黄土湿陷机理研究现状及发展趋势

在回顾早期黄土湿陷机理研究成果的基础上,概述了黄土湿陷机理的发展历程,从微观结构、数理分析方法、土力学角度和建立本构模型4个方面总结了黄土湿陷机理的研究现状。通过工程实例研究提出了当前黄土湿陷机理发展中存在的问题;并对其发展趋势进行了分析。认为应以黄土微观结构研究为基础,结合先进测试仪器和分析软件,从非饱和土力学的角度出发,采用离散元分析手段,考虑溶盐因素,系统建立各种应力路径下黄土湿陷本构关系,从而完善黄土湿陷机理的研究。这对正确理解和研究黄土湿陷机理具有重大的理论意义和指导意义。     

冻融循环作用下花岗岩损伤的宏微观尺度研究

岩石的冻融破坏是高原地区工程建设中不可忽视的自然灾害之一。冻融作用下岩石矿物的不均匀收缩和孔隙水冰相变导致岩石内部孔隙扩展造成的岩石损伤,对工程稳定具有极大的威胁。为了研究冻融循环下花岗岩的损伤规律,以川藏铁路沿线理塘县毛娅坝盆地乱石包高位远程滑坡为研究对象,针对滑带上花岗岩,通过冻融循环试验模拟高原寒冷的气候环境变化,对冻融循环后的花岗岩进行单轴压缩、电阻率和电镜扫描（SEM）试验,从宏微观多尺度综合探讨冻融循环作用对花岗岩损伤劣化的规律。从试验研究中发现:（1）冻融循环过程中花岗岩质量变化呈先减小后增大再减小的趋势,这与冻融循环引起试样表面颗粒掉落和内部裂隙扩展双重作用有关;（2）随着冻融循环次数增大,花岗岩的单轴抗压强度、弹性模量和黏聚力皆呈非线性衰减趋势,而内摩擦角仅在平均值附近微小波动;（3）当冻融循环次数增加时,由宏微观试验所确定的冻融损伤因子和冻融荷载耦合作用下的总损伤因子都呈增长趋势,说明冻融次数对于花岗岩的抗压强度影响较大。研究结果可为高原地区工程建设中衡量花岗岩冻融强度特性提供参考依据。     

基于显微CT图像的黄土微结构研究

黄土的工程性质与黄土的微结构特性密切相关。为了研究马兰黄土的二维孔隙特征和三维结构表征,实验土样用显微CT进行扫描,并重建三维图像。首先利用高斯滤波对切片图像进行降噪处理,接着用二值法对灰度图像进行统计得到二维孔隙特征,在此基础上重建三维图像,分别提取切块、团聚体和土颗粒的三维图像,得到它们的三维结构表征。研究结果如下:（1）对二维孔隙面积进行计数分析,土样的孔隙面积集中在0~2 000 μm2范围内;通过比较孔隙面积与总数的关系,可知中孔隙对土体的性质影响最大;对不同层面的孔隙比对比后,发现土体的孔隙分布在宏观上可视为均一的,微观上在土体的不同部位分布是不同的。（2）通过对三维图像进行分析,得到团聚体中土颗粒间有4种组合关系,分别为接触、连接、穿插和融合关系;土颗粒形态可分为4类,分别是椭球形、锥形、片形和条形。     

西峰塬黄土的湿陷性研究

采用双线法对西峰塬原状Q3黄土进行增湿、减湿情况下的压缩试验。分析了黄土的湿陷变形随湿度及压力的变化规律。利用SEM技术测试了黄土湿陷前后的微结构变化,采用微结构定量化分析方法和分形分维集合方法分析了黄土试样微观孔隙的变化规律。结果表明:(1)黄土湿陷性的产生是构成黄土架空孔隙的刚性结点变异导致。(2)同级压力下超越湿陷率随初始含水量的增加而变大; 初始含水量在同一水平下,随压力的增加超越湿陷率逐渐变大。(3)黄土湿陷过程伴随孔隙数量大幅增加,平均孔径减小,孔隙面积缩小,大中孔隙数量骤降; 孔隙结构变得更加复杂。本文提出了黄土超越湿陷率的概念及受外界因素的影响规律,分析了非饱和黄土的湿陷机理,即水分和外力不同组合情况的湿陷性。     

黄骅坳陷中区新生代断裂系统及其成因分析

断裂是黄骅坳陷新生代主要构造变形类型,对该区油气成藏有重要影响。本文将黄骅坳陷中区的断裂划分为6个系统,并综合分析了它们之间的关系。每一断裂系统至少有一条主干基底断层,发育在该断层上、下盘的次级断层以不同形式与主干基底断层组合在一起,其剖面上的构造样式和平面上的构造组合显示了该断裂系统在新生代的运动学特征。在系统分析黄骅坳陷中区新生代断裂系统的断层组合、构造样式、主干断层位移方式及生长史的基础上,结合区域构造背景、伸展边界条件及断层间的相互作用,探讨了该区断裂系统的形成机制。分析结果表明:区域构造背景下存在的伸展边界控制了整个黄骅坳陷中区新生代断裂系统总的构造格局,系统中主要断层走向与伸展边界近于平行。这进一步证实了区内右旋走滑作用与伸展作用的相互耦合,致使断层沿走滑构造带出现转向或中断。各断裂系统之间及系统内部断层间的运动学关系表明黄骅坳陷古近纪受两个构造动力控制,一是地幔热作用引起岩石圈北西—南东向引张作用,二是北北东向深断裂带的右旋剪切作用。     

黄骅坳陷中区断裂系统分形研究

利用分形几何方法分析了黄骅坳陷中区断裂分布的分形特征,以探讨该区断裂系统的发育规律及其与油气的关系。利用数盒子方法进行分析表明,黄骅坳陷中区断裂系统在标度区间1.75～7km具有很好的统计自相似性。根据断裂分维值等值线可知,海岸线两侧断裂分维值分布规律有着明显不同,显示了两侧断裂系统在形成机制上的差异性。研究区分维值自西向东逐渐增大,在歧口凹陷南北两侧有着最高的分维值。结合黄骅坳陷中区断裂系统的形成机制及油田的分布,初步探讨了断裂分形特征与黄骅坳陷中区断裂系统的形成机制及断裂分形特征与油田分布之间的关系。研究结果表明,断裂系统分维值的变化特征与断裂的发育规律有着很好的相关性,断裂发育程度高的地区其分维值也更高,也将更有利于油气的运聚。