延安Q3原状黄土渗透各向异性及微结构分析

为研究原状马兰黄土的渗透各向异性,以延安削山造地重大工程开挖所揭露的完整黄土剖面中的马兰黄土层为研究对象,采用室内变水头渗透试验获取不同埋深不同渗流时长原状黄土垂直向和水平向的渗透系数,并对试验前后黄土试样垂直向和水平向SEM（scanning electron microscope）电镜扫描结果进行分析,从微观结构上揭示原状马兰黄土结构各向异性的原因。结果表明：原状黄土垂直向和水平向饱和渗透系数具有显著各向异性,且垂直向和水平向渗透系数都随渗流时间的持续而减小,各向异性渗透性能在时间尺度上具有某种衰减关系;同时,原状黄土各向异渗透性能随埋深的增大而逐渐减弱;土颗粒结构的接触、排列方式是导致黄土原生各向异性的根本原因,也是导致渗流初始阶段渗透系数各向异性的原因,而渗流作用产生的次生结构各向异性则使渗透系数各向异性在时间尺度上表现得更为明显。     

各向异性对软土力学特性影响的离散元模拟

软土预压工程中,初始和诱发各向异性对软土力学性质的影响十分显著,而现有研究缺乏对初始和诱发各向异性的统一研究方法。采用离散单元法,以颗粒长宽比作为定量评价指标,构建真实形态的颗粒模型,生成5组不同沉积角的初始各向异性试样,并进行竖直和水平两方向加载的双轴模拟实验,研究了初始各向异性和诱发各向异性对软土力学特性影响;在细观层面,以颗粒为对象研究了颗粒接触形式和转动角度的变化规律,以接触为对象研究了配位数和接触法向各向异性的发展趋势,在此基础上探究抗剪强度指标与各向异性关系。结果表明:初始和诱发各向异性共同影响试样力学性质,当加载方向和软土沉积方向垂直时,土体有最大的峰值强度。颗粒接触形式中面面接触的比例随加载的进行逐渐增大,并影响着试样初始模量和抗剪强度,配位数和接触法向各向异性受颗粒接触形式的影响有不同的演化规律,并在加载后期趋于稳定;同时,初始各向异性试样相较各向同性试样有更大的黏聚力,诱发各向异性主要影响试样内摩擦角,进而影响试样抗剪强度。     

渗透性水平向各向异性导致椭圆形地面沉降漏斗的一个性质

水平向渗透系数各向异性会导致抽水产生的水位降深等值线呈现椭圆形,进而产生椭圆形地面沉降漏斗,这种椭圆形地面沉降漏斗的现象在现实中广泛存在。渗透系数均质各向同性的圆形地面沉降漏斗中,地面某点沉降值s与该点至漏斗中心的距离r之间符合s- 线性关系,渗透性水平向各向异性导致的椭圆形地面沉降漏斗也具有s- 线性关系规律。应用地下水动力学相关理论,经过理论推导,得出了椭圆形地面沉降漏斗各径向线上半对数线性关系式 中常数项 、 与径向线方位角θ之间的函数关系式,即 、 与 或 的平方呈正比,该函数关系式得到中国、美国和印度共6个区域性地面沉降漏斗实例的有力验证。对公式验证回归所得的12个相关系数中,1个为87.19%,其余11个都在90%以上。以上渗透性水平向各向异性导致的区域性椭圆形地面沉降漏斗的性质,公式简单实用,可方便应用于椭圆形地面沉降漏斗中非监测点的沉降值推测,利于全面了解椭圆形沉降漏斗信息,具有广泛应用价值。     

上海软土微观空隙各向异性特征及其成因分析

扫描电镜分析结果表明,上海地区软土存在微观结构上的各向异性,其中空隙按成因可分为原生、次生两种类型.原生空隙在絮凝过程中产生,并在固结过程中由于重力等作用趋于闭合或张开,导致水平向空隙的渗透性优于垂直向;地下水溶蚀含水层中易溶颗粒而形成的空隙,或经渗流动力作用改造已有空隙而形成的空隙称为次生型空隙.次生空隙的各向异性程度往往高于原生空隙.渗流的各向异性取决于空隙分布及其连通性的各向异性;各向异性介质中的渗流则将加剧软土微观与宏观结构的各向异性特征.     

各向异性结构性砂土离散元分析

天然沉积砂土力学特性受各向异性及结构性影响明显,实际工程中不能忽视。为探究二者的影响,首先在二维离散元程序NS2D中采用椭圆颗粒模拟了重力场中颗粒长轴主方向为水平的各向异性净砂样,随后基于结构性砂土胶结厚度分布规律及室内试验提出了一个新的微观胶结接触模型并将其引入各向异性净砂样以模拟天然各向异性结构性砂土,最后对该离散元试样进行了双轴试验模拟,将模拟结果与室内试验结果对比以验证该模型的适用性,并对其微观力学特性变化进行研 究。分析结果表明,随着剪切进行,各向异性结构性砂土呈明显应变软化及剪胀现象;胶结接触逐渐减少,且主方向始终为竖向方向;胶结破坏速率及胶结破坏率变化情况与宏观力学响应较一致,且胶结物多为拉剪破坏;土颗粒排列主方向始终为水平向,且水平向排列颗粒所占比例略微增大。     

兰州Q4黄土各向异性的初步研究

水敏感性和结构性是黄土区别于其他类型土的主要特点,得到了广泛的研究,但大多数试验研究都采用垂直方向制备的试样,仅考虑了黄土垂直方向的力学特性,这对于以承受上部垂直荷载为主的黄土地基基础等工程类型来说是合理和准确的,而对于受力状态较为复杂的边坡和隧道及地下结构等工程类型,黄土力学性质的各向异性可能更为重要。分别从垂直向和水平向制取兰州Q4黄土的原状土试样,通过三轴剪切试验研究了其抗剪强度和变形参数在不同围压下和不同方向上的差异性,并与直剪试验获得的强度参数进行对比。结果表明：兰州Q4黄土力学性质的各向异性是较为显著的,强度方面的差异主要体现在黏聚力,而内摩擦角的差异性较小;变形特征具有随围压增加而从脆性向塑性转化的特点,垂直方向的变形模量比水平方向的变形模量平均要大2倍左右。用黄土的结构性强度及其形成机制解释了试验结果,认为黄土力学性质的各向异性特点是其结构性的另一种表现方式,应重视黄土在不同方向上强度和变形特征的差异性,以获得更安全合理的参数。     

有明黏土各向异性固结特性的试验研究

由于大多数黏土矿物是片状的,在沉积和随后的固结过程中黏土颗粒和组构单元趋向水平定向排列,使天然沉积黏土呈现各向异性的固结特性。通过垂直切和水平切试样的恒应变速率固结试验研究了日本有明黏土的各向异性固结特性。试验结果表明,水平切试样的先期固结压力pch与垂直切试样的先期固结压力pcv的比值在0.5～1.0之间,主要是因为天然沉积黏土各向异性的屈服轨迹以及垂直切和水平切试样所经历的应力路径不同;在正常固结阶段,水平切试样的固结系数ch与垂直切试样的固结系数cv之比约为1.43,水平切试样的渗透系数kh与垂直切试样的渗透系数kv之比约为1.40,水平切试样的体积压缩系数mh与垂直切试样的体积压缩系数mv基本相等。因此,有明黏土固结系数的各向异性主要是因为渗透系数的各向异性,而渗透系数的各向异性本质上是因为其微观结构的各向异性。     

基于实测地震波波速的围岩各向异性分析——以赣龙铁路汀州隧道为例

在赣龙铁路汀州隧道地震波反射法超前地质预报的基础上,选取地震波记录较好的57次测试成果,通过地震波激发炮孔段围岩水平、竖直方向横波波速差异性的统计分析,对围岩的各向异性进行研究。数据分析表明:围岩水平和竖直方向的横波波速不同,表现出不同程度的横波各向异性;赣龙铁路汀州隧道围岩总体上表现出竖直方向的横波波速高于水平方向的各向异性特点,围岩横波各向异性系数绝大部分在±10%以内,动弹性模量、动剪切模量、动泊松比各向异性系数的分布范围分别为-15%~15%、-20%~20%和-20%~15%;围岩的各向异性程度与围岩级别、地震波纵波波速和隧道埋深有较密切的关系;当围岩的地震波纵波波速在3 800~5 000 m/s之间或隧道埋深在60~100 m之间时,横波各向异性系数离散程度较大;在测试的Ⅱ~Ⅴ级围岩中,Ⅳ级围岩的横波各向异性离散程度最高,Ⅱ级围岩的最低。     

用“伞式解构”方法剖析致密储层微观各向异性

致密油气储层作为非常规油气储层的重要类型,具有孔隙尺度小,微观非均质性强等显著特征.目前在大幅提高资源动用率方面仍面临重大理论挑战,探索潜力广阔.本研究利用“伞式解构”方法定量解析了中国鄂尔多斯盆地陆相致密砂岩储层孔隙和矿物的微观各向异性特征.实例研究显示,八向伞式切片微观孔喉发育存在显著的微观各向异性,各向填隙物发育特征差异明显,随着取样角度的变化,呈现连续非稳态分布.八向伞式切片分形维数是孔隙率、渗透率和孔喉发育概率的良好表征.研究可为揭示致密储层储渗机理及“甜点”分布规律,指导致密油气有效开发提供重要的理论支撑与实践依据.      

基于特低渗砂岩覆压试验渗透率方向性特征分析

由于地质成因的不同,岩石渗透率往往具有不同程度的大小和方向性差异,即呈各向异性的特点。目前,岩石渗透率方向性特征的理论和试验研究仍然不足,缺乏岩石渗透率各向异性量化评估。基于国内CCUS场地储层砂岩,沿正交方向钻取岩芯试件若干,完成瞬态法覆压渗透率测试。试验结果表明,特低渗砂岩正交方向渗透率随围压（上覆岩层压力）加载呈幂律函数递减,当围压加载至20 MPa以后,正交方向渗透率差异性逐步降低,即渗透率由各向异性逐步向各向同性过渡,且储层砂岩竖向渗透率压力敏感系数普遍低于水平侧向。通过建立一种空间坐标系下渗透率计算模型,将岩石内部渗流规律等效为空间正交方向渗透率模型,并借用统计学标准差定义提出渗透率各向异性系数?k,将不同岩性储层岩石渗透率不均匀性作归一化处理,定量地描述了覆压试验过程中试件渗透率各向异性的变化规律。     

干密度及冻融循环对黄土渗透性的各向异性影响

黄土作为特殊土之一广泛分布于我国中西部季节性冻土地区,以具有明显各向异性的西安Q3原状黄土为研究对象,采用GDS三轴渗透仪测量不同干密度原状黄土竖直向及水平向渗透系数。结果表明,原状黄土水平向渗透系数大于竖直向渗透系数,水平向渗透系数和竖直向渗透系数均随干密度增大而减小;原状黄土渗透各向异性随干密度增大而增强。在封闭系统下用冻融循环箱对干密度相同而初始含水率不同的原状黄土进行冻融试验,结果表明冻融后试样水平向及竖直向渗透系数均随冻融时试样初始含水率的增大而增大;冻融后黄土渗透各向异性随冻融时试样初始含水率的增大而减弱。随着冻融次数增加,黄土水平向及竖直向渗透系数先增大然后趋于稳定;黄土渗透各向异性随冻融次数增加而显著改变,表现在黄土的水平向渗透系数与竖直向渗透系数比值随着冻融循环次数的增加而减小。最后通过观测黄土的微观结构分析了其对黄土渗透性的重要影响。     

晚更新世黄土渗透性的各向异性及其机制研究

非饱和黄土的渗透性是非饱和黄土性质的重要组成部分。研究黄土不同方向的渗透性对确定其湿陷范围和由于水的渗透引起的黄土滑坡具有很重要的理论意义。研究了黄土渗透性的各向异性特征及其机制。以具有明显各向异性的西安Q3原状黄土为研究对象,用TEN型张力计测量了黄土试样不同方向的、不同含水率下的吸力;用变水头渗透试验测量了黄土竖直和水平方向的饱和渗透系数。结果表明,当体积含水率在23%～41%时,张力计沿不同方向插入土样所测吸力相差不大;竖直方向的饱和渗透系数是水平方向的4.02倍。在吸力测量的基础上,根据土-水特征曲线,确定了竖直和水平方向的非饱和黄土的渗透系数。得出在黄土不同方向,随着吸力的增大或减小,渗透系数减小或增大;竖直方向的渗透系数普遍地大于水平方向的渗透系数;当吸力小于57 kPa时,随着吸力的增大,竖向渗透系数与水平向渗透系数的差值减小。通过观测黄土的结构,得出黄土结构对其渗透性有重要影响。     

黄土湿陷过程中微结构变化规律的电阻率法定量分析

针对现代土力学中土的微结构定量分析的困难,考虑到电阻率法在土的微结构研究中的突出优点,引入电阻率法进行黄土湿陷过程中的微结构变化规律定量分析,探讨土电阻率法在土的微结构定量研究中的应用。以典型的非饱和黄土为研究对象,通过同步测定黄土湿陷过程中土样的竖向与横向电阻率大小,计算出土电阻率结构性参数指标,包括土的竖向与横向结构因子、平均结构因子、各向异性系数与平均形状因子的大小,分析了黄土湿陷过程中土电阻率结构性参数的变化规律,建立了定量描述黄土微结构变化规律的电阻率评价方法。试验研究表明,土的电阻率法具有连续、快捷与测试方便等诸多优点,通过土的电阻率结构性参数指标的研究,可有效进行土的微结构变化定量分析。     

黄土地区边坡虹吸排水孔间距优化

为使虹吸排水技术在黄土地区边坡应用中取得更好效果,考虑黄土各向异性进行虹吸排水孔间距设计,基于Neuman理论,利用土质渗透系数差异程度考虑黄土各向异性渗流规律,引用拦截比的概念,并结合降深与影响半径的关系,推导出了一种适合各向异性土体的虹吸排水间距解析解。结果表明：虹吸排水孔间距不仅与渗透系数和降深相关,还与竖向渗透系数与水平渗透系数之比有着较大的关系。在黑方台黄土地区的实际工程案例中,0.4 m为虹吸排水孔的最优间距。数值模拟及解析计算表明,单排排水孔间距在0.4 m的情况下拦截比为49.7%,满足工程实际要求。     

沉积岩的一种各向异性模型

给出了沉积岩的一种各向异性模型。用一个各向异性参数描述这类材料的固有各向异性，各向异性参数和单轴抗压强度是一个分布函数，其分布用一个微结构张量和加载方向表示。建立了一个描述各向异性沉积岩变形过程的全塑性模型。用该模型对这一些三轴试验进行了模拟，结果表明该模型能有效地描述沉积岩的固有各向异性。     

延安新区马兰黄土湿陷特性的PFC2D模拟

为了深入了解延安新区马兰黄土的粒间作用,揭示其湿陷机理。首先利用扫描电子显微镜观察了黄土的微观结构特征,并且利用IPP图像处理软件对黄土颗粒定量分析,论证了PFC2D软件模拟黄土粒间作用的可行性。然后,基于离散元理论,利用颗粒流PFC2D程序模拟了延安新区不同埋深原状黄土颗粒的分布情况及颗粒间相互作用,以一种直观的方法再现了天然黄土的微观结构特征。对比分析了不同深度黄土颗粒分布及接触力分布与湿陷性的关系。结果表明:骨架颗粒间的作用决定了土体的结构强度,尤其以团粒结构的接触力为主。随着深度的增加,黄土骨架颗粒由点接触方式逐渐过渡到团粒重叠接触,粒间接触力明显增强。PFC2D模拟方法为黄土湿陷性成因机理研究提供了新的思路。      

宝兰客运专线王家沟隧道原状黄土各向异性研究

针对黄土隧道开挖过程中不同部位（拱顶或拱腰）处围岩表现出的变形及强度各向异性情况,以宝鸡-兰州客运专线王家沟隧道原状黄土为例,着重探讨原状黄土结构强度各向异性问题。分别取王家沟隧道原状黄土水平与竖直方向进行抗剪、无侧限抗压及抗拉强度试验研究,考虑结构性对各向异性的影响,并对王家沟原状黄土进行电镜扫描,从微观结构上分析原状黄土具有各向异性的原因,最后探讨了原位状态下黄土各向异性的发生机制。结果表明：水平与竖直向应变比随围压的增大而减小,随归一化偏差应力的增大先增大后减小,峰值点随归一化偏差应力呈幂函数递增。提出原状黄土结构强度各向异性几何模型,并给出原状黄土各向异性强度参数指标。     

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。