冻融循环作用下黄土的孔隙特征试验

为得到冻融循环后黄土孔隙分布的变化规律,以重塑黄土为研究对象,采用压汞法对历经不同冻融循环次数后黄土的孔隙特征进行研究。试验结果表明:冻融作用使土样内部颗粒发生重新排列连结,孔隙结构发生改变,孔隙分布逐步向小孔隙数量减少、大孔隙数量增多方向推进;冻融前10次过程中,孔隙分布变化不稳定,但随着冻融循环次数增加,趋势逐渐明朗,表现为0.010.10μm范围内的超微孔隙数量减少,而5.0010.00μm范围内的细微孔隙数量增多;孔隙率也随冻融次数增加先增大,在冻融第8次时达到最大,其后减小,50次后逐渐趋于稳定。根据试验结果,结合孔隙分形进行分析,认为孔隙结构在冻融循环作用下,不均匀性及复杂程度降低。     

基于热力学模型的煤孔隙结构分形表征

煤的孔隙结构复杂,难以用传统的欧氏几何理论描述其复杂性,而分形理论可定量表征孔隙结构的复杂程度。通过对渭北煤田韩城矿区10个煤样进行的压汞实验,采用热力学分形模型,获得了煤的渗流孔的分形维数,定量表征了煤的孔隙特征,并探讨了分形维数与渗透率的关系。研究表明：对于同等变质程度的煤来说,煤中吸附孔越多,孔隙分形维数越大;煤孔隙分形维数与渗透性呈负相关关系。由此可见,煤的渗流孔分形维数可作为煤储层渗透性评价的定量指标之一。     

应力路径试验前后不同黄土的孔隙分形特征

为了解不同黄土孔隙形状复杂程度的差异和应力路径对孔隙形状复杂程度的影响,对两种黄土应力路径前后孔隙分形特征进行了研究。首先比较了3种分维模型所得孔隙分形维数的可靠性,然后选用热力学关系模型,由进汞、退汞试验得到地裂缝区黄土、充填黄土初始样和三轴应力路径试验后的孔隙分布,据此分析了两种土体进汞孔隙和退汞孔隙分形维数的差异和受载后的分形维数变化,根据退汞过程仅管形孔内的汞流出及孔隙由管形孔和球形孔组成的假定,得到了应力路径试验前后孔隙形状的改变。结果表明,热力学关系模型得到的孔隙分形维数合理、可靠。初始状态,原状和重塑充填黄土的孔隙形状比原状和重塑黄土复杂;常规三轴试验后试样孔隙比减少,孔隙分形维数增加,球形孔向管形孔转变;相对于常规三轴压缩试验,减围压三轴压缩试验后试样的孔隙分形维数较小,管形孔占总孔隙的体积比例较少;总体上管形孔的分形维数比球形孔大,且基本不受应力路径的影响,其占总孔隙的体积比例随着试样宏观孔隙比的减少而增加。     

冻融作用下岩石孔隙扩展演化特征研究北大核心CSCD

为探究岩石在冻融循环作用下的裂隙演化特征,利用CT扫描技术,获取不同冻融次数岩石的三维图像,并通过孔隙网络模型参数进行定量表征,研究岩石随冻融循环的裂隙形貌演化过程,以及孔隙结构随冻融次数的变化。结果表明:完整岩石冻融微裂隙主要集中在岩石外围,呈环形片状;而裂隙岩石冻融产生的微裂隙主要存在于预制裂隙周围和岩桥区域,且分布范围更广。冻融循环作用后,完整与裂隙岩石的PNM中各类孔隙变化特征不一。前者孔隙数量减少,小孔占比逐渐减小,中大孔占比增大,孔隙分布位置较为均匀;后者孔隙数量增加,但中孔占比减小,大孔占比迅速增大且主要集中在岩心上下端面。在冻融过程中,岩石各类孔喉结构主要参数均呈增长趋势,裂隙岩石孔喉网络发育更剧烈,冻融结束后其最大喉道半径增长幅度约为完整岩石的2倍。在冻融前期,冻融循环作用主要促进岩石孔隙相互连通,后期主要表现为孔喉加速扩张,且裂隙岩石孔隙率增长速率均大于完整岩石。研究结果可为寒区岩体破坏机理及灾害防治提供参考。     

黄土孔隙结构的分形特征与湿陷性关系的探讨

根据已有的资料,探讨了黄土孔隙结构的分形特征,定义了分形特征孔隙半径r2,讨论了分形特征与湿陷性的关系。结果表明,分形特征半径r:与湿陷性具有良好的线性关系,分维值Dx可以反映黄土剖面的成土地质年代。     

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。     

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。     

基于冻融作用的非饱和黄土-混凝土界面力学模型

在季节冻土区,周期性的冻结与融化作用持续改变着浅层非饱和土体的微结构和物理力学性质,从而直接影响着土与结构物之间的相互作用。土体与结构物接触面的应力-应变关系及其强度特征是确定季节冻土区基础工程承载力、安全性和分析结构与土体相互作用的基础和关键。为了更好地服务于实际工程,通过对不同含水率、不同冻融循环次数的非饱和黄土-混凝土试样进行直剪试验,并同时采用滤纸法测试相应黄土的基质吸力,获取了不同试验条件下的应力-应变关系曲线以及接触面强度参数、基质吸力随冻融循环次数的变化规律。同时,基于试验数据,建立了非饱和黄土与混凝土界面剪应力-位移-冻融循环次数的本构模型,该模型对黄土-混凝土界面经过多次冻融循环后不同压力下的剪应力-位移的关系曲线起到了很好的描述作用,为解决实际工程中季节冻土区基础承载力的数值计算提供了参考。     

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.     

复合改性水玻璃加固黄土微观特征研究

进行压汞试验和SEM-EDS试验研究复合改性前后水玻璃加固黄土,分析其孔隙分布特征、颗粒和孔隙形态以及胶结物形态和化学元素含量,探讨宏观力学特性与微观特征的联系。压汞测试结果表明,改性前后加固黄土具有相近的孔隙分布特征,入口孔径主要分布在0.06～8 ?m之间,大、中、小和微孔隙分界值分别为8、2、0.06 ?m,加固时生成的凝胶填充作用不显著。SEM-EDS测试结果表明,改性后黄土仍保持其粒状、架空、接触-胶结结构不变,但加入硅酸钾材料后黄土颗粒表面变得粗糙并吸附有絮状物,EDS数据显示K元素含量随着硅酸钾掺入量的增加而增大,且试样无侧限强度与K元素百分含量正相关。研究还表明,土的颗粒联结强度和结构形态特征是导致黄土宏观力学性质差异的本质原因,在复合改性水玻璃加固黄土时在保持黄土架空孔隙基本不变的前提下,生成的含K凝胶在改变颗粒表面形态的同时强化了骨架颗粒之间的连接强度,从而改善了土体的强度。     

冻融循环对硅酸钠固化黄土力学性质的影响

硅酸钠作为一种灌浆材料,常被用于湿陷性黄土的固化工程。冻融循环会影响季节冻土区固化黄土的结构,从而导致其力学性质发生变化。以兰州黄土为研究对象,分别对冻融循环前后掺量为3%的硅酸钠固化黄土进行压汞试验和力学强度试验,从强度、刚度、能量耗散和土体微观孔隙结构等方面探讨冻融循环作用对硅酸钠固化黄土力学特性的影响。结果表明：一方面,冻融作用会增大土中平均孔隙直径,降低微孔隙含量,导致土样产生裂隙;另一方面,硅酸钠反应生成的Na⁺在水分梯度作用下迁移至土样和裂隙表面并重结晶,上述作用破坏了土颗粒间胶结,最终大幅度劣化了固化黄土力学性能。随着冻融次数的增加,硅酸钠固化黄土无侧限抗压强度在单轴加卸载过程中的能耗值、弹性变形量和滞回环回弹模量均呈现下降趋势,冻融20次后强度降幅高达85.33%,而能耗均值与回弹模量均值分别为未冻融状态下的8.68%和20.70%,即固化土消振性与刚度大幅劣化。鉴于此情况,季节冻土区盐渍黄土硅酸钠的固化处理措施应慎重使用。     

不同温控曲线对石灰改良黄土强度影响研究

青海季节性冻土地区工程建设受冻融循环作用和黄土湿陷性的双重影响,工程上常采用石灰与黄土拌和作为垫层材料以满足工程要求,但冻融循环作用依旧对地基土体的性能有所影响。为探究青海季节性地区气候变化对地基土所带来的不利影响,采用3种温控曲线（1#、2#和3#温控曲线）模拟了青海季节性冻土地区气候变化规律,通过无侧限抗压强度试验和SEM等微观试验,分析不同温控曲线对2∶8、3∶7灰土强度和微观结构的变化规律。结果表明3∶7和2∶8灰土的应力-应变关系均呈现应变软化型,0~6次冻融过程中试样的无侧限抗压强度随着冻融循环次数的增加逐渐降低,继续增加冻融循环次数后其强度有所上升;冻融循环6次时灰土内部孔隙分布相较于冻融20次时多,且随着冻融循环次数的增加颗粒间接触方式由点-点、点-面接触向面-面接触转变;1#温控曲线的微观定量参数较2#、3#温控曲线变化明显,经历1#曲线时试样内部孔隙更为圆滑,结构排列疏松,1#温控曲线对试样结构和强度的影响程度相对较弱。     

冻融循环作用对黄土压缩性的影响

黄土不同循环次数冻融试验研究表明,冻融循环作用改变了土的粒径分布,随着冻融循环次数的增加,土体中细颗粒不断增加,土体孔隙比变大,从而使得土体密度变小,但减少的量很小;冻融循环作用使土的压缩系数增大,压缩模量减小.     

冻融循环对黄土渗透系数各向异性影响的试验研究

为了反映冻融循环作用对原状黄土渗透各向异性及原状、 重塑黄土渗透差异的影响, 以西安Q₃黄土为研究对象, 通过三轴固结渗透试验对比分析了冻融前后水平、 竖直向原状黄土及重塑黄土的渗透系数随初始含水率、 围压、 冻融循环次数变化的规律。结果表明： 未冻融时各级围压下竖直向原状黄土的渗透系数为2×10^-6 ~ 18×10^-6 cm?s^-1, 水平向原状黄土和重塑黄土的渗透系数为0 ~ 4×10^-6 cm?s^-1; 经历冻融循环后, 水平、 竖直向原状黄土及重塑黄土的渗透系数与初始含水率的关系曲线分别呈现逐渐上升、 抛物线形式与变化平缓的不同特征, 而三者的渗透系数均随冻融循环次数的增加呈现数量级增大的趋势; 原状黄土的竖直 - 水平渗透系数比（k_v /k_h ）由冻融前的4.38逐渐减小到0.90, 可见冻融循环作用在显著提高黄土渗透性能的同时, 可以强烈弱化其各向异性特征。通过建立围压、 渗透系数与土体孔隙率的相关关系可知, 原状、 重塑黄土的孔隙率与围压存在极强的负线性相关性, 渗透系数随围压的增大呈典型指数衰减特征, 渗透系数与孔隙率具有相似的变化趋势, 因此冻融循环过程中土体孔隙率的改变是导致其渗透性质变化的主要原因。     

冻融循环对兰州黄土渗透性变化的影响

在季节冻土区, 周期性的冻结与融化持续改变着土体内部结构, 土的孔隙率与渗透性也随之产生相应的变化. 针对这一现象进行了原状黄土和重塑黄土的冻融循环试验和冻融循环后的渗透试验. 结果显示: 随着冻融循环作用的进行, 原状黄土与重塑黄土干密度的变化趋势都是先增大后减小, 然后趋于稳定. 由于渗透系数与干密度呈负线性关系, 所以随着冻融循环次数的增加, 原状黄土与重塑黄土的渗透系数都是先减小后增大, 最后在4×10^-4~6×10^-4 cm·s^-1之间趋于一个稳定值. 因为重塑黄土是扰动土, 土结构中的颗粒大小较为均匀, 而原状黄土的土结构中颗粒大小不均匀, 导致重塑黄土的渗透系数始终大于原状黄土.     

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。