低温饱和岩石未冻水含量与冻胀变形模型研究

 寒区岩石在季节性温度变化下会经历冻胀融缩过程,研究低温岩石中未冻水含量以及冻胀变形规律是进行寒区工程数值仿真和稳定性分析的关键问题。岩石是不同于土体的脆性多孔介质材料,孔隙中的未冻水含量还无法通过实验直接测量;基于累计孔隙体积分布规律,考虑孔隙水的冻结点变化和未冻水膜的影响建立低温岩石未冻水含量理论表达式,实例证明该计算式具有较高的可靠度。假定岩石为弹性孔隙介质,基于孔隙冰与岩石孔隙间的膨胀耦合关系可计算冰压力;利用应变等价原理将孔隙中的冰压力等效为岩石表面的三向拉应力,从而根据弹性理论建立了有效冻胀力下低温饱和岩石冻胀变形模型。结果表明饱和岩石低温冻胀变形与岩石基质的力学参数、岩石孔隙率以及未冻水含量等因素有关。最后通过与2个已有的室内冻胀变形实验对比,说明本文冻胀变形模型的正确性以及实用性。     

饱和粘性土主固结与次固结变形分析

<正>一、前言饱和粘性土属饱和多孔介质,它是由土粒固体骨架和充满在骨架内的液体孔隙水所组成。当这些饱和多孔介质受外力作用后可以表现出弹性、粘性、塑性、粘弹性、弹塑性和粘塑性等诸多力学性质。研究它的这些变形特性,尤其是粘弹性变形,对於正确指导工程实践有一定意义。 饱和粘土的压缩变形通常以K.Terzaghi的固结理论为依据,这个理论可以归结如下两个方面:其一是饱和粘土受压后,由于孔隙水在压力作用下被排出而发生体积压缩;其二从应     

饱和细粒土孔隙结构定量表征

土的物质组成多样且结构尺度跨度大,多物质成分和多尺度结构影响土体结构特征。借助室内试验及数值模拟(数据约束模型),表征饱和细粒土固结过程中多物质成分的多尺度结构,并进行三维结构定量表征,侧重探讨饱和细粒土固结过程中孔隙结构的变化特征。研究表明,饱和细粒土受压固结的蠕变界限在400 kPa左右,对应的界限孔隙值为0.4μm(微米孔隙)。随土样受压强度增加,土体中不同尺度的孔隙及其连通体数量均发生变化:孔隙和孔隙连通体数量都先增加后减少最后趋于稳定,但变化规律并不完全一致。孔隙数量在200 kPa压力时达到峰值,而孔隙连通体数量却在400 kPa压力下达到峰值,孔隙总体积受孔隙数量和孔隙体积两个因素影响。土体固结前期主要发生大孔隙变形,大孔隙数量是影响其固结效应的重要因素。而在固结后期,微小孔隙体积是影响土体固结效应和蠕变的关键因素之一。本研究多方法结构分析在突破吹填淤泥这类饱和细粒土的结构定量分析后,有利于物质微宏观力学理论的进一步深化。     

降雨过程裂隙网络饱和/非饱和、非恒定渗流分析

雨季岩质边坡失稳的主要原因之一是由于连续降雨在地下水位以上非饱和区形成暂态饱和区，使原来负的孔隙压力变成正的孔隙压力。降雨渗入岩体裂隙是饱和／非饱和、非恒定渗流过程。提出了这一过程的分析方法并给出一个岩石边坡工程降雨入渗分析的算例     

加载途径对深部孔隙性砂岩力学特性的影响

深部孔隙性砂岩具有压实程度高、岩石较致密、孔隙度较低、且孔隙中一般含有油/气或水、孔隙流体具有压力的特点.已有的理论研究表明,多孔介质孔隙流体压力对岩石的变形和破坏存在一定影响,不同岩石其影响程度不同.从孔隙流体压力为正常静水压力、实际地层孔隙压力和大气压3个方面,通过实验研究由于孔隙内压改变而引起的加载途径变化对岩石变形和破坏的影响.研究结果表明:孔隙流体压力的存在使岩石的塑性增强,即模拟砂岩实际地层孔隙压力和围压得到的三轴抗压强度、轴向应变、径向应变和泊松比大于其他两个条件下相应的值,弹性模量则小于其他两个条件下的岩石弹性模量;对深部孔隙性地层岩石,要表述岩石的力学特性,应考虑孔隙压力的存在和影响,应尽量模拟岩石在深部埋藏条件下所受到的实际上覆岩石压力、实际地层孔隙压力测试岩石的应力-应变特性.     

孔隙压力变化对岩石强度特性的影响

 在油气开采过程中,注采制度的改变必然会引起孔隙压力的波动,进而影响到储层岩石的力学性质。通过三轴抗压实验研究不同孔隙压力下的岩石强度特性及周期性孔隙压力作用下的岩石变形特征,结果表明,围压恒定,随孔隙压力下降,岩石的三轴抗压强度、弹性模量、体积模量、剪切模量都呈现增大趋势,泊松比整体呈下降趋势。对采用降压方式开发的油气藏,随着孔隙压力降低,岩石体积模量增大,体积压缩系数减小,岩石的可压缩性逐渐减弱。孔隙压力周期性加、卸载过程中岩石的轴向应变、径向应变和体积应变都将随循环周期逐渐累积,在加、卸载初期变化较大,随循环次数增加逐渐趋于稳定。岩石强度及变形规律随孔隙压力的变化规律表明,油气藏开发初期的压力降落对储层物性的影响和损害大,在储层开发前期若不采取有效措施稳定地层压力,到储层开发后期,再通过注入流体来改变地层的渗透率不会产生明显的效果,而且岩石变形的累计还可能诱发、诱导地层破坏甚至灾害性事件发生。     

数字岩芯微观结构特征及其对岩石力学性能的影响研究

岩石本质上是一种非均质材料,其力学性质受到微观孔隙结构的影响。通过计算不同岩石微米CT图像的分形维数、孔隙半径分布和孔隙形状因子分布,分析了岩石的微观孔隙结构特征。基于数字岩芯表征单元,用有限元方法开展孔隙尺度下微观变形模拟试验,研究微观孔隙结构对岩石变形的影响。结果表明:岩石孔径分布各异,骨架和孔隙都具有分形特征,浑圆孔隙占比相对较少。岩石变形模拟试验中,由于端部束缚作用强,出现了严重的端部效应,在中部了形成X形的共轭塑性剪切带,会不断发展直至岩石破坏;不规则孔隙的存在,使得岩石内部应力集中现象明显,塑性变形区域分布极不均匀。岩石轴向上具有整体平移的特点,侧向变形严重,变形带之间过渡区域位移梯度较大;X形剪切带的下部,形成位移较小的拱形弹性变形区。岩石有效弹性模量与孔隙度和孔隙分形维数具有良好的相关性。随着孔隙度的增加,有效模量几乎呈指数递减,孔隙度对岩石力学性质影响巨大。孔隙分形维数越大,有效弹性模量大体上逐渐变小。研究从孔隙尺度揭示了岩石微观结构的变形机制,对岩石宏观性质的研究具有重要的指导意义。     

孔隙岩石的物理模型与破坏力学行为分析

根据真实岩石的孔隙结构分布统计特征,采用水泥砂浆和聚苯乙烯颗粒等相似材料模拟孔隙岩石,制作了岩石孔隙物理模型;利用CT扫描实验验证了物理模型与天然岩石孔隙结构在统计特征上的一致性;利用单轴受压试验获取了孔隙物理模型的力学性能;最后进行了巴西圆盘劈裂CT扫描实验,分析了孔隙岩石破坏机理及其孔隙结构的变化。研究结果表明:岩石孔隙物理模型与天然岩石具有一致的孔隙结构分布特征;孔隙不影响岩石的宏观弹脆性特征;但由于孔隙的存在,岩石内部的应力分布出现非对称性,导致劈裂裂纹偏离纵向对称轴;最终形成劈裂裂纹穿越孔隙,出现较宽的破坏裂纹。     

动扭剪荷载作用下非饱和黄土动力特性试验研究

通过对黄土的动扭剪试验研究了非饱和黄土的动孔隙压力特性、动强度特性以及振陷变形特性。非饱和黄土在动扭剪试验过程中，随着轴向变形的发展，孔隙气压力逐渐上升，而孔隙水压力则基本保持不变或后期略有升高，且非饱和黄土和饱和黄土的强度及变形特性存在明显差异；同时，分析了含水量、固结应力和固结比对黄土动力特性的影响。     

动扭剪荷载作用下粉煤灰动力特性试验研究

通过动扭剪试验研究饱和粉煤灰的动孔隙水压力特性、动强度特性以及振陷变形特性。饱和粉煤灰在动扭剪试验过程中,随着轴向变形的发展,孔隙水压力呈双曲线型逐渐上升,饱和粉煤灰的动强度及变形特性与饱和黄土非常相似;同时,分析干密度、固结应力对粉煤灰动力特性的影响。     

正冻多孔介质耦合模型研究

 通过分析多孔介质孔隙水的相变过程,研究孔隙冰与孔隙水含量随温度改变的变化规律,建立描述冷冻条件下孔隙冰与孔隙水饱和度的数学关系式。通过引入低温多孔介质有效孔隙压力概念,建立基于多孔连续介质力学理论的低温多孔介质孔隙压力变化的耦合模型,提出低温冻结情况下饱和非饱和多孔介质的体积热膨胀系数表达式。应用现有的试验成果论证此研究模型的正确性。研究成果表明建议的模型能够正确地模拟正冻孔隙介质的有效孔隙压力和骨架应力,并能反映冻胀融缩的变形特点,为科学研究低温多孔介质的应力与变形特点提供合理可靠的方法。     

强夯荷载作用下饱和土层孔隙水压力简化计算方法

分析了饱和土层在强夯冲击荷载作用下的内部动应力和孔隙水压力的分布特点。建立了相应的渗透固结方程，并给出其一般解析解．将强夯脉冲荷载看作是一个加荷-卸荷过程。将其离散为若干等辐均布荷载。进而给出一个简化的求解方法。讨论了固结系数，卸荷固结比等土性参数对强夯冲击荷载作用下孔隙水压力增长、消散的影响，分析了透水性质不同的土类孔隙水压力变化的一些特征。为强夯荷载作用瞬间饱和土层的固结变形计算提供了前提条件．     

尾矿细微观力学与形变观测试验装置的研制与应用

 为深入探索筑坝尾矿力学行为与细微观结构的内在联系,自主研发尾矿细微观力学与形变观测试验装置。该试验装置主要由加载试验设备、压力室及附属部件、局部应力监测系统、细微观观测系统4个部分组成。该装置具有如下特点：(1) 所进行的试验能反映尾矿坝体内局部应力、孔隙水与孔隙水压力、排水条件等对其细微观结构及颗粒运动的综合影响;(2) 试验加载条件实现多样化,包括静态加载、静态加卸载、动态加载、动态循环加载等加载形式;(3) 压力仓采用不锈钢筒内嵌玻璃钢筒结构,最大承载压力可达2.5 MPa;(4) 可进行孔隙水流动过程中的孔隙水与颗粒运移形态、细微观结构及其受载形变的观测试验,并能监测孔隙水压力;(5) 可埋设多个土压力传感器于试验尾矿内,实时监控尾矿内局部应力;(6) 细微观观测系统采用自行研制的动态细微观观测装置,调节过程简便且能跟踪点的运动。采用该装置进行荷载为0.3,0.6及0.9 MPa下的尾矿细观观测试验,结果显示：随着荷载的增加与作用时间的增长,尾矿孔隙数量与尺寸减小,颗粒间强结合水受挤压而迁移,形成水膜并逐渐增厚,转化为弱结合水,将颗粒连接成大的块体结构;尾矿沉降位移较大且呈非线性增加,其增量随荷载增加逐次减小;局部应力及细观结构变形表现为下部分滞后且低于上部分,局部应力呈起伏状逐级增长,峰值附近波动很大,沉降位移呈阶梯状增加,稳定后趋于平缓。     

孔隙结构特征及其对岩石力学性能的影响

 以砂岩为研究对象,利用统计学原理和FLAC3D软件重构了三维孔隙模型。在三维孔隙模型的基础上,应用数值模型试验的方法,通过多组孔隙分布特征参数的巴西圆盘劈裂数值模拟试验,分析并探讨了孔隙结构参数(孔隙率、孔径分布和空间位置分布)对孔隙砂岩力学性能的影响。研究结果表明：孔隙率严重地影响着孔隙圆盘模型的破坏状态,孔隙率较小时圆盘以拉伸破坏为主,孔隙率增大时出现拉伸和剪切共同作用的破坏方式。随着孔隙率的增大,圆盘模型的抗拉强度呈指数递减的趋势;随着孔径分布控制参数的减小,圆盘劈裂破坏区域增大且更加分散。当孔隙率较小时孔径分布对抗拉强度有一定的影响;孔隙空间位置的改变对圆盘破坏的影响主要体现在裂纹产生的位置上,没有改变圆盘的破裂方式和裂纹的数目,对圆盘抗拉强度也没有太大的影响。研究结果揭示了孔隙岩石变形破坏的内在机制,为研究孔隙结构参数对岩石物理力学性能的影响提供一定的参考。     

描述饱和土热固结过程的一个非线性模型及数值分析

基于多孔介质热–水–力耦合过程理论模型,给出饱和土的热固结控制方程及状态方程。考虑温度和孔隙水压力对排水模量的影响,建立了弹性模量的非线性表达式。且与已有热固结试验结果进行了对比,计算结果与试验结论基本相符。分析表明:饱和土试样中孔隙水渗透率的变化,对水压力消散及体应变的演化过程有非常明显的影响;等温排水固结过程中固体基质被压缩且体应变的变化较大,而升温不排水过程中固体基质有发生膨胀的趋势;重力影响下,饱和土试样上部体应变较下部体应变大;温度荷载加载等级的增加,使得饱和土试样中不断产生较大的孔隙水压力,且随孔隙水的排出整体平均体应变逐渐增大。     

动荷载下饱水沥青路面黏弹性分析

为深入剖析沥青路面动水损坏机理,基于多孔介质理论,建立饱水沥青路面有限元模型,比较分析面层为弹性和黏弹性,以及面层饱水和表面层饱水的动力响应,并分析孔隙水压力峰值的发展规律和周期荷载对孔隙水压力的影响。结果表明,黏弹性面层的竖向变形和负孔隙水压力较大,正孔隙水压力较小,面层底部未出现水平拉应力;孔隙水压力峰值的大小及出现的位置发生改变,正、负孔隙水压力峰值出现的最终位置分别在底基层内和下面层内;与路面完全饱水相比,面层饱水和表面层饱水的竖向变形较大,面层饱水的面层层底的负孔隙水压力较大,而表面层饱水的表面层底负孔隙水压力较小;周期荷载的作用使孔隙水压力出现明显的周期性正、负交替,面层间的负孔隙水压力峰值变化率较基面层间的大。据此分析得出,面层特性对饱水沥青路面的动力响应有较大影响,面层饱水对基面层的损害严重,沥青路面的水损坏主要发生在面层的中下部。     

两种不混溶流体饱和岩石中弹性波的传播

由孔隙介质多相渗流力学和连续介质理论可知，当多孔介质的孔隙中同时存在两种不混溶流体时，可以通过3个运动方程、2个渗流连续方程以及相应的物性方程来描述其动力特性。基于此，推导并求解了两种不混溶流体饱和多孔介质中全频域波动方程。波动方程推导过程不仅考虑了固体骨架、固体颗粒、不同孔隙流体的压缩性及各相物质间的黏性、惯性耦合，还考虑毛管压力、束缚饱和度及残余饱和度的影响，所以该模型具有较广泛的适用性。研究结果表明，由两种不混溶流体饱和的多孔介质中，同时存在3种压缩波和1种剪切波，各种波的速度和衰减特性将随着频率和饱和度的改变而发生急剧变化。另外，还将此模型的计算结果与已有文献中的试验数据和理论结果进行对比。     

冲击荷载作用下饱和软粘土的一些性状

在己有对饱和软粘土再固结性状研究的基础上，重点讨论饱和软粘土在偏压应力状态下的再固结性状、土性及塑性指数对再固结变形的影响、冲击荷载作用下超固结土的孔压和变形性状、残余孔压与剪应变之间的相互关系及其变化机理、扰动固结问题以及偏压应力状态下地基土沉降和强度计算等问题。     

桩竖向振动引起的饱和土体孔压积累效应分析

 采用一种非耦合分析方法模拟桩竖向振动过程中桩周产生孔压积累现象。首先基于比奥饱和多孔介质理论,考虑桩土间的非完全黏结条件,得到饱和土中弹性支承桩竖向耦合振动稳态孔压振动的解析解,通过卷积方法和数值积分逆变换得到任意次正弦激励作用下的瞬时孔压振荡半解析解。然后利用土动三轴试验得到饱和粉质黏土的残余孔压积累经验公式,以桩侧土剪应变和振次为参数建立桩周残余应变和瞬时孔压时域响应之间的联系,实现桩竖向振动作用下桩周土中孔压积累的模拟。数值计算结果表明,桩土非完全黏结条件下稳态孔压分布和桩周孔压积累均小于完全黏结情况,且受桩土接触刚度和桩底支承刚度的影响显著,此外桩周稳态孔压分布与渗透系数密切相关。     

大型油罐CFG桩复合地基变形与承载性能试验研究

 兰州原油末站大型油罐群,是我国首次在饱和黄土地基修建的大型储油设施。由于天然饱和黄土地基承载力仅为60 kPa,采用CFG 桩复合地基。依托其中一座15×104 m3储油罐工程开展CFG桩复合地基变形与承载特性试验研究。在地基处理范围内埋设土压力盒、孔隙水压计、沉降计等测试元件。现场试验结果表明,CFG桩复合地基承载力特征值达到275 kPa。结合罐体充水试验研究CFG桩复合地基在罐体充水过程中桩土应力、孔隙水压力、沉降及油罐环墙基础变形的变化规律。结果表明,环墙基础最大沉降量为30 mm,最小为11 mm。实测油罐任意直径方向的沉降差最大值为16.0 mm,油罐沿周边弧长方向最大非平面倾斜值为0.002 46。CFG桩桩土应力比随荷载呈增大趋势,在最大试验荷载下达到12.6,油罐底部反力沿半径方向呈“V”型分布。研究表明采用CFG桩处理饱和黄土地基是可行的,试验研究成果对饱和黄土地基修建大型储油罐提供技术依据。