物理化学效应对膨胀土收缩特性的影响机制

膨胀土由于其骨架带有较多的固定负电荷,层间存在与负电荷平衡的可交换阳离子,使得土体呈现较强的胀缩性。研究结果表明,膨胀土的胀缩性会受到孔隙溶液化学成分的影响。选用广西地区的强膨胀土作为研究对象,开展了不同浓度的NaCl溶液对膨胀土土-水特征曲线和收缩曲线影响的试验研究,引入了粒间应力的概念对收缩曲线进行描述,该粒间应力考虑了渗透、毛细和吸附的影响。结果表明:孔隙盐溶液是通过渗透吸力对土-水特征曲线产生影响,对基质吸力的影响较小。土样在脱湿过程中的收缩变形是由粒间应力来控制的,类似于加压固结现象。大部分的收缩都发生在毛细阶段,为弹塑性变形;吸附阶段的收缩较少,为弹性变形。通过识别压缩曲线上的弹塑性分界点可以得出毛细和吸附作用的分界点,该分界点与独立测量的不同密实度下的持水曲线结果一致。结果表明,粒间应力能够更好地描述膨胀土的化学-力学行为,特别是在低含水率条件下。

赋存环境对含甲烷水合物沉积物力学特性的影响

海域水合物沉积物储层的强度与刚度特性对水合物的安全高效钻采有重要意义。为研究赋存环境变化对泥质水合物沉积物抗剪强度特性的影响,基于改进的水合物三轴剪切仪开展了一系列饱水与饱气及地应力条件变化下甲烷水合物沉积物的排水剪切试验。试验结果表明,赋存环境变化对泥质水合物的抗剪强度与刚度产生显著影响。饱水条件下相同水合物饱和度沉积物抗剪强度显著降低,抗剪强度最大降低率达52.0%。赋存环境变化对内摩擦角影响有限,对黏聚力影响显著。与饱气条件下的结果相比,饱水条件下有效黏聚力最大降低率达68.1%,进一步确定了有效黏聚力随水合物饱和度演化的指数方程。水饱和下水合物沉积物的变形模量显著降低,变形模量E_(50)的最大降低比达72.7%;水饱和条件下,变形模量随水合物饱和度的增大呈线性增长。基于气饱和与水饱和条件下水合物沉积物骨架的受力分析,初步揭示了两种赋存环境下水合物沉积物力学特性的演化机制。研究成果可为天然气水合物赋存机制揭示及储层稳定性评价提供基础数据与方法支持。

膨润土吸湿过程中膨胀力演化及水分分布特征

压实膨润土被广泛地用作密封阻隔材料,其膨胀力变化对于工程设计十分重要。采用蒸汽平衡法控制吸力,研究增湿过程中的膨胀力变化规律,并采用核磁共振(NMR)和X射线衍射(XRD)技术,分析吸湿过程中土体水分分布状态与宏观膨胀行为的关联机制。结果表明,在控制湿度条件下,随着吸力降低,膨胀力先线性增加后稍稍降低;当吸力超过21.8 MPa后,不同干密度试样的含水率基本一致,在低吸力段,含水率随干密度降低而增加;吸湿过程中膨润土矿物晶层间逐层吸水,形成不超过2层水分子厚度吸附水;利用T2分布曲线计算了不同干密度试样的吸附水和毛细水含量,发现膨润土中主要为吸附水,存在少量毛细水(<5%)。分析认为,在吸湿过程中,水分首先吸附到层间区域,膨胀力线性增加,当形成少量毛细水后,颗粒滑移导致膨胀力降低。即,膨胀力的演化在高吸力下受层间水合作用控制,在低吸力下受孔隙结构变化影响。

阳离子交换量和盐溶液浓度对膨润土膨胀变形的影响

膨润土遇水产生的膨胀变形以及膨胀力是由于颗粒间的斥力引起的,而该斥力大小与土体的固定负电荷密度(采用阳离子交换量CEC来表征)以及孔隙溶液的浓度有关,已有的对膨润土膨胀变形研究多针对孔隙溶液而非土体的阳离子交换量。现以钠基膨润土为研究对象,采用Li+固定法来控制膨润土的固定负电荷密度,以达到降低膨润土阳离子交换量的目的,再采用Li Cl为盐溶液,获得了上述不同阳离子交换量的膨润土在不同浓度的盐溶液作用下的膨胀指数。结果表明:随着溶液浓度升高,土样的膨胀指数降低;当浓度小于1 mol/L时,下降较为显著,之后则缓慢降低;随着阳离子交换量的减少,土样的膨胀指数也呈降低趋势。这是因为土颗粒的阳离子交换量和溶液浓度是影响土样与孔隙溶液物理化学作用的决定性因素,阳离子交换量越小,浓度越高,土颗粒之间的斥力降低,土样的膨胀指数则会降低。采用考虑颗粒间物理化学作用的粒间应力来描述试验结果,表明对于该种膨润土来说,不同阳离子交换量以及不同盐溶液作用下的回弹变形和回弹应力几乎在一条曲线上,这也进一步验证了粒间应力在膨胀土模拟中的有效性和适用性。

天然气水合物开采的土力学问题:现状与挑战

有效确定含天然气水合物(以下简称水合物)沉积物的工程力学特性并厘清其随水合物分解过程的变化规律,是实现水合物安全、高效开采的前提和保证。为此,围绕水合物开采过程所涉及的关键土力学问题,从物理力学特性的关键测试技术、沉积物的力学特性、含水合物沉积物的物理力学模型、水合物开采过程土力学多场耦合数值模拟等方面,分析和评述了国内外最新相关研究现状、存在的缺陷与不足,进而探讨了上述研究方向未来的发展趋势。结论认为,尽管经过20多年来的发展,有关水合物开采的理论、方法和技术均取得了显著的进展,但从岩土力学的角度来看,目前仍然面临着以下挑战:①大尺度含水合物沉积物试样的人工制备;②含水合物沉积物微细观组构的精细探测与定量表征;③组构变化对含水合物沉积物力学特性的影响机理与规律;④开采扰动下,流沙发生的条件及对储层稳定性的影响机制;⑤开采扰动下,多相多组分含水合物储层的多过程耦合问题;⑥水合物分解/生成条件下,含水合物沉积物的本构响应;⑦有关水合物开采过程数学模型的适定性问题;⑧高效稳定的水合物开采过程数值模型的全耦合解法。

饱和砂土的非稳定性

砂土的非相关塑性流动可能导致介质本身的失稳和问题解的非唯一性。然而，无论是Ｄｒｕｃｋｅｒ或Ｈｉｌｌ的假设，都只能给出介质稳定的充分条件。本文首先分析饱和砂土的非相关流动特性，利用局部屈服面和局部塑性势面的概念，分析得出饱和砂土稳定的充分必要条件；然后给出不稳定区域在应力空间的具体位置。文中提出的“不稳定线”与“崩塌面”相一致，表明了它在海底稳定性分析中有着广泛的实践意义。

中国天然气水合物赋存特征

中国陆上冻土区和海域深水区都拥有丰富的天然气水合物(以下简称水合物)资源,二者虽在同盆共生、运聚机理上有相似之处,但差异也十分明显。为了给地质-工程-环境一体化开发水合物提供准确的基础地质数据,从构造与沉积、地温、热流、地球化学、地球物理响应、赋存类型、孔渗、力学强度、饱和度等9个方面,对比分析、总结了二者在分布规律与赋存特征上的差异性。研究结果表明:①陆上冻土区水合物主要赋存于中生代地层,以热成因气为主,受断层裂隙构造控制,具有较好的圈闭条件,其储层温度、地温梯度、热流、压力表现为“四低”特征,水合物多数分布在砂岩孔隙和泥页岩裂隙中;②陆上冻土区水合物测井响应总体显示“两高两低”特征(高电阻率、高波速、低自然伽马、低密度),储层岩石力学强度高,具有低孔隙度、低渗透率和低水合物饱和度特征;③海域水合物主要赋存于新生代第四纪地层,热成因或生物成因气皆有,受泥底辟、气烟囱、断层裂隙控制,无明显圈闭,其储层温度、地温梯度、热流和压力表现为“四高”特征;④海域水合物多数分布在富含有孔虫的黏土质粉砂和粉砂质黏土中,地震反射波显示明显的BSR特征,测井响应则总体表现为“两高”特征(高视电阻率、高波速),其储层沉积物力学强度低,具有高孔隙度、低渗透率和相对较高的水合物饱和度。结论认为:①海域是中国水合物富集的主要区域,后续应突破海域水合物甜点识别与评价技术,统筹考虑整个水合物油气系统的资源禀赋特征;②应重点攻关水合物储层精细表征技术和富集矿体-储层系统的精细刻画,加强海陆联合和全球比对研究。

冻土未冻水含量的低场核磁共振试验研究

采用低场核磁共振技术测试了冻融循环过程中不同土质、不同Na Cl离子浓度饱和试样的未冻水含量,结合T2分布曲线从微细观角度分析了冻融过程中未冻水在孔隙赋存分布情况。试验结果表明:冻结过程可分为过冷度段、快速下降段、稳定段3个阶段,而融化过程仅存在稳定段、快速融化段,并不存在与过冷现象对应的过热现象。冻结时大孔隙的水首先冻结,而融化时孔隙水的增加却是从小孔隙开始的,这是由水分热动力学势能的差异导致孔隙水冻结和融化在时间上的有序性。并且分析了冻融循环中土质类型、离子浓度对未冻水含量的影响,以及探讨了冻融过程出现的滞后现象的原因。

水合物形成对含水合物砂土强度影响

采用非饱和成样法(A法)和饱和试样气体扩散制样法(B法)两种试验室方法,合成了含CO2水合物的砂土试样,并采用改造过的三轴剪切试验仪完成了相应的三轴剪切试验。实验结果表明:A法制得试样强度和刚度随水合物饱和度增大而增大,且相当敏感;而B法制得试样在水合物饱和度为19.44%与纯砂土的力学特征差别很小,在较高饱和度(26.73%)时,含水合物砂土的强度和刚度就有了较为明显提高;由此可以得出含水合物砂土的强度特征是水合物含量和水合物于砂土中赋存状态联合决定的;同时也发现随着水合物饱和度的增大,试样的剪胀性越来越明显。最后,通过对A法制得试样的强度参数分析表明:含水合物砂土的黏聚力随饱和度的增大而提高,而摩擦角基本不变。

红黏土的土水特性及其孔隙分布

以桂林红黏土为研究对象,采用压力板法、滤纸法和饱和盐溶液蒸气平衡法3种方法研究在全吸力范围内原状样和压实样的土水特性,并结合压汞试验研究其孔隙分布。试验结果表明:当吸力约小于10 MPa时原状样的土水特征曲线略低于压实样,主要原因是原状样内部裂隙随吸力的增加而不断发展;当吸力约大于10 MPa时两者的土水特征曲线几乎重合。原状和压实桂林红黏土样的土水特征曲线与典型的土水特征曲线不同,即在过渡段均不是单一直线。此外,原状样为单峰孔隙结构,压实样则为双峰孔隙结构,原状样的最终收缩变形量比压实样大。不同干密度的压实样内部颗粒间孔隙分布几乎相同,而积聚体间孔隙或积聚体内孔隙相对较大孔隙存在差异;由此可解释在高吸力范围内不同干密度压实样的含水率与吸力关系土水特征曲线几乎重合;以饱和度与吸力关系表示时,干密度越大,土水特征曲线越高。

直剪剪切速率对粗粒土强度与变形特性的影响

土体的强度和变形对路基及边坡的稳定性具有控制作用,为分析剪切速率对粗粒土抗剪强度和变形特性的影响,基于THE-1000型室内大型直剪仪,对不同剪切速率下粗粒土的强度和变形特性进行试验研究。试验数据表明:不同剪切速率时的剪应力–剪切位移曲线均呈应变软化型;剪切速率为小于5 mm/min时,粗粒土强度理论公式拟合相关系数比较理想;随剪切速率的增加,内摩擦角有减小的趋势,约在27.8°～22.8°内变化,咬合力在90.3～112.2 kPa范围内振动变化;颗粒破碎率和最大垂直变形随着剪切速率减小或垂直压力增加而增大,即剪切速率越小越容易发生剪缩;剪切速率小而抗剪强度高的本质原因是:破碎后的细颗粒填充了由粗颗粒构成的土骨架孔隙,造成试样的密实度增加。

土的冻结温度与过冷温度试验研究

通过不同降温条件的冻结试验,明确了土中出现过冷的条件。当环境温度高于土的最低过冷温度时,土表现出稳定的过冷状态;当环境温度低于最低过冷温度时,边界出现短暂过冷,而土样内部不出现过冷。通过分级降温的方法测定了不同含水率的粉质黏土和细砂以及不同Na Cl浓度的粉质黏土的冻结温度和最低过冷温度。当含水率等于或高于饱和含水率时,含水率对冻结温度影响不大;当含水率低于饱和含水率时,冻结温度随含水率减小而降低;不同含水率土样的最低过冷温度相差不大;冻结温度降低随Na Cl浓度增大的比例系数与理想稀溶液中水的凝固点降低系数非常接近。结合稳定冻结时间、冻结温度、环境温度或最低过冷温度引入了能间接反映自由水含量的指标。

孔隙溶液浓度的变化对黏土强度的影响

孔隙溶液的变化对土体的强度具有重要作用,为了分析孔隙溶液浓度的变化对黏土的有效强度及黏土颗粒微观结构的影响,基于应变控制式室内直剪仪和电镜扫描技术,对采用不同浓度Na Cl溶液饱和的重塑土样进行强度和微观试验研究。试验结果表明孔隙溶液浓度的变化对土体黏聚力有很大影响,随着Na Cl溶液浓度的增加,黏聚力呈现降低趋势,当Na Cl孔隙溶液达到0.1 mol/L时,黏聚力出现负值。黏聚力主要来源于颗粒间物理化学作用力对颗粒移动的阻碍作用,当黏土孔隙中的Na Cl溶液浓度增加时,颗粒间斥力减小,颗粒变的易于移动,黏聚力下降。同时由于土中真实孔隙水压力的存在,使得黏聚力呈现负值。另外,通过电镜扫描对土体微观结构的探测表明,用Na Cl溶液调拌的土样主要以凝聚结构为主,而用去离子水调拌的土样主要以集聚结构为主。

考虑损伤的含天然气水合物沉积物本构模型

对含天然气水合物沉积物施加荷载后,其内部固体颗粒间将会发生错动、滑移及滚动,当荷载较小时,沉积物表现为弹性变形;随着荷载的增大,内部将出现塑性流动,水合物晶体重新定向,此时沉积物表现为塑性变形;随着荷载的进一步增大,最终导致沉积物发生破坏,这一过程可以看作是沉积物内部损伤产生和逐渐发展的过程。从复合材料的细观力学机制出发研究含水合物沉积物的材料特性,得到等效弹性常数与水合物含量之间的关系;同时基于损伤力学理论,推导出损伤变量的表达式,建立考虑损伤的含天然气水合物沉积物的本构模型。通过比较不同水合物含量下的计算结果与试验结果,结果表明,所建模型能较好地反映含天然气水合物沉积物的应力–应变关系,验证了模型的可行性。

不同水合物含量含二氧化碳水合物砂三轴试验研究

天然气水合物是一种战略性替代能源,又是全球气候环境问题和地质灾害的诱发因素之一。研究含天然气水合物沉积物的变形和强度等力学特性成为保障天然气水合物开发利用中工程与环境安全的重要一项研究内容。通过不同初始含水率控制试样的水合物含量的方法,开展不同水合物含量的粉质砂的三轴剪切试验,研究水合物含量对赋存介质的强度与变形特性的影响。试验结果表明,水合物在砂样中的填充与胶结作用,使得含水合物试样的剪切模量明显增加,进一步采用双曲线模型对各试样初始模量的计算与分析后发现,相同净围压下,随着水合物含量增加,试样的初始剪切模量具有上升趋势,但上升趋势变缓;试样强度随水合物含量增加而增大,但水合物含量高的试样破坏峰值强度与净围压并不是线性关系,净围压越大其峰值强度相应偏小;通过摩尔-库仑定律得出的试样强度指标可知,试样内摩擦角随水合物含量增加而增大,但增加幅度不大,但水合物含量31.0%和51.0%试样的与含水合物0%和19.7%试样相比,前2组试样具有较大黏聚力c值。因此,水合物对试样强度增长的贡献主要是其在试样中的胶结作用产生,且其对强度影响还受含量和赋存形态的控制。

粉质黏土强度指标的水化学敏感性研究

通过对重塑粉质黏土的液、塑限和固结慢速直剪试验,探讨了粉质黏土液限、塑性指数及抗剪强度与不同浓度Na Cl孔隙溶液的关系。试验结果表明,随着孔隙溶液浓度增加,液限随之减小,塑性指数表现出粉土的性质;不同竖向正应力下的强度随浓度变化表现出较大的差异,正应力较低时,强度不断减小,而正应力较高时,则强度不断增大,正应力介于二者之间强度则先降后升;内摩擦角随浓度增加而增大,最终趋于稳定;黏聚力先迅速减小后逐渐回升,且均为负值。其性质变化主要是因为扩散双电层、颗粒间作用力以及孔隙比发生了改变。基于Terzaghi的有效应力原理,对饱和粉质黏土固结慢速直剪试验测得的负值黏聚力进行了分析和讨论,认为渗透压力对黏聚力起了非常重要的作用,从而使黏聚力成为负值。

饱和粉土冻结过程中的水分迁移试验研究

改变边界温度和土样高度,对饱和粉土进行了冻结试验,研究其水分迁移、水分重分布、冻胀和冰透镜体的发展规律。试验结果表明:当温度稳定时,水分持续迁移到冻结锋面附近,含水率急剧增大,易形成冰透镜体。饱和粉土冰透镜体几何形态较为规则,无枝状交叉结构,已冻土为整体状且无网状裂隙。冻结过程中存在起始冻胀时间,在起始冻胀时间之前,土中水分被排出,冻胀发生之后水分补给到冻土中,且补给水分产生的冻胀量和总冻胀量数值接近。土样高度影响水分迁移量和冻胀量,土样越高,冻胀量越小,冻土含水率增量越小,但水分增量分布区域越分散,且起始冻胀时间越长。

饱和度对风化花岗岩边坡土体抗剪特性的影响

强降雨易诱发风化花岗岩边坡浅层滑坡,其滑坡滑动面多位于具有较大孔隙尺寸的强风化带。通过对广西玉林与梧州交界处风化花岗岩边坡浅层滑坡的现场勘查和对不同层位的土体进行物理力学试验,研究了饱和度对湿热地区风化花岗岩双层土质边坡抗剪强度的影响,发现两个风化带土体都存在一个"最优饱和度"使抗剪强度达到峰值,但饱和度对抗剪强度指标的影响规律不同,即饱和度对黏聚力影响很大,对内摩擦角影响很小;花岗岩全风化带与强风化带土体性质差异明显,尤其表现在饱和度影响下抗剪强度特性方面,从基质吸力理论和颗粒间胶结作用角度分析所发现的现象,可以清楚地解释产生差异的机制,为风化花岗岩边坡的开挖和滑坡的防治提供理论基础。

低场核磁共振在研究四氢呋喃水合物形成过程中的应用

目前关于含四氢呋喃(THF)水合物形成过程的研究多采用间接法,由于这些方法都不是直接测量反应物或生成物的量,其研究结果受实验环境、仪器精度以及计算误差的影响较大。为此,突破传统的检测技术手段,采用低场核磁共振技术研究了19%THF水溶液从室温开始到水合物形成过程中试样的T2时间(氢核横向弛豫时间)分布和核磁总信号量随温度的变化,以探讨THF水合物形成过程的特征。实验结果表明:T2分布和核磁总信号量均与温度有较好的相关性,说明THF水合物的生成与温度密切相关。根据核磁总信号的变化将THF水合物的整个生成过程划分为4个阶段:初始期、诱导期、加速生长期和稳定期:在诱导期阶段的物质组成具有随机性,有水合物簇出现,但这些水合物簇不稳定,随机的分解和长大,导致此阶段的核磁总信号有一定的波动。当经过诱导期后,水合物簇尺寸达到晶核临界尺寸,水合物开始大量生成。且随着水合物的生成,THF溶液逐渐消耗,生成速度逐渐变慢,直到达到稳定期。

一种测定非饱和土-水力学参数的方法

详细介绍了非饱和土-水力学参数联合测试系统,该系统分别利用轴平移技术和达西定律测定非饱和土土-水特征曲线和水相渗透系数。通过试验结果对比可以发现,由联合测试系统确定土-水特征曲线与压力板仪溢出水校正称量法确定的土-水特征曲线接近,但由联合测试系统确定的试样残余含水率比使用压力板仪溢出水校正称量法确定的试样含水率要小;由联合测试系统确定的渗透函数,当饱和度较大时,实测值与模型预测值较为接近;当饱和度较小时,实测值与模型预测值相差较大。