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。     

重塑黏性土固有压缩特性的探讨

Burland于1990年提出重塑土的固有压缩特性,为定量评价天然沉积结构性黏性土的力学性质提供参考依据。通过对四种液限的重塑土进行大量的室内一维固结试验,重塑土样的初始含水率调整扩大为液限的0.7~2.0倍,探讨了初始含水率,液限对重塑土固有压缩特性的影响。结果表明:重塑土压缩曲线不仅与土的液限有关,还受初始含水率的影响; 在较低固结压力下,采用Burland引入的孔隙指数不能将不同初始含水率的重塑土压缩曲线归一化,但当固结压力超过约25kPa时,各种压缩曲线均可较好地归一化至重塑土的固有压缩曲线(ICL); 此外,重塑土固有压缩参数并非仅与土的液限有关,试验实测的结果显示出与Burland的固有压缩参数经验有一定的偏离,结合试验结果对其进行了修正。     

膨胀土干湿循环过程孔径分布试验研究及其应用

采用压汞法对膨胀土干湿循环过程孔隙大小分布的演化规律进行了试验研究,结果表明,随着循环次数的增加,膨胀土的总孔隙体积、孔隙率和平均孔径等微结构参数均递增;分析了试验结果产生偏差的原因,其一是干湿循环过程中膨胀土试样的体积收缩,其二是孔隙形状和测试压力有限的影响,在此基础上对试验数据进行了合理修正。结合毛细管模型,利用修正的孔径分布曲线推算了膨胀土干湿循环过程中的土-水特征曲线,并分析了干湿循环过程中基质吸力的变化规律：以含水率28%为分界点,含水率大于该值时基质吸力随循环次数N的增加而线性递增,含水率小于该值时基质吸力随循环次数N的增加而线性递减;在此基础上,建立了基质吸力与循环次数之间的关系,为解释膨胀土力学特性的干湿循环效应开辟了一条新途径。     

鄂尔多斯盆地杭锦旗地区盒1段致密砂岩孔隙结构分形特征及其与储层物性的关系

基于物性、铸体薄片、电镜扫描和高压压汞等测试分析资料,利用汞饱和度法和含水饱和度法对杭锦旗地区盒1段致密储层孔隙结构分形维数进行了计算,并分析其与储层物性的关系.结果表明:盒1段储层平均孔隙度、渗透率分别为9.83％、1.03×10-3 μm2,储集空间以粒间溶孔、粒内溶孔和残余粒间孔为主.汞饱和度法计算的整体分形维数...     

高煤阶煤孔隙结构及分形特征

高煤阶煤与中低煤阶煤在孔隙结构特征方面存在明显差异,分形理论为定量描述高煤阶煤储层孔隙特征提供了有效手段。基于扫描电镜、压汞实验和孔渗测试,以华北地区最大镜质体反射率(Ro,max)在19%~295%之间的9个煤样为研究对象,采用分段回归的方法对各样品进行不同孔径段分形维数计算,并讨论了孔隙结构分形维数与孔隙体积百分比、Ro,max、孔隙度和渗透率的关系。结果表明,高煤阶煤微小孔发育,半封闭孔含量较高,孔隙连通性一般,且孔隙结构具有明显的分段分形特征,同一煤样的超大孔(孔隙半径r＞5 μm)、大孔(05 μm＜r＜5 μm)、中孔(005 μm＜r＜05 μm)和微小孔(r＜005 μm)的分形维数依次减小;各煤样超大孔、大孔、中孔分形维数均随Ro,max增加而增加,随对应孔隙体积百分比增加而减小;孔隙度或渗透率与超大孔、大孔和中孔、微小孔分形维数分别呈二次相关、线性正相关、负相关;各分形区间分形维数分布的偏度和峰度与孔隙度或渗透率分别呈高度正相关和负相关,这为高煤阶煤孔隙度、渗透率提供了理想的线性方程(y=ax+b)预测模型。     

用土的分形结构确定土的水份特征曲线

运用筛析法和比重计法，分析了宁夏膨胀土的颗粒分布，发现粒径介于0．002～0．1mm的粒度分布是分形的，分维介于2．46～2．67；运用上孔隙分布的分维确定水份特征曲线，得到了很好的结果。此外，还探讨了粒度分形分布的机制。     

基于不同分形模型的冻融黄土孔隙特征研究

为了得到冻融作用对黄土孔径分布的影响规律, 以重塑黄土为研究对象, 利用压汞法测试经历不同冻融循环次数后黄土样品的孔隙特征, 采用3种分形模型对冻融作用后的黄土微观孔隙结构进行定量表征和对比研究。结果表明： 未经冻融作用的黄土孔隙分布曲线呈单峰分布, 经历冻融作用的黄土孔隙分布曲线呈双峰甚至多峰分布。冻融作用对黄土中孔径分布在0.1 ~ 10 μm范围内的孔隙影响较大。前10次冻融作用使黄土孔隙率增加, 特别是经历6次冻融作用后, 与未经历冻融作用的黄土相比孔隙率增大约18.8％。随着冻融作用的继续, 黄土孔隙率减小且趋于稳定。经历不同冻融循环次数后的黄土孔隙分布均具有良好的统计分形特性。基于热力学模型和毛细管压力曲线法表征黄土孔隙结构时, 黄土孔隙呈现显著的分形特性, 可在整个孔径尺度范围内给出唯一且合理的分形维数。基于Menger海绵模型表征的经历冻融作用后黄土孔隙分形特征呈现多尺度分形, 在不同的尺度范围内, 有不同的分形维数。结合分形理论可知冻融作用改变了黄土孔隙均匀性及复杂程度。     

页岩微纳米孔隙结构分形特征研究

页岩气作为非常规气,是一种重要能源。页岩的孔隙结构特征是衡量与评价页岩储层存储能力与可压裂性的重要参数。选取威远海相页岩（1#）、龙马溪海相页岩（2#）、瑶曲凝灰岩（4#）以及瑶曲陆相页岩（5#,6#）,进行压汞实验、氮气吸附性实验以及核磁共振实验。利用分形理论,表征孔隙结构的非均质性,揭示分形维数和孔隙结构之间的关系。结果表明:孔隙在0.1~100 μm范围采用压汞实验,陆相页岩样品得到的分形维数要比海相页岩样品大;孔隙在2~200 nm范围采用氮气吸附实验,海相页岩的分形维数比陆相页岩大;相比之下,孔隙在10 nm~10 μm范围采用核磁共振实验得到的焦石坝海相页岩与陆相页岩的分形维数大小比较接近。尤其是本文统计的氮气吸附实验样本中,焦石坝海相页岩的分形维数最大,即焦石坝海相页岩的微孔结构最为发育,非均质性最强。因此分形维数可作为一种用于评价页岩孔隙非均质性与储存压裂效果的重要参数。     

土−水特征曲线测量过程中孔隙分布的演化规律探讨

测量了在宽广吸力范围内原状样和压实样的脱湿持水曲线,对比分析了单双峰结构持水性能的差异;并利用压汞试验测试两种土样在脱湿过程的孔隙分布,分析了两者的差异并探讨了脱湿过程孔隙的演化规律;在考虑收缩变形的基础上,基于孔隙分布曲线确定了土?水特征曲线的基本参数。试验结果表明：原状样在宽广吸力范围内基本上呈单峰孔隙结构;饱和压实样具有单峰孔隙结构,随着吸力的增加,双峰结构越来越明显,当吸力达到很大时,演化成完全双峰孔隙结构。原状样的持水曲线为经典的S形,而压实样的持水曲线在过渡段出现了水平台阶状;低吸力段,压实样的持水曲线低于原状样,而高吸力段,两者的持水曲线基本重合。基于孔隙分布曲线确定了控制持水曲线进气值和残余值的孔径,并计算出对应的吸力值,其值更符合实际物理意义。     

基于孔径分布的全风化泥岩持水曲线推算

采用压力板法、滤纸法和饱和盐溶液蒸气平衡法,分别对取自广西岑溪滑坡现场的全风化泥岩原状样进行了持水特性试验,得到全吸力范围内的持水曲线;用压汞试验测试经受不同吸力原状样的孔径分布,并用此分布曲线推算持水曲线。试验结果表明：全风化泥岩原状样的进气值为110 kPa,用3种方法可测得全风化泥岩的全吸力范围内的持水曲线。全风化泥岩原状样的孔隙大小分布可认为单峰结构,其孔隙的孔径主要分布在10～1 000 nm,但也有孔径在50～300 ?m范围内的小部分孔隙存在,主要因为原状样中存在少量的原生裂隙。利用3个经受过不同吸力土样的孔径分布分别推算其持水曲线,3条曲线组合与实测值比较表明,用一次压汞试验结果（孔径大小分布曲线）预测全吸力范围内的持水曲线精度较低,而选取各自吸力范围段的预测曲线组合而成全吸力范围持水曲线,与试验数据更为接近。     

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。     

分形理论在水文水资源中的应用

较系统地论述了分形理论在水文水资源中的应用.主要包括:水系河网结构和流域地形地貌及其演变,河床表面形态,降水时空分布,洪水时空变化,径流过程和土壤水下渗等.概括了当前在应用中的特点:活跃思想和方法创新,同时指出值得注意的问题:在大量资料基础上进行深入分析和充分论证.     

基于SEM图像的既有地基红黏土颗粒微观结构及分形特征研究

采用IPP（Image-Pro Plus）图像分析软件对贵州省贵阳市某工厂三种既有地基红黏土SEM图像的信息进行提取和处理,定性描述和定量分析土体的微观结构,并引入分形理论分析SEM图像,提出在IPP软件中获取颗粒三维分形维数的计算方法。结果表明:（1）抗剪强度参数随微观颗粒数、颗粒形态比的增大而增大,随颗粒平均面积的增大而减小;（2）颗粒分布及形态均具有明显的分形特征,分形维数介于2~3之间,抗剪强度参数均随颗粒分布及形态分维值的增大而增大;（3）与构建三维模型的方法相比,利用IPP软件计算土颗粒三维分形维数的方法具有可行性,简单易操作,结果可靠。      

基于孔隙分形维数的土壤大孔隙流水力特征参数研究

根据数字图像制备分析技术得到大孔隙数目、大小和形状等特征数据,用分形理论计算孔隙分形维数,并对两类不同质地土壤的孔隙分形维数进行分析比较,应用基于孔隙分形维数的大孔隙分形模型,建立了土壤水分特征曲线和非饱和导水率的预测模型。结果表明,孔隙分形维数D_v可定量描述不同质地土壤结构,其模型预测精度优于颗粒大小分布估计的分形模型,可用于实际问题的研究。     

桂林红黏土的土-水特征曲线

采用压力板法、滤纸法和饱和盐溶液法3种方法,对压实桂林红黏土进行全吸力范围内的土-水特性量测,研究干密度对于土-水特征曲线的影响。试验结果表明：干密度1.4 g/cm3的压实桂林红黏土的进气值约为20 kPa;土-水特征曲线的过渡段与典型的土-水特征曲线不同,含水率或饱和度与吸力的对数坐标关系不是单一直线,而是出现了3段直线,并且中间一段平缓段下降斜率较小;当吸力增大到367 MPa时,含水率仅为0.74%,可认为如吸力继续增大至106 kPa时,含水率和饱和度为0;用吸力与含水率关系表示土-水特征曲线时,吸力较大时不同干密度的曲线重合,认为干密度对土-水特征曲线无影响。用吸力与饱和度关系表示土-水特征曲线时,在吸力较小时,干密度越大,对应的土-水特征曲线越高;当吸力较大时,不同干密度的土-水特征曲线几乎重合。     

基于压汞法的冻融循环对土体孔隙特征影响的试验研究

冻融循环会改变土的微观结构, 孔隙特征的变化是其结构性发生改变的重要体现. 以青藏铁路沿线粉质黏土为研究对象, 借助压汞技术对不同冻融次数下重塑土样的孔隙特征进行了研究. 结果表明:土体孔隙特征分布曲线表现出明显的双峰特征, 据此可将土样的孔隙分为大孔和小孔两大类; 冻融循环次数对小孔隙的影响较小, 小孔隙直径和体积基本保持不变; 冻融循环次数对大孔隙的影响较大, 特别是孔径为20～40 μm的孔隙, 其直径和体积均随冻融次数的增加而增大. 试样的孔隙率随冻融次数的增加并无明显规律, 但总体的变化趋势是先增大后减小. 由孔隙分形维数计算结果可知, 冻融循环在改变土体孔隙结构的同时, 使孔隙内壁的粗糙程度及孔隙结构的复杂程度降低.     

致密气储层孔喉分形特征及其与渗流的关系--以鄂尔多斯盆地下石盒子组盒8段为例

选取鄂尔多斯盆地盒8段16块致密砂岩样品进行恒速压汞测试,结合同位样品核磁共振实验,分析了致密气储层孔喉分布特征;在此基础上,运用分形几何原理和方法,开展了致密气储层孔喉分形研究,并表征了分形与储层渗流特征和孔隙结构参数的关系。结果表明:致密气储层有效孔隙被亚微米-微米级孔喉所控制,其中孔隙主要为大孔和中孔,喉道由微喉道、微细喉道和细喉道所组成;致密气储层孔隙分布不具分形特征,而孔喉整体和喉道则符合分形结构,且分别对应分形维数D₁和D₂;基于储层孔喉分形结构与其渗流特征,将盒8段致密气储层孔喉分形结构划分为2种类型:Ⅰ型表现为阶段式分形特征,以进汞压力1 MPa为界,大于1 MPa孔喉具有分形特征,且储层阶段进汞饱和度主要由喉道贡献,反之,孔喉不符合分形特征,其进汞饱和度增量由孔隙贡献;Ⅱ型为整体式分形,进汞饱和度几乎全由喉道贡献。储层孔喉分形维数与渗透率、平均喉道半径和主流喉道半径存在较好的负相关性,与微观非均质系数呈现较明显的正相关性,而与孔隙度、平均孔隙半径和平均孔喉半径比之间没有明显的相关性。