒间及团粒内的小孔隙所占比例最大,而大于10 μm的大孔隙和小于30 nm的超微孔隙所占比例均很小;较大的孔隙更易于被压缩而湮灭或被分裂成微小孔隙;固结压力将显著改变淤泥土的孔隙尺度及其分布特征,以致改变土体的压缩性和渗透性。在固结前期( 200 kPa)孔隙尺度较大,压缩系数和渗透系数较大并随固结压力增加而快速减小;在固结后期( 200 kPa)孔隙尺度小,压缩系数和渗透系数小,且随固结压力增加的变化趋于平缓。     

页岩油层系储集层微观孔隙非均质性及控制因素——以吉木萨尔凹陷芦草沟组为例

吉木萨尔芦草沟组页岩油层系岩性复杂,揭示不同类型储集层微观孔隙特征及非均质性控制因素,有利于指导该区页岩油甜点评价及优选。本文优选芦草沟组30块页岩油储集层样品,采用场发射扫描电镜、高压压汞、核磁共振等实验手段,刻画页岩油储集层微观孔隙结构,探讨混积型页岩油孔隙非均质性的控制因素。结果表明,芦草沟组发育7类孔隙和3类孔喉组合;随渗透率降低,粒间孔、粒间溶蚀孔等大孔减小,粒内溶蚀孔和晶间孔增加,"大孔-细喉"组合过渡为"短导管"和"树形网络"组合,孔径及可动饱和度均降低。页岩油孔喉非均质性主要受控于粒度和方解石、黏土胶结,前者决定较大孔(>1μm)能否发育,后者进一步缩小孔隙或孔喉,增加非均质性;在两者联合控制下,孔隙度与孔喉参数的相关性较差。     

The fractal dimension of pores in sedimentary rocks and its influence on permeability

Perimeter-area power-law relationship of pores in five sedimentary rocks are estimated from scanning electron micrographs of thin sections. These relationships for the pores of four sandstones were found to lie between 1.43 and 1.49, while that of an Indiana limestone was found to be 1.67. We show how the perimeter-area power-law relationship of pores, along with a pore-size distribution, can be used to estimate the hydraulic permeability. A discussion is given of how the fractal dimension of the pore perimeter derived by Mandelbrot for islands whose boundaries are fractal: P = ε^DA^D/2, where ε is some constant that depends on the length of the measuring grid size and D is the fractal dimension of the pore perimeter, influences permeability.