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。     

基于压汞法探究岩浆侵入对煤孔隙的影响

以平煤十三矿二₁煤层中受岩浆侵入影响前后的贫瘦煤和无烟煤为研究对象,利用压汞法研究了热变质作用对煤中孔隙发育特征的影响。总结了压汞法测定煤中孔隙的实验原理以及煤中比表面积、孔容及其在不同孔径段分布的计算方法与过程,深入分析了不同样品孔容、比表面积的发育特征及其在不同孔径段的分布规律,并探讨了5.5 nm~350 μm孔径范围内煤中孔隙的分形特征。研究表明：岩浆侵入致使煤中出现大量的新生孔隙,孔容和比表面积都显著增大,但中值孔容孔径、平均孔径减小,说明新生孔隙主要集中在小孔径段。而孔隙的空间分形维数变化规律表明岩浆侵入使煤中孔隙粗糙度增加,孔隙吸附能力增强,粒内孔分布范围增大。     

吉林西部盐渍土孔隙特征的试验研究

土的微观结构是决定其工程性质的内在因素,尤其是土的孔隙特征,是反映土的状态及强度的重要指标。为了进一步了解吉林西部盐渍土的工程地质特性,本文利用压汞法对农安地区不同深度盐渍土的孔隙特征及影响因素进行了研究。研究结果表明：该地区土的孔隙率随深度的增加而增大,不同深度孔隙的分布情况有所不同。结合分形理论可知,该地区土中孔隙的分布具有分形特征,孔隙的分形维数D随深度的增加呈增大趋势。将研究区各深度盐渍土的孔隙分为3个等级：大孔隙（d30m）,中孔隙（7m d 30m）和小孔隙（d7m）。土的各种理化性质相互影响,共同决定其孔隙特征,从而影响其工程地质性质。研究结果可为探究吉林西部盐渍土的强度机理提供依据。     

利用气体吸附法和压汞法研究烃源岩孔隙分布特征

烃源岩中微观孔隙空间是油气初次运移的重要通道,同时也是残留烃主要的储集空间。本文对烃源岩中不同尺度的孔隙分别使用气体吸附法和压汞法进行测定,进而对孔隙分布进行系统分析。实验结果表明,青山口组一段烃源岩孔隙度较低,分布于12%～387%之间,平均为217%,主要以微孔和介孔为主,孔容分布于18～30 mL/mg之间,平均为949 mL/mg;比表面积分布于091～3102m2/g之间,平均为702 m2/g。同时本文探讨了不同岩石组成对烃源岩内孔隙发育与分布的影响,发现有机质、伊利石及黄铁矿含量与孔容之间具有较好的正相关关系,孔隙的大小及数量随其含量的增高而增加,而粘土矿物中的绿泥石以及非粘土矿物中石英、方解石、斜长石含量与孔容之间呈负相关关系,烃源岩中的孔隙可能会随其含量的增高而减少,高岭石含量与孔容之间相关性较差,表明烃源岩孔隙可能不受其影响。此外,烃源岩中孔隙发育及分布还受有机质类型、丰度、热演化程度、粘土矿物排列形式、非粘土矿物的次生变化等因素的影响     

不同固结压力下强结构性黏土孔隙分布试验研究

为探讨结构性土变形的微观机制,以湛江地区结构性黏土为研究对象,对原状土和压缩试验后土样进行压汞试验,分析不同固结压力下土的孔隙分布、孔径大小以及孔隙结构特征参数的变化规律,辅以SEM图像进行孔隙形态的定性分析,并从分形理论角度对此解释与验证。结果表明,湛江黏土各孔隙组对外力的敏感度与孔隙体积含量正相关。由于压汞过程存在瓶颈效应以及边-面-角的空间接触形式,其结果可能会夸大真实小孔隙的分布密度而低估大孔隙的分布密度。结构性对压缩过程中孔隙分布影响较大,当固结压力增大至结构屈服压力后,孔径为0.01～0.50 μm的孔隙组变化明显,孔隙的连通性变差,孔径分布向小孔径范围移动,孤立式孔隙增多,大、中孔隙的界限变得不明显。湛江黏土孔隙具有多重分形特征,据此确定微裂隙、粒间孔隙和孤立孔隙孔径的分界点为0.01 μm与0.50 μm,同时给出了湛江黏土的孔径界定标准。     

基于氮气吸附法和压汞法的玄武岩孔隙结构特征及其对储层渗透性的影响

微观孔隙结构特征是评价储层潜力的关键参数之一,玄武岩作为一种非常规储层,研究该类储集层岩石学特征、岩石孔隙特征及差异性,对油气、地热资源开发及二氧化碳地质封存等都具有重要意义。基于华北地区三地(河北省张北县、山东省昌乐县及山西省左权县)玄武岩野外考察和岩芯样品,采用大面积视域拼接矿物扫描、低温氮气吸附实验和高压压汞实验,定量评价玄武岩样品孔隙大小与分布,同时对比不同玄武岩样品的孔隙分布特征,探讨不同测试方法的孔隙孔径联合表征方法、孔隙孔喉大小分布对渗透率贡献与测试孔径的影响,以及孔隙类型及连通性对孔径测试的影响。研究结果表明,不同玄武岩样品均发育微纳尺度孔隙结构,低温氮气吸附法和高压压汞实验法得到的平均孔隙体积分别为0.0037 cm³/g和0.0073 ml/g,其中,汉诺坝玄武岩样品和临朐群玄武岩样品介孔(2~50 nm)相对比较发育,孔隙体积占比分别为52.71 % 和48.77 %,而左权玄武岩样品次微米级孔隙(100~1000 nm)比较发育,孔隙体积占比达54.54 %。通过高分辨率扫描电镜分析发现,样品微观储集空间类型中发育一定量的粒间孔和晶内孔,孔隙间连通性差,但是粒缘缝及构造微裂缝相对比较发育,局部连通性较好。受不同成岩背景和构造环境影响,玄武岩微观孔隙结构存在一定差异性,不同样品测试计算的孔隙率为0.38 % ~4.82 %,变化范围较大,但总体孔容较低,孔隙发育度较差。在样品孔隙结构中,对流体流动起到关键作用的孔喉分布范围最小为4~7 nm,最大为358~552 nm,对应的渗透率贡献值分别达49.46 % 和61.91 %。可见孔吼尺寸小、孔隙连通性差是导致玄武岩微观渗透性较差的重要原因。本文微观测试尺度上的玄武岩储集空间为致密型,与现场出露岩体宏观储集空间的结构特征有明显不同,反映了天然裂缝系统对储层改造和储集空间的贡献比较突出,因此加强宏观裂缝系统特征的研究对认识玄武岩的储集空间具有重要意义。

     

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。     

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。     

利用气体吸附法和压汞法研究烃源岩孔隙分布特征——以松辽盆地白垩系青山口组一段为例

烃源岩中微观孔隙空间是油气初次运移的重要通道,同时也是残留烃主要的储集空间.本文对烃源岩中不同尺度的孔隙分别使用气体吸附法和压汞法进行测定,进而对孔隙分布进行系统分析.实验结果表明,青山口组一段烃源岩孔隙度较低,分布于1.2％～3.87％之间,平均为2.17％,主要以微孔和介孔为主,孔容分布于1.8～ 30 mL/mg之间,平均为9.49 mL/mg;比表面积分布于0.91 ～31.02m2/g之间,平均为7.02 m2/g.同时本文探讨了不同岩石组成对烃源岩内孔隙发育与分布的影响,发现有机质、伊利石及黄铁矿含量与孔容之间具有较好的正相关关系,孔隙的大小及数量随其含量的增高而增加,而粘土矿物中的绿泥石以及非粘土矿物中石英、方解石、斜长石含量与孔容之间呈负相关关系,烃源岩中的孔隙可能会随其含量的增高而减少,高岭石含量与孔容之间相关性较差,表明烃源岩孔隙可能不受其影响.此外,烃源岩中孔隙发育及分布还受有机质类型、丰度、热演化程度、粘土矿物排列形式、非粘土矿物的次生变化等因素的影响.     

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。     

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。     

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。     

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。     

冻融循环对青藏红黏土物理力学性质影响试验研究

以红黏土为研究对象,使土样在封闭系统下进行不同次数的冻融循环作用,对冻融循环后的冻结土样进行粒度成分和物理力学性质测试,研究不同次数冻融循环作用下冻结红黏土粒度成分和物理力学性质的变化规律。结果表明：粉粒组和黏粒组质量含量受冻融循环作用次数影响较大。红黏土中颗粒在前10次冻融循环过程中向粒径小于0.001 mm及粒径在0.01~0.05 mm范围富集;冻融循环10次之后,随冻融循环次数的增加,粒径范围在0.002~0.005 mm的土颗粒含量明显增加,粒径范围在0.01~0.05 mm的土颗粒含量明显减小,其他粒径范围的土颗粒含量基本不受冻融循环次数的影响。红黏土的液、塑限大体上随冻融循环次数的增加而增加。冻融循环作用对红黏土等效黏聚力强度影响较明显,冻融循环作用10次以内红黏土等效黏聚力强度变化较大,在红黏土地区新修路基应考虑冻融循环作用引起的附加沉降影响。建议采用维亚洛夫或吴紫汪长期强度预报方程预测红黏土长期等效黏聚力强度。     

冻融循环对石灰处置粉质黏土静强度影响研究

以吉林－荒岗高速公路沿线的粉质黏土为研究对象,对不同石灰掺入比的土样试件进行0、2、4、6、8、10、12次冻融循环试验。通过室内静三轴试验,研究了冻融循环作用对石灰处置粉质黏土强度的影响。研究结果表明,石灰处置粉质黏土的应力-应变关系曲线呈应变软化型,峰值强度随围压增大而升高,粉质黏土峰值强度降低幅度值比石灰处置粉质黏土峰值强度降低幅度值大,经历4次冻融后应力-应变曲线峰值强度趋于稳定;冻融作用后石灰处置粉质黏土抗剪强度衰减率比粉质黏土的抗剪强度衰减率小,抗剪强度随围压的升高而增大;同一围压条件下石灰处置粉质黏土弹性模量随着冻融次数增加逐渐减小,经历4次冻融后基本趋于稳定。     

冻融循环对粉砂土动力特性影响的试验研究

借助GDS动三轴试验研究了不同负温下经历多次冻融循环后粉砂土的动应力、动模量、动模量比和阻尼比等动力参数的变化规律。试验发现,相同动应变下,冻融循环与动应力和动模量呈负相关性,而与动模量比和阻尼比呈正相关性,随着冻融次数增加,动应力和动模量都减小,动模量比和阻尼比都增大,通过回归分析分别给出了动模量比与动应变关系曲线和阻尼比与动应变关系曲线的归一化拟合模型。冻融循环对初始动模量和最大阻尼比影响显著。随着冻融次数增加,初始动模量减小,而最大阻尼比增大。分别对不同负温下冻融次数对初始动模量和最大阻尼比的影响进行了回归分析,提出了冻融次数修正系数的计算公式。结果表明,温度越低冻融循环对粉砂土动力特性影响越明显,经历5次冻融循环后的动力参数相对稳定,建议将5次冻融循环后的动力参数作为基本参数进行动力反应分析计算。     

湿干循环作用对压实黏土干裂特性的影响

针对红黏土-膨润土混合土材料在干湿循环作用及复杂化学环境下的性能演化问题,开展了盐溶液入渗作用下红黏土-膨润土混合土的干湿循环试验研究,分析了干湿循环次数、膨润土掺入比、盐溶液浓度对压实混合土材料体变特征与渗透特性的影响,并结合压汞试验揭示了试样收缩变形与渗透系数变化的微观机制。结果表明：随着干湿循环次数的增加,压实红黏土-膨润土混合土试样累计收缩变形逐渐增大,收缩趋势随入渗盐溶液浓度的增加而增大;干湿循环过程中试样渗透系数呈先增大后减少的趋势,且随着盐溶液浓度增加而逐渐降低;增大混合土中膨润土掺量可以提高试样化学相容性,减少胀缩变形并减小渗透系数。压汞试验表明,盐溶液入渗及干湿循环作用导致土体孔隙“双峰”分布特征减弱,土体中的大孔数量及孔径减小,小孔略有增多;随着入渗的盐溶液浓度增加,小孔变化不明显,而土体总孔隙率及大孔数量减小,进而导致土体收缩变形增大、渗透系数减小。