储层砂岩孔隙分形性质的研究

根据统计特征体测量分形维数的测试原理，用砂岩断面的扫描电镜图片半自动分析方法，对砂岩孔隙的分形维数和分形孔隙度进行了测试，得到了储层砂岩隙的分形性质与砂岩的成分结构及作岩作用的关系，文章还对分形范围，分形维数，分形孔隙度及分形孔隙度与总孔隙度之比值作了评述。     

循环加载下X形桩竖向承载特性模型试验研究

实际工程中桩基经常受到各种动荷载作用,如高铁路基中的加固桩长期承受列车行车时产生的循环动荷载作用,桩基在循环荷载作用下的承载特性研究对动荷载下的工程设计至关重要。X形桩是一种在传统圆形截面桩基础上发展而来的新型异性桩技术,其承载机制不同于传统圆形截面桩。为了深入研究X形桩在循环荷载作用下的动力特性和荷载与沉降规律,开展了砂土中X形桩竖向循环加载大比尺模型试验。试验结果表明,随着循环加载的进行,X形桩顶产生累计沉降,且循环荷载比越大,加载频率越高,桩顶沉降越快;循环加载初期,X形桩顶动刚度降低,桩身轴力响应增大,桩侧摩阻力发生弱化,之后逐渐趋于稳定,且桩身下半段侧摩阻力较大;在同等加载条件下X形桩与等截面圆形桩相比,承受动荷载能力较强,桩侧摩阻力较大,长期循环加载作用下产生的累计位移较小。研究结果可为X形桩在动荷载作用下的工程设计提供参考依据。     

孔道弯曲条件下拉力型锚索锚固段受力特征模型试验研究

预应力锚索技术作为一种有效的加固技术广泛地应用于各类工程中。由于地质因素和技术因素的影响,锚索在实际工程施工中极其容易发生钻孔偏斜或孔道弯曲等问题,尤其是在大吨位-超长孔深锚索钻孔中该问题尤为突出。为得到孔道弯曲情况下锚索的受力特征,开展了孔道弯曲条件下的室内足尺模型试验,用一定强度的混凝土来模拟岩体,并且预埋具有一定弧度的锚索构件,通过分级张拉预应力锚索来测量在受力过程中孔道弯曲情况下锚索锚固段剪应力、轴力等分布情况,并与孔道直线状态下受力特征进行了对比。试验结果表明,孔道直线状态时锚索锚固段内外两侧剪应力的分布规律与孔道弯曲情况下并不完全相同,在同级荷载张拉时,锚固段弯曲内侧剪应力比外侧剪应力值大;轴力沿锚索长度方向由大变小,直至为0;锚索围岩压力在注浆体内外两侧变化规律基本相同,但孔道内侧受压,外侧受拉。     

砒砂岩的微结构定量化特征研究

应用光学显微照相和图像分析处理技术,对8份砒砂岩样进行了微结构定量化特征分析;运用多元线性回归对砒砂岩物理力学性质与其各微结构定量化参数进行了关联分析.研究表明,砒砂岩的抗压和抗拉强度与其颗粒的大小、形态、分布及排列及孔隙分布密切相关.一般而言,颗粒的粒径、平面分布分维和定向分维越小,砒砂岩的物理力学强度就越高,抗压和抗拉强度就越好.     

爆破荷载作用下岩体损伤破坏的分形研究

通过对现有损伤参量的定义方法的分析,尝试采用分形维数作为表征岩石损伤的参量,建立分形维数与损伤程度的相对关系。根据盒维数算法思想及数字图像存储原理,编写了基于Matlab的数字图像的简易盒维数算法。结合实际工程爆破施工,采用数字式全景钻孔摄像系统进行了现场测试。通过对实测的爆前、爆后岩体的影像资料进行裂纹提取及图形处理,得到了爆破前后岩体损伤裂纹对应的分形维数,确定了爆破作用下所产生的损伤增量。结果表明,用分形维数来描述岩石的损伤,克服了其他定义方法涉及过多岩石特性参数的不便,其结果为研究岩石的损伤程度及演化过程,探索了一条新的途径。     

循环冲击层理煤岩动力学行为及破坏规律研究

针对考虑层理倾角的硬质砂岩力学行为及破裂响应特征问题,对不同层理倾角的硬质砂岩进行单轴压缩试验,深入探究层理倾角对硬质砂岩力学行为的影响以及层理倾角与碎块分形特征之间的关系。试验结果表明：(1) 层理倾角对硬质砂岩应力−应变曲线的类型特征无显著影响,但倾角较小时(0°、22.5°、45.0°),曲线表现为单峰变化规律,倾角较大时(67.5°、90.0°),曲线表现为多峰变化规律,且曲线波动位置主要位于峰值附近。(2) 峰值应力σ_d和峰值应变ε_d均在倾角为67.5°(最不利层理结构面)时达到最小值46.25 MPa和9.80×10⁻³,层理倾角对硬质砂岩应力的影响明显大于应变,受层理倾角的影响,硬质砂岩的各向异性度为1.32~1.64,表现出低各向异性特征。(3) 硬质砂岩随着层理倾角的增大呈现出剪切破坏−剪切张拉复合破坏−层理结构面剪切破坏−劈裂破坏的损伤破坏演化规律;单轴压缩下硬质砂岩的碎块质量特征和分形特征明显,硬质砂岩碎块以中块分布为主,层理倾角对细粒碎块的质量分布影响较小,其分形维数值位于1~2,碎块较大比例分布在大尺寸分布区间。研究结果可为含层理结构面岩石的稳定性及地下空间工程灾害防治提供理论参考。

     

基于分形理论的致密砂岩渗透率预测模型

渗透率是决定致密砂岩储层渗流能力并最终决定产能的关键因素。【目的】由于致密砂岩储层孔隙结构复杂、非均质性强,其渗透率变化范围大,预测困难,亟需开发适用于致密砂岩的渗透率预测模型。【方法】以塔里木盆地库车坳陷KS2气藏白垩系巴什基奇克组致密砂岩为研究对象,综合物性测试、薄片鉴定、扫描电镜成像分析、高压压汞技术、核磁共振技术及分形理论,对致密砂岩孔隙结构进行定性、定量表征。【结果】基于分形理论,充分考虑孔隙结构非均质性对渗透率的影响,提出了两个新的、基于分形理论的致密砂岩渗透率预测模型。【结论】与r_apex渗透率预测模型相比,r₂₀分形模型、SDR₍(>40))分形模型的渗透率预测精度分别提升了42%与20%。     

含非贯通裂隙砂岩的动力破坏特性研究

为研究动载作用下非贯通裂隙对岩石破坏特性的影响,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)对含不同裂隙数量及深度非贯通裂隙砂岩进行冲击试验,并基于分形理论和能量耗散原理分析其动力破坏特性。研究结果表明,动态峰值应力随裂隙数量及深度变化情况较复杂;峰值应变随裂隙数量增加而增加,随裂隙深度增加先增大后减小;动态弹性模量随裂隙数量增加先增加后减小,随裂隙深度增加而减小;不同工况试样的破坏模式分为张应变破坏、张应变?剪切复合破坏和压碎破坏3种,且裂隙数量对破坏模式的影响较裂隙深度大;试样破坏后的分形维数、单位体积耗散能和能量吸收率均随裂隙数量及深度的增加而增加,且分形维数与单位体积耗散能和能量吸收率均近似正线性关系。     

花岗岩变形破坏过程中不同细观组分的分形特征

岩石变形破坏过程取决于不同细观组分的变化,可以用分形特征来反映。根据单轴压缩试验时拍摄的试验视频,把花岗岩变形破坏过程分成变形阶段、破坏时裂隙较少、破坏时裂隙较多等三个阶段,采用阈值分割法得到不同组分的实际分布,采用盒维数法计算简单分形维数,采用广义和多重分形谱分别表征广义和多重分形维数,研究了不同细观组分分形维数的变化情况。结果表明,在变形阶段,黑云母和长石简单分形维数基本稳定、但石英的变化较大,长石和石英不均匀指数基本稳定而黑云母的变化较大;在破坏阶段、裂隙较少时,黑云母和石英简单分形维数突然增大、但长石的却突然减小,黑云母不均匀指数和形状指数突然减小、但长石和石英的却突然增大;在破坏阶段、裂隙较多时,三种组分的形状指数变化都较大。研究成果对分析岩石变形破坏机理具有一定的参考价值。     

动荷载和含水率对红砂岩破坏及能耗特性的影响

地下工程岩体爆破开挖过程中,动荷载和地下水对工程岩体的安全稳定具有显著影响。为研究动荷载和含水率对岩体破坏和能耗特性的影响,利用改进的SHPB试验装置,设置4个冲击速度和6个含水率等级,对红砂岩进行动态冲击试验。通过分析不同含水率工况下能量反射率、透射率和耗散率的变化规律,构建红砂岩能耗特性与含水率的经验模型;对破坏试样进行筛分试验,根据破碎分形理论,研究岩石破碎分形维数随含水率的变化规律。结果表明：（1）同一冲击速度下,能量透射率和含水率具有指数函数关系且呈负相关,能量耗散率随含水率先增大后减小且具有二次函数关系;（2）同一含水率下,能量透射率和冲击速度呈负相关,能量耗散率和冲击速度呈正相关;（3）在出现宏观破坏的试样中,红砂岩的破坏程度随含水率的增加而增大,且在含水率为1%处出现拐点,破碎分形维数和含水率具有指数函数关系。     

砂岩铀矿的分形特征

铀矿化样品可视为m个变量构成的相空间中的点集 ,用改变子空间尺度的方法求得砂岩铀矿化样品在一维、二维、三维和四维相空间中的分维为 0 .74、1.0 3、1.2 3和 1.5 4。不同矿床和同一矿床的不同矿石类型、不同高程和不同温度范围的矿化样品在不同变量及其组合构成的同维相空间中的分维相同或相近 ,反映它们的空间结构自相似。本文还探讨了相空间维数与分维数、分维数与子空间尺度的关系 ,并评述了分维的地质意义。     

边坡开挖破坏过程的离心模型试验研究

边坡开挖是工程中经常遇到的问题。在清华大学土工离心机上,开发了一种离心机运转过程中的边坡开挖模拟技术。进行了土坡开挖的离心模型试验,测量了开挖过程中边坡的位移场变化。结果表明,边坡的破坏过程是从坡体下部开始的剪切带逐渐向上发展贯通的过程,并经历了滑裂面贯通前的平缓变形和贯通后变形迅速增大两个阶段。坡顶裂缝最初均是由受拉引起的,但随着剪切带的不断向上发展,裂缝的扩展是由拉伸和剪切两种作用综合引起的。     

特低渗透大型露头模型流场测量技术及分布规律研究

应用电阻率测井原理,建立了一套大型露头模型平面流场测量方法。在此基础上利用特低渗透天然砂岩露头制作大型露头模型进行流场分布规律研究。研究表明,对于平行岩样具有非线性渗流特征的大型露头模型,其井网单元内平面流场特征为注入流体沿主流线方向快速突进,但波及范围较小,且存在不流动区,驱替效果较差。分析了不同驱替倍数下流场的变化规律,对比研究了不同因素对流场以及有效驱动的影响。大型露头模型能直观地反映流场动态的变化过程和驱替效果,能够更好地模拟实际油藏渗流规律。     

路堑边坡施工过程离心模型试验及数值模拟研究

以粤北山区高速公路某路堑边坡为研究对象,通过离心模型试验及有限元模拟其施工过程,揭示开挖卸荷过程中的变形特性及稳定机制,探讨锚杆在边坡稳定中发挥的作用。结果表明,开挖卸荷引起松弛变形,变形量从坡顶向坡脚逐渐增大,从开挖临空面向坡体内部逐渐减小,最大值出现在坡脚,且在坡脚形成塑性区;锚杆支护后提高了加固部分土体的强度,减小了下级开挖引起的松弛变形,限制坡脚塑性区的发展。锚杆轴力沿杆体不均匀分布,其规律与锚杆长度有关,且一般下层锚杆轴力较上层大。锚杆支护不仅提高施工期的稳定,还可有效减弱应变软化对边坡长期稳定的不利影响,提高安全储备。研究成果对高速公路路堑边坡的设计及施工具有指导意义。     

基于大型直剪试验的强风化粗粒料剪胀特性试验研究

剪胀性是岩土材料的重要特性之一,为研究不同工况条件下粗粒料室内大型直剪试验中的剪胀特性,采用新型室内大型直剪仪对3组不同含水率、4组不同剪切速率、5组不同含砾率等3种不同影响因素的试样进行了室内大型直剪试验,分析了剪切时试样的垂直位移与水平剪切位移及垂直应力的关系。试验结果表明：在保持其他影响因素相同条件下,垂直应力的增加导致相同水平剪切位移对应的剪缩量增加;试样的最大剪缩量随着含水率的增加有一定程度的增大,而随着剪切速率的增加而减小;含砾率低于30%试样的最大剪缩量较含砾超过于30%试样的剪缩量大很多,最大剪缩量差别为3倍。当试样含砾率小于50%时,由于试样中富含细颗粒的影响,使得应力-应变曲线具有应变软化属性以及剪胀性趋于一固定值。峰值强度前的应力比-位移增量关系采用非线性的二次项拟合比线性关系的拟合度更好,认为Matsuoka提出的二维剪胀公式不适用于粗粒料,将其修正成二次多项式并给出试验中的经验参数μ的取值区间。     

粒状土体的结构模型

土体是一种典型的粒状体，建立土体的模型有利于进一步认识土体的力学性质。建立了土体结构的分型模型，并根据建立的分形模型，解释了土体的力学行为。     

Influence of Acid Treatment on Pore Structure and Fractal Characterization of a Tight Sandstone: A Case Study from Wudun Sag, Dunhuang Basin

In this study, X-ray diffraction, N2 adsorption (N2A), and mercury intrusion (MI) experiments were used to investigate the influence of acid treatment on pore structure and fractal characterization of tight sandstones. The results showed that acid treatment generated a certain number of ink-bottle pores in fine sandstone, aggravated the ink-bottle effect in the sandy mudstone, and transformed some smaller pores into larger ones. After the acid treatment, both the pore volume in the range of 2–11 nm and 0.271–8 μm for the fine sandstone and the entire pore size range for the sandy mudstone significantly increased. The dissolution of sandstone cement causes the fine sandstone particles to fall off and fill the pores; the porosity increased at first but then decreased with acid treatment time. The fractal dimension obtained using the Frenkel-Halsey-Hill model was positively correlated with acid treatment time. However, the total fractal dimensions obtained by MI tests showed different changes with acid treatment time in fine sandstone and sandy mudstone. These results provide good guiding significance for reservoir acidification stimulation.     

K0固结粗粒土剪胀特性大型三轴试验研究

采用大型三轴剪切仪对不同相对密度的双江口心墙坝覆盖层料,进行了 固结及各向等压固结条件下的排水剪切试验,探讨了 固结及各向等压固结条件下粗粒土剪胀性的差异,并检验了修正Rowe剪胀方程对 固结粗粒土的适用性。结果表明：粗粒土在 固结条件下,较各向等压固结条件下的剪胀性明显,且这种差异性在密度较小的粗粒料中体现较为突出,而随着密度的增加,差异性逐渐减弱;对试验数据进行非线性拟合,总结出剪胀因子 与相对密度 、围压 之间的关系式,据此可分析不同紧密程度粗粒料剪胀性的强弱;对 固结粗粒土,修正Rowe剪胀方程能较好地描述其剪胀性。     

土-水特征曲线的分形特性及其分析拟合

为了建立一种参数有明确物理意义的土-水特征曲线拟合方法,基于分形理论,给出了一种直接通过土-水特征曲线实测数据求解分维数的计算方法,建议了一种土-水特征曲线拟合分析的分形模型。为验证所建议拟合方法的合理性,采用液压千斤顶制作了7个不同干密度黏性土试样,利用压力板仪测量了土-水特征曲线。基于土-水特征曲线实测值计算了分维数,在此基础之上对土-水特征曲线实测数据进行分析拟合。结果表明：分维数计算及拟合分析时,7个试样相关系数都集中在0.97～0.99之间,从而证明了土-水特征曲线具有良好的分形特性,建议的拟合方法效果较好。此外,研究发现,分维数、进气值随干密度几乎呈线性增加,据此建议了一种不同压实度下的土-水特征曲线预测方法,其预测结果与实测值吻合较好。