悬浮颗粒形状对其在多孔介质中迁移和沉积特性的影响

悬浮颗粒在多孔介质中迁移的研究在地下水回灌、地下污染物扩散、核废料处置、石油开采等领域有重要的理论意义和应用价值。为了研究形状对颗粒迁移的影响,对1组球状颗粒（10 ?m中位粒径）和2组杆状颗粒（长径比为3:1和6:1）进行了三阶段室内土柱试验,得到了不同形状颗粒在多种溶液离子强度条件下的穿透曲线。结合DLVO理论分析了悬浮颗粒沉积和释放机制,阐释了形状对颗粒迁移行为的影响。试验结果表明,颗粒形状对迁移特性有重要影响,当离子强度较低时（6 mmol/L）,DLVO势能曲线展现较高能量壁垒,各种形状颗粒沉积主要为次级势阱沉积;当离子强度较高时（150 mmol/L）,球状颗粒因能量壁垒较高,其滞留机制仍以次级势阱沉积为主,但长径比为6:1的杆状颗粒在次级势阱和初级势阱都有沉积,这和杆状颗粒的静电性能和优先方向有关。对于杆状颗粒,边位沉积比端位沉积具有更深的次级势阱和更大的影响距离,边位沉积是更加稳定的沉积方式和沉积的优先方向。基于Derjaguin近似方法的DLVO理论计算显示,DLVO理论预测结果和土柱试验结果吻合较好。     

碎石颗粒形态特征及其与堆积特性的关系

颗粒形态对碎石集料宏观力学性质有显著影响,准确描述其形态特征是从微细观层面研究材料宏观力学行为的基础性工作。针对颗粒形状、棱角、纹理3个尺度的形态特征,探讨了基于颗粒几何尺寸的量化表征参数;分析了不同粒组碎石颗粒形态特征表征参数的分布规律;结合单粒组颗粒堆积试验,讨论了颗粒形态特征与堆积孔隙率的关系。有以下结论：（1）提出的以周长为核心表征的颗粒形态特征量化参数,对颗粒形态以及形状、棱角、纹理3个尺度形态特征具有较好甄选能力;（2）基于每个粒组1 000个颗粒样本统计分析表明,描述颗粒形态及形状、棱角、纹理特征的参数均符合对数正态分布;（3）颗粒集合体的综合棱角、纹理指数与松堆和密堆条件下的孔隙率具有较好的映射关系,颗粒棱角与纹理是影响堆积孔隙率的主控因素。     

颗粒形状对堆石颗粒破碎强度尺寸效应的影响

大量的颗粒破碎试验结果表明,颗粒破碎强度存在明显的尺寸效应,即颗粒破碎强度随着粒径的增大而减小,但颗粒形状对破碎强度尺寸效应的影响研究较少。首先对大石峡堆石坝工程的砂砾石料和灰岩混合料进行了颗粒扫描、形状分析和单颗粒压缩试验。砂砾石料的球度和凸度明显大于灰岩混合料,砂砾石料颗粒偏向于浑圆状,而灰岩混合料颗粒棱角状突出。试验结果表明,两组堆石颗粒的破碎强度均存在明显的尺寸效应,并评估了不同强度尺寸效应模型的适用性。综合分析试验结果和收集、整理的文献中的数据,颗粒形状对破碎强度的尺寸效应有较为明显的影响,颗粒形状越不规则,其颗粒破碎强度的Weibull模数越小,颗粒破碎强度的尺寸效应越明显。     

颗粒大小对颗粒材料力学行为影响初探

利用一种特殊颗粒材料-玻璃珠进行了一系列室内直剪试验,研究颗粒大小对颗粒材料力学行为的影响。试验一共考虑了3条近乎平行的级配曲线和4种颗粒摩擦情况：干燥状态、水浸润状态、水淹没状态和油浸润状态。试验结果表明,颗粒大小对颗粒材料的力学行为有显著影响,剪胀性随着粒径的增大而增强。为考虑颗粒大小对剪胀性的影响,提出了一种新的剪胀关系式。在该剪胀关系式中,剪胀系数为依赖于颗粒大小和颗粒摩擦等颗粒基本性质的变量。试验研究同时表明临界状态摩擦角随着颗粒大小的增加而增加。此外,从颗粒细观运动的角度提出了颗粒滑动的功能模型,推导出了功能方程,并以此揭示了颗粒大小对临界状态摩擦角影响的细观机制。     

颗粒离散元法的颗粒碎裂研究进展

颗粒离散元法(distinct element method,DEM)是被不同学科和工程领域广泛应用的方法,各学科结合各自的理论基础和研究范围,对颗粒离散元法进行改进、完善,因此各学科间的发展各有侧重,可进行相互借鉴。本文针对颗粒离散元法中有关"颗粒碎裂"这一基本问题进行介绍,如:颗粒破裂准则、颗粒碎裂与破碎动力学关系、宏观颗粒的发展、块体碰撞损伤与破裂等方面的研究情况,为岩石工程领域的岩石颗粒破碎研究提供参考。同时,对颗粒离散元法的发展概况、DEM基本原理做了简单的介绍,并对我国颗粒离散元法在地质工程、岩土工程领域的研究及应用情况作了简单的评述。     

颗粒滚动-滑动转换机制及摩擦系数的试验研究

颗粒间的滑动、滚动摩擦对其微观、宏观动力特性有很大的影响。在颗粒流体动力学研究中,对颗粒介质的滑动摩擦已有深刻的认识,而对滚动摩擦及其与滑动摩擦间相互关系的研究还需进一步深入。滚动摩擦的影响因素较多,且作用机理复杂,至今没有形成统一的理论。通过颗粒滑动–滚动摩擦试验,分析了颗粒表面粗糙度和形状对颗粒摩擦力的影响,初步研究了颗粒滚动–滑动摩擦的转化机制。试验结果表明：颗粒在不同的粗糙度和不规则形态影响下表现出滑动或滚动的不同运动形式,并呈现出一定的转化特性。该试验还进一步测定了颗粒滑动、滚动摩擦系数,定性地分析了颗粒的表面粗糙度和几何形态对它们的影响。     

山东省牛庄洼陷古近系沙河街组沙三中亚段储集层成岩作用研究

山东省牛庄洼陷古近系沙河街组沙三中亚段储集层岩石类型以长石岩屑砂岩和岩屑长石砂岩为主,岩石结构成熟度和成分成熟度均较低。砂岩成岩作用包括压实作用、胶结作用、交代作用、溶解作用等。压实作用主要有刚性颗粒发生脆性破裂、颗粒之间呈线接触和凹凸接触、岩石碎屑颗粒呈明显的定向排列、塑性颗粒挤压变形或刚性颗粒嵌入变形颗粒中、粘土质碎屑被挤压变形发生假杂基化等五种表现形式。胶结物主要有泥质胶结物、碳酸盐胶结物、自生粘土矿物和自生石英、长石。交代作用主要有石英交代长石颗粒、碳酸盐胶结物交代石英、长石及岩屑颗粒、碳酸盐胶结物之间的相互交代。发生溶解作用的主要是石英、长石和岩屑颗粒,胶结物中主要是碳酸盐矿物。目前研究区沙三中亚段储集层成岩演化处于晚成岩A期。影响成岩作用的主要因素为岩石成分、沉积环境、孔隙流体性质等。成岩作用对储集物性的影响主要表现在孔隙度和渗透率的变化,其中压实作用和胶结作用使储层原生孔隙迅速减少、渗透率降低,使得储集物性变差;而溶解作用是次生孔隙发育的主要因素,从而改善砂岩的储集性能。     

2013年1月京津唐地区霾事件气溶胶单颗粒形貌及硫酸盐化特征

2013年1月华北地区经历了重霾过程,为研究其污染特征,使用透射电子显微镜(TEM)及能谱(EDX)对北京、唐山和天津晴天和霾天气下气溶胶单颗粒基本形貌和硫酸盐化特征进行了分析。结果表明,华北地区气溶胶单颗粒包括矿物颗粒、硫酸盐颗粒、金属氧化物、烟尘集合体、有机颗粒和飞灰,仅在天津市样品中发现少量的Na Cl颗粒。对单颗粒的元素组成进行统计表明,华北地区晴天以富Si颗粒为主(31.0%),其次为富Ca颗粒(18.3%)、富Fe颗粒(14.1%)、富Cl颗粒(12.2%)等,霾天以富S颗粒为主(47.4%),其次为富Si颗粒(21.1%)和富Fe颗粒(13.4%)等。霾天气富Ca颗粒明显减少,同时在含S较高的颗粒中也含有Ca、K等元素,说明大气中含Ca、K等碱性矿物对雾水酸性有一定的缓冲作用。不同天气含S颗粒差异较大,霾天气明显高于晴天,S/Ca平均值在霾天明显较高,且大于0.8,说明在一定的SO2浓度下,大气湿度越大,硫酸盐化现象越明显,生成大量的硫酸铵盐。     

抗转动对颗粒材料组构特性的影响研究

颗粒材料大多由不规则形状的颗粒组成,如砂土、谷物等,抵抗转动是不规则形状颗粒的固有特性。已有研究表明,颗粒抗转动特性对其宏观力学特性有显著影响。因此,在颗粒材料的细观数值模拟中或采用非圆颗粒,或在圆颗粒离散元模拟中采用考虑抗转动的接触模型。采用有限元-离散元耦合方法（FDEM）和离散元方法（DEM）分别对椭球形状颗粒和具有抗转动能力的圆球颗粒进行三轴剪切数值模拟,指出了采用抗转动接触模型考虑颗粒形状影响的局限性,并基于颗粒的局部排布结构揭示了形状影响的细观来源。峰值内摩擦角和剪胀均随着转动摩擦系数和形状偏离圆球程度而单调增加,但颗粒形状对它们的影响呈现出明显的收敛趋势。细观组构分析也表明,虽然颗粒形状和转动摩擦都能显著增强组构各向异性,但是组构各向异性的演化模式有明显的区别。造成以上结果的差异在于其抵抗转动的影响机制不同。转动摩擦是通过限制颗粒转动,增强了颗粒间的稳定承载能力,而非圆颗粒是通过咬合作用形成稳定的局部排列结构。由于椭球颗粒腹部比端部能够传递更大的接触力,颗粒受剪切后发生转动,颗粒长轴倾向于正交大主应力方向,呈现交错排列,颗粒间相互锁定。     

悬浮颗粒的浓度对其在饱和多孔介质中迁移和沉积特性的影响

多孔介质中悬浮颗粒迁移和沉积特性的研究对地下污染物净化、石油开采、核废料处置、水土保持等有很重要的意义。对4种不同浓度的悬浮颗粒在3种不同的渗流速度下进行室内试验,研究悬浮颗粒的浓度对其迁移和沉积特性的影响。结果表明,在一定的悬浮颗粒浓度下,随着渗流速度的增加,穿透曲线中的悬浮颗粒的相对浓度也增大。同时,渗流速度一定时,悬浮颗粒的浓度存在一个临界值,小于该临界值,穿透曲线中的相对浓度随悬浮颗粒的浓度增大而增大;大于该临界值时,相对浓度随悬浮颗粒的浓度增大而减小。另外,悬浮颗粒的临界浓度是与渗流速度相关的,随着渗流速度增加,悬浮颗粒的临界浓度也逐渐增大     

基于颗粒破碎的粗粒土剪切强度的模拟分析

颗粒破碎在岩土工程领域是很常见的现象,土工试验中无法显示颗粒破碎过程及其影响,本文采用离散单元软件PFC2D模拟了考虑颗粒破碎影响的粗粒土的直剪试验,给出了考虑颗粒破碎的粗粒土直剪试验的模拟方法,分析粗粒土的剪应力-剪切位移关系、剪胀和剪切强度等宏观力学行为,探讨基本颗粒间黏聚力、单颗粒孔隙率和粗粒土试样的孔隙率对剪切强度的影响。结果表明:颗粒破碎对剪切强度的破碎准则有影响,颗粒不破碎试样的剪切强度符合Mohr-Coulomb准则;颗粒破碎试样的强度包络线是幂函数关系。     

晶体及矿物颗粒大小对岩土材料力学性质的影响

岩石常见较大的晶体或者矿物颗粒,混凝土中是骨料,通过团簇模拟大颗粒的力学行为、团簇可以破裂。根据设计的相同数量、相同位置、不同半径的大颗粒数值单轴压缩试验,在虚拟试验条件下,考察了颗粒大小对材料力学响应的影响。通过分析颗粒材料的破裂形态、裂纹扩展过程、应力-应变曲线和破裂能量演化规律发现：大颗粒具有明显的增强特性,有阻止裂纹扩展的作用,破裂多绕大颗粒发展;增强幅度随颗粒半径的增加呈单增趋势,半径较小时,增强效果不明显。     

四川盆地磨溪—高石梯地区下寒武统龙王庙组颗粒滩特征及分布规律

以四川盆地磨溪—高石梯地区下寒武统龙王庙组颗粒滩为研究对象,结合钻井、测录井、岩心和薄片等资料,对龙王庙组颗粒滩特征、分布规律和主控因素进行了综合分析。研究区内颗粒滩岩石类型主要有两类:一类为具有明显颗粒结构的颗粒云岩,以砂屑云岩或鲕粒云岩为主;另一类为具有残余颗粒结构的晶粒云岩。颗粒滩主要发育向上变浅、粒度变粗的沉积序列,垂向上,与下部细粒沉积物可构成滩间海—颗粒滩、局限潟湖—颗粒滩等沉积相序;横向上,颗粒滩连续性较好,具有大面积连片分布的特征,自西北—东南向发育程度呈逐渐增大的趋势。进一步分析后认为,海平面的相对变化和沉积水体能量高低决定了龙王庙组颗粒滩的发育特征和叠置样式,不同级次海平面的升降变化使颗粒滩发育层位和发育程度得以定型,而沉积时期的古地貌则最终决定了龙王庙组颗粒滩平面分布的差异性。     

碎石颗粒形状测量与评定的初步研究

颗粒形状是影响碎石料密实特性及力学、渗流特性的因素之一。选取粒径为2～5 mm和5～10 mm的两组灰岩碎石颗粒样本作为研究对象,采用影像测量仪和特制夹具,获取不同旋转角度下的颗粒轮廓影像;使用图形处理软件获得颗粒几何尺寸测值;计算获得各旋转角度下常用颗粒形状评定参数值,运用其平均值进行统计分析,避免了依据单一角度测值评定伴随的人为因素影响。结果表明,灰岩碎石颗粒与标准圆有较大差异, 且粒径大者差异性更明显;两组样本颗粒形状参数均服从偏态分布;长宽比、扁平度和球形度能够更敏感地反映颗粒偏离球形颗粒的程度,而长宽比和球形度便于获取,因而更具优势。     

重力流的运动特点和类型

作者以鄂尔多斯地区奥陶系丰富的重力流沉积为例,借助非牛顿流体力学的基本原理,对重力流运动的特点和类型作了进一步的探讨,重力流运动的特点是:具层移(流)运动、有旋性、挤压性、涡旋性、惯性、颗粒上浮性、颗粒下沉、颗粒碰撞、剪切作用和下切作用。重力流可分为:滑动流、混合流、碎石(屑)流、颗粒流、液化流和浊流。     

颗粒形态对离散介质剪切强度的影响

自然条件下,颗粒介质大多以非规则单元形态存在。非规则几何形态对颗粒介质的宏观力学性能有很大影响。针对颗粒单元的不同几何形态,采用团颗粒单元对离散介质的直剪试验过程进行了离散元数值计算,详细地讨论了颗粒形态对离散介质剪切强度的影响。该非规则颗粒由不同形态、不同数目、镶嵌尺寸、组合方位和颗粒大小的球形颗粒进行随机构造,其在局部与整体坐标之间的转动、力矩和方位关系通过4元素方法进行确定,基本球体颗粒之间的作用力采用具有Mohr-Coulomb摩擦定侓的Hertz-Mindlin非线性接触模型,并考虑了非线性法向粘滞力的影响。通过构造7种具有相同的质量概率分布的不同形态的团颗粒,在不同法向应力下,对团颗粒的直剪试验进行了离散元模拟,分析了不同形态颗粒的剪切强度。通过对不同形态颗粒介质剪切强度的数值分析,进一步揭示了非规则颗粒间的咬合互锁效应,为分析非规则颗粒的宏观动力特性提供了依据。     

珊瑚砂大剪切应变下的剪切特性和分形维数

利用Wille Geotechnik环向剪切仪对3种不同粒径的珊瑚砂进行了大剪切位移的环向剪切试验,探讨了颗粒破碎对珊瑚砂强度和残余应变发展的影响。试验结果表明:颗粒破碎随着剪切位移的增加逐渐增加,且初始粒径较大的均匀级配珊瑚砂粒径越大颗粒破碎越多。颗粒破碎对峰值强度和残余强度无影响,但对珊瑚砂的体积应变有显著影响,颗粒破碎较多的试样其体积应变也较大。本文建立了考虑长宽比、球形度和凹凸度的分形维数计算公式,由于颗粒破碎后颗粒形状在全粒径范围内的自相似性和无尺度性,考虑颗粒形状与不考虑颗粒形状的公式计算得到的珊瑚砂分形维数基本一致。     

珊瑚砂大剪切应变下的剪切特性和分形维数

利用Wille Geotechnik环向剪切仪对3种不同粒径的珊瑚砂进行了大剪切位移的环向剪切试验,探讨了颗粒破碎对珊瑚砂强度和残余应变发展的影响。试验结果表明:颗粒破碎随着剪切位移的增加逐渐增加,且初始粒径较大的均匀级配珊瑚砂粒径越大颗粒破碎越多。颗粒破碎对峰值强度和残余强度无影响,但对珊瑚砂的体积应变有显著影响,颗粒破碎较多的试样其体积应变也较大。本文建立了考虑长宽比、球形度和凹凸度的分形维数计算公式,由于颗粒破碎后颗粒形状在全粒径范围内的自相似性和无尺度性,考虑颗粒形状与不考虑颗粒形状的公式计算得到的珊瑚砂分形维数基本一致。     

珊瑚砂大剪切应变下的剪切特性和分形维数

利用Wille Geotechnik环向剪切仪对3种不同粒径的珊瑚砂进行了大剪切位移的环向剪切试验,探讨了颗粒破碎对珊瑚砂强度和残余应变发展的影响。试验结果表明：颗粒破碎随着剪切位移的增加逐渐增加,且初始粒径较大的均匀级配珊瑚砂粒径越大颗粒破碎越多。颗粒破碎对峰值强度和残余强度无影响,但对珊瑚砂的体积应变有显著影响,颗粒破碎较多的试样其体积应变也较大。建立了考虑长宽比、球形度和凹凸度的分形维数计算公式。由于颗粒破碎后颗粒形状在全粒径范围内的自相似性和无尺度性,考虑颗粒形状与不考虑颗粒形状的公式计算得到的珊瑚砂分形维数基本一致。     

岩石颗粒度测量

岩石颗粒度是岩石学研究的一个重要内容,矿物颗粒大小及其分布特征与岩石形成的环境有密切的关系,也是岩石的结晶作用、重结晶作用、沉积作用乃至变形过程的物理化学条件的一种标志。本文介绍了三种岩石颗粒度测量的方法:直线截距法、单位面积/颗粒数法和标准圆量板法。测量结果的对比研究表明,三种方法之间存在系统的差别,其中单位面积/颗粒数法相对最好,能比较客观地反映实际的颗粒大小。