上海软黏土的孔径分布试验研究

为研究结构性对软黏土变形特性的影响,对上海软黏土原状样和不同制样方式得到的重塑样、泥浆样和压实样开展了压缩试验和压汞试验,确认固结压力和制样方式对软黏土的孔径大小及分布具有重要影响。试验结果表明:上海软黏土原状样的孔径分布为单峰孔径分布,孔径大小主要分布在0.01~1.00?m之间;结构性对孔径分布影响较大,随着固结压力的增大,大孔隙和中孔隙逐渐向小孔隙转化,尤其是固结压力大于结构屈服应力后,这种现象更加明显;不同制样方法得到的重塑样、泥浆样和压实样,在饱和状态下的孔径分布均为单峰孔径分布,但不同制样方式得到的土样孔径分布差别较大,压实样的孔径相对较大,泥浆样的孔径分布较为集中;随着固结压力的增大,不同制样方法在相近孔隙比下的土样孔径分布差别虽然有所减小,但仍无法达到相同或接近,即固结压力无法消除制样方式对土体孔径分布的影响。用简单表示组构的参考孔隙比对不同土样的压缩曲线进行归一化整理,得到4种土样的压缩曲线可归一化为一条相关度极高的直线,说明参考孔隙比用于简单表述土体的组构是合理、有效的。     

黏性土压缩过程临界孔径现象及固有分形特征

研究土体压缩过程孔隙的分形特性时,常常对试验测量范围内所有孔隙进行整体分析。然而,研究发现大小孔隙分形行为存在较大差别,特别对压缩的响应也显著不同。为阐述黏性土压缩过程大小孔隙的不同响应及分形特征,并对其变化规律进行刻画,以不同干密度武汉黏性土为研究对象,利用压汞法获取土体孔隙分布数据,基于分形理论拟合分析其分维数。研究发现:孔隙孔径-体积分布图中,均存在特殊的临界孔径现象,临界孔径前后的孔隙分布规律及其对压缩变形的响应显著不同,将大于临界孔径的孔隙定义为大孔隙,小于临界孔径的孔隙定义为小孔隙;小孔隙分布具有天然较强的分形特征,且基本不随干密度的变化而变化,称之为固有分形特征;大孔隙分布远离固有分形特征,分形行为较弱;随着干密度的不断增大,大孔隙的分形特征逐渐增强,且不断逼近小孔隙的固有分形特征。因此,小孔隙的固有分形特征可作为黏性土压缩的基准指标,压缩是迫使大孔隙不断调整趋于更强分形分布、且逐步向基准指标靠拢的过程。     

黏性土压缩过程临界孔径现象及固有分形特征

研究土体压缩过程孔隙的分形特性时,常常对试验测量范围内所有孔隙进行整体分析。然而,研究发现大小孔隙分形行为存在较大差别,特别对压缩的响应也显著不同。为阐述黏性土压缩过程大小孔隙的不同响应及分形特征,并对其变化规律进行刻画,以不同干密度武汉黏性土为研究对象,利用压汞法获取土体孔隙分布数据,基于分形理论拟合分析其分维数。研究发现:孔隙孔径-体积分布图中,均存在特殊的临界孔径现象,临界孔径前后的孔隙分布规律及其对压缩变形的响应显著不同,将大于临界孔径的孔隙定义为大孔隙,小于临界孔径的孔隙定义为小孔隙;小孔隙分布具有天然较强的分形特征,且基本不随干密度的变化而变化,称之为固有分形特征;大孔隙分布远离固有分形特征,分形行为较弱;随着干密度的不断增大,大孔隙的分形特征逐渐增强,且不断逼近小孔隙的固有分形特征。因此,小孔隙的固有分形特征可作为黏性土压缩的基准指标,压缩是迫使大孔隙不断调整趋于更强分形分布、且逐步向基准指标靠拢的过程。     

原状扬州黏性土压缩特性与孔径分布

研究土体压缩特性与孔径分布的关联性是探索土体宏观微观关系的途径之一。文章以扬州黏性土为研究对象,对不同深度的原状样同时进行压缩试验和压汞试验,重点研究了初始孔隙比相近而压缩特性不同的土层的孔隙结构以及各深度土层经历加卸载后的孔隙结构变化。试验结果表明:不同深度原状扬州黏性土的孔径分布均为单峰结构,孔径大小主要分布在0. 2～5μm,其压缩特性与孔径分布密切相关,孔径分布越集中,土的压缩性越小。12,15,18 m深度土样的孔径分布范围相对其他深度的更大,小孔隙占比更高,具有更大的压缩性和更强的结构性。初始孔隙比相近的不同深度的土样因孔径分布不同其压缩性也不同。在经历一个加卸载后,各深度土样的中孔隙占比均减小,孔径分布都向小孔径孔隙方向移动,且大孔隙占比变化都不大,而12,15,18 m累计孔隙体积减小量更多,使得这三层土样的中孔隙占比减小更明显。本文为黏性土的工程特性和微观结构的关联性探究提供了参考数据。     

黑方台马兰黄土固结条件下孔隙变化特征

甘肃临夏地区的黑方台由于长期的农业灌溉导致台缘滑坡频发,整个台面普遍下沉3m以上。文章通过原状黄土的增湿固结实验、压汞试验和环境扫描电镜等对黑方台顶部和底部的原状黄土进行孔隙特征的分析。黑方台顶部黄土颗粒排列极为疏松、孔隙较大、黏土含量较低。底部黄土排列较为紧密,具有一定的孔隙,黏土含量较高。顶部黄土在固结实验中,21%含水量的黄土发生孔隙比突降,黄土的微观结构强度此时迅速减小或丧失。然而底部黄土没有发生明显的突变,水敏性不强。利用压汞试验确定了黑方台顶部黄土的孔隙主要压缩区间为孔径大于100m、孔径5～20m之间; 底部黄土的孔隙主要压缩区间为孔径大于100m、孔径1～10m之间。而且孔径小于0.1m的孔隙随含水量的升高具有增加的趋势。     

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     

疏浚淤泥流动固化土的压汞试验研究

采用压汞法对疏浚淤泥流动固化土进行了微观孔隙结构的研究,分析了固化土的孔隙体积及入口孔径分布特征与固化材料掺量及固化土龄期的关系,并将微观试验结果与固化土的物理指标和强度特性进行了比较。结果表明,采用压汞法研究疏浚淤泥流动固化土的微观孔隙空间分布是成功的,压汞试验得到的微观孔隙特征与众多学者通过宏观力学试验得出的强度规律是一致的,微观结构试验能够很好地解释宏观物理力学性状。随着固化材料掺量的增加和龄期的增长,淤泥固化土的孔隙体积和D50孔径明显减小,入口孔径分布特征亦发生了相应变化。所得流动固化土的入口孔径主要分布在0.01～10 ?m之间,最大分布孔径在0.5～2 ?m之间。     

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。     

上海黏土压缩回弹变形的微观机理

黏土变形微观机理的研究过去多针对土体加载压缩开展,随着研究的深入,黏土卸载回弹变形的微观机理也逐步得到重视,但目前对此研究还很少。本文采用单向压缩及回弹试验、扫描电镜及压汞试验对上海黏土压缩及回弹变形过程中土体的微观特性及其变化进行了研究。研究结果表明,微观结构参数的变化能反映黏土的宏观变形特征。在加载过程中,随固结压力增加,土体孔隙体积减小,孔隙数量先增加再减小,孔隙平均形状系数的增加先急后缓,孔隙形态分维数先急剧减小后缓慢减小。在卸载过程中,随固结压力减小,孔隙数量增加,平均形状系数略有减小,孔隙形状分维数略有增加。加载压缩过程中,固结压力较小时中、小孔隙体积所占比例变化不大,而当固结压力较大时小孔隙所占比例显著增加、中孔隙所占比例明显减小。在卸载回弹过程中,各级固结压力下小孔隙都占绝对优势,但固结压力较大时中孔隙所占比例较大,而固结压力较小时中孔隙所占比例较小,黏土卸载回弹变形主要是小孔隙体积的少量增加。     

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。     

上海软粘土微观特性及在土体变形与地面沉降中的作用研究

对上海软粘土的颗粒及集合体成分、孔径分布、微结构、孔隙溶液与阳离子交换性作了分析 ,对固结前后的孔径变化与人工回灌对土体性质可能带来的影响作了探讨 ,从物理化学角度阐述了软粘土微观特性对土体固结变形及地面沉降的影响.     

软土结构性破损的孔径分布试验研究

采用压汞法对天然结构性软土压缩过程孔隙大小分布的演化进行了试验研究，结果表明，当荷载超过结构屈服应力后，尺寸较大的团粒间孔隙首先发生破坏，随着荷载的增大，越来越小的孔隙受到影响，但团粒内孔隙在压缩过程中不发生变化；根据试验结果提出了孔隙结构破损势的概念，并用其表征孔隙分布随荷载变化的规律。     

Fractal analysis of the fabric changes in a consolidating clay

Electron microscopy and mercury intrusion porosimetry studies on the fabric of clays undergoing consolidation tests have indicated that the clays have pores of different sizes and shapes. After pressure is applied to the clay samples, the larger pores change in size and shape, with the smaller pores being relatively unaffected. The size of the pores and their distribution have been determined from mercury porosimeter tests. The shape of the pores and the changes they experience during the consolidation process have received only a qualitative evaluation from the photomicrographs obtained with the scanning electron microscope. In this study, a quantitative evaluation of the shape of the pores in a clay subjected to consolidation stresses is presented. This evaluation is done using fractal theory. Fractal theory employs the concept of fractal dimension to evaluate the shape (roughness) of closed profiles such as pores. The larger the fractal dimension, the rougher is the shape of a closed profile. The fractal dimension of a pore in a clay sample undergoing consolidation changed progressively from 1.4623 (very rough pore) to 0.9856 (very smooth pore). Thus, during consolidation, the pore, besides changing in size, also experienced a change in its degree of roughness. In addition, a theoretical analysis of the influence of the shape of the pores on the rate of water flow from a saturated clay undergoing consolidation is presented.     

软土动力排水固结的室内模型试验研究

以广州国际会展中心一期工程动力排水固结软基处理项目为工程背景进行了室内模型试验,重点观察和分析了插设塑料排水板过程中、全部夯击过程中及夯击完成后饱和软黏土内的孔压响应。结果表明,塑料排水板插设完毕时刻与各个位置孔压达到峰值时刻不同步,孔压增长体现出滞后性特点。夯击过程中,离夯击点越近,其孔压增长越快,孔压增长幅度也越大,达一定夯击击数后浅部孔压增长趋于平缓,而深部处全部夯击完毕后其孔压依然继续增加,但各个位置孔压消散情况基本一致。     

上海软粘土微观特性及在土体变形中的作用

本文综合最新测试成果,对上海软粘土的颗粒及集合体成分、固结前后的孔径分布及其微结构形态作了详细分析论述,并从物理化学角度对孔隙溶液成分、阳离子的交换性及人工回灌后对土体性质可能带来的影响作了探讨,对软粘土固结变形的控制提出了新的设想。     

软黏土层一维有限应变固结的超静孔压消散研究

根据土力学固结理论计算分析软黏土层固结过程的超静孔隙水压力值,确定软黏土体固结过程的强度增长,对排水固结法处理软土地基至关重要。软黏土层固结过程中土体变形较大时,有限应变固结理论和小应变固结理论计算分析软黏土固结所得结果差异较大。利用非线性有限元法及程序,通过对软黏土层固结工程算例的计算结果分析,研究了有限应变固结理论和小应变固结理论计算分析软黏土层一维固结超静孔压值消散的差异;探讨了软黏土体一维固结过程中,几何非线性、土体渗透性变化和压缩性变化对超静孔隙水压力消散的影响。研究结果表明,当土体的变形较大时,有限应变固结理论计算出的超静孔压要比小应变固结理论得到的值消散的更快。考虑土体固结过程中渗透性的变化时,超静孔压消散变慢;可用软黏土渗透性变化指数ck 反映渗透性变化对超静孔压消散的影响,渗透性变化指数ck值越小、超静孔压消散越慢。固结过程中软黏土压缩性的大小及变化也影响超静孔压的消散,可用软黏土的压缩指数cc反映固结过程中压缩性的大小及变化对超静孔压消散的影响,软黏土的压缩指数cc越小,固结过程软黏土层中的超静孔压消散越快。     

Pore Size Distribution of a Tight Sandstone Reservoir and its Effect on Micro Pore-throat Structure: A Case Study of the Chang 7 Member of the Xin’anbian Block,Ordos Basin,China

Pore distribution and micro pore-throat structure characteristics are significant for tight oil reservoir evaluation, but their relationship remains unclear. This paper selects the tight sandstone reservoir of the Chang 7 member of the Xin’anbian Block in the Ordos Basin as the research object and analyzes the pore size distribution and micro pore-throat structure using field emission scanning electron microscopy(FE-SEM), high-pressure mercury injection(HPMI), highpressure mercury injection, and nuclear magnetic resonance(NMR) analyses. The study finds that:(1) Based on the pore size distribution, the tight sandstone reservoir is characterized by three main patterns with different peak amplitudes. The former peak corresponds to the nanopore scale, and the latter peak corresponds to the micropore scale. Then, the tight sandstone reservoir is categorized into three types: type 1 reservoir contains more nanopores with a nanopore-to-micropore volume ratio of 82:18;type 2 reservoir has a nanopore-to-micropore volume ratio of 47:53;and type 3 reservoir contains more micropores with a nanopore-to-micropore volume ratio of 35:65.(2) Affected by the pore size distribution, the throat radius distributions of different reservoir types are notably offset. The type 1 reservoir throat radius distribution curve is weakly unimodal, with a relatively dispersed distribution and peak ranging from 0.01 μm to 0.025 μm. The type 2 reservoir’s throat radius distribution curve is single-peaked with a wide distribution range and peak from 0.1 μm to 0.25 μm. The type 3 reservoir’s throat radius distribution curve is single-peaked with a relatively narrow distribution and peak from 0.1 μm to 0.25 μm. With increasing micropore volume, pore-throat structure characteristics gradually improve.(3) The correlation between micropore permeability and porosity exceeds that of nanopores, indicating that the development of micropores notably influences the seepage capacity. In the type 1 reservoir, only the mean radius and effective porosity have suitable correlations with the nanopore and micropore porosities. The pore-throat structure parameters of the type 2 and 3 reservoirs have reasonable correlations with the nanopore and micropore porosities, indicating that the development of these types of reservoirs is affected by the pore size distribution. This study is of great significance for evaluating lacustrine tight sandstone reservoirs in China. The research results can provide guidance for evaluating tight sandstone reservoirs in other regions based on pore size distribution.     

动力固结法加固软土路基试验分析

通过对动力固结法加固的某软土路堤软土内的孔隙水压力增长与消散、软土的分层沉降、路堤的表层沉降和软土的深层水平位移的监测结果及静力触探和十字板剪切试验对地基加固效果的检测结果的分析说明,在一定的条件下,对某些淤泥及淤泥质土等软土路基采用该方法进行处理是可行的,并对其使用范围进行了说明。     

基于复杂网络理论的页岩纳米孔隙连通性表征

页岩孔隙结构的表征是页岩气储层评价的基础性工作。钻取岩芯,采集鄂尔多斯盆地上三叠系延长组页岩。使用纳米CT观测10 μm3、20 μm3、30 μm3、39 μm3空间内页岩的孔隙结构,获取孔隙、喉道数量,以及连通性数据,重构孔隙结构三维模型。将孔隙结构抽象为球-棍物理模型,采用复杂网络理论建立关于孔隙结构连通性的结点-边数学模型。依据无标度网络的数学特性,使用Matlab软件生成10 μm3空间内孔隙连通性网络。引入网络连通熵的概念,用于计算不同空间范围内孔隙连通性网络的网络连通熵,评价孔隙结构的异质性。结果表明:10 μm3、20 μm3、39 μm3空间内孔隙连通性网络度分布符合幂律分布;30 μm3空间内孔隙连通性网络度分布符合指数分布;网络连通熵增加,孔隙和喉道网络的连通性减小。该方法可用于评价页岩孔隙的连通性,进而评价页岩气储层的孔渗特性。