列车荷载作用下饱和路基翻浆冒泥特性研究

研究目的:重载列车轴重的提高增大了路基不同深度处的动应力,由此引发的翻浆冒泥等病害日益严重。本文开展精细化模型试验,针对重载列车荷载作用下饱和粉质黏土路基的翻浆冒泥特性进行研究,分析循环荷载幅值及加载频率对试样轴向应变、超孔隙水压力及细颗粒迁移特性等性质的影响。研究结论:(1)循环荷载幅值对粉质黏土路基翻浆冒泥特性具有显著的影响,随着循环荷载幅值的增加,试样产生的轴向应变及超孔隙水压力增大,路基翻浆冒泥程度也不断增加;(2)加载频率对路基翻浆冒泥特性有一定影响,随着加载频率的增加,试样的最终轴向应变及超孔隙水压力均有所减小,试验结束后翻冒的泥浆质量减少;结合试验现象来看,加载频率的增加并不能加剧翻浆冒泥的程度,但能显著缩短翻浆冒泥发生的时间;(3)循环荷载作用下路基内部的超孔隙水压力梯度驱动路基土体细颗粒迁移,从而产生翻浆冒泥病害;(4)本研究成果可为重载铁路路基翻浆冒泥病害的整治提供参考。

基于水气两相流理论的降雨入渗强度调控方法研究

降雨入渗强度是海绵城市建设中的关键指标,入渗强度受土体渗透性和驱动力的联合控制,但以往多关注前者,而较少研究驱动力的调控方法。因此,结合土柱降雨入渗模型试验和数值模拟,探究孔隙气对雨水入渗的驱动效应。通过对试验模型底部进行抽气、注气调控土体内部气压力,发现雨水入渗强度对孔隙气压力具有显著依赖性;底部注气增压时,气压力梯度与入渗方向相反,阻滞雨水入渗;而抽气减压时,其与入渗方向相同,驱动雨水入渗。通过模拟底边界不同气压条件的入渗过程,发现在抽气减压条件下入渗强度与底边界气压力呈线性关系。因此,改变孔隙气压力能调控雨水入渗,特别是在抽气减压条件下降雨入渗强度明显增大,为海绵城市的建设及城市内涝的治理提供了一种新思路。

梯度孔结构空心ZSM-5分子筛构筑与催化裂解性能

合成内部富硅表面富铝的母体ZSM-5分子筛,采用不同浓度的氢氧化钠溶液处理制备了晶体壳层厚度分别为80、40、20和10 nm的空心介孔ZSM-5分子筛;通过X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射光谱(XRD)、透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、氨气程序升温脱附(NH3-TPD)、吡啶红外吸附(Py-FTIR)、N_(2)吸附-脱附曲线等对ZSM-5分子筛样品进行物化表征;并以正辛烷和十氢萘作为模型化合物,在反应温度550和600℃、进料速率0.8 g/min、进料时间150 s、剂/油质量比0.25条件下考察不同分子筛催化烃类裂解反应性能的差异。结果表明,催化裂解反应中,壳层厚度为20 nm的空心介孔分子筛(HZ5-AT3)具有更高原料转化率和低碳烯烃收率,这归因于微孔-介孔-大孔梯度孔分布的空心介孔分子筛可同时提供丰富的酸中心和多方位的扩散路径,提高了分子筛活性中心的可接近性,进而促进了大分子烃类的裂解反应。

地下水位升降过程中的黏土地基孔压变化试验研究

季节性丰枯水期和暴雨导致的地下水位升降是否会导致黏土地基中的地下结构上浮失效是目前备受关注的问题。采用研制的装置开展试验,参照3个深度处土体的应力状态,先对黏土试样施加初始固结压力和水压使其达到对应深度处的自重应力,后增减水压模拟水位上升、回落和下降。结果表明:当水位上升时,孔压随着时间的延长而增大,15 h后进入稳定状态,并在达到理论孔压的92%以上后缓慢增长,最后接近理论值,最终与理论值最大相差5%;当水位回落和下降时,孔压随着时间的延长而减小,15 h后进入稳定状态,在达到理论孔压的97%以上后缓慢降低,最终与理论值最大相差4%。测试结果的进一步分析发现,当水力梯度为0.07~4.40时,孔压处于稳定状态,土体越密实,孔压稳定时的水力梯度越大,而实际工程中20%幅度的升降水位形成的水力梯度约为0.067,未达到引起孔压变化的下限值,故其短期内对基底水压基本没有影响,地下结构不会上浮。

激光选区熔化制备梯度多孔镍电极及其电解水制氢性能

镍是目前应用最广泛的碱式电解水制氢电极材料之一。对镍电极进行多孔化处理,可有效提高其析氢效率并降低制氢能耗。然而,现有报道仅研究了孔隙率、平均孔径等对电极析氢性能的影响,缺乏针对梯度多孔电极孔隙尺寸和分布等影响的研究。为此,设计了4组具有不同孔隙尺寸和排布方式的多孔电极模型,并且采用激光选区熔化技术制备高精度成型电极样品,表征了样品的表面形貌、截面微观组织、电化学性能及稳定性,深入分析和研究了样品的析氢性能。结果表明,4组样品均呈现出粗糙微观表面,为析氢反应提供更多的活性位点。所有样品均表现出优异的电解稳定性,经测试后未见明显的性能衰减。梯度多孔结构有利于气液传质,减小气泡层电阻,降低析氢过电位。当电流密度为10 mA∙cm^(−2)时,梯度多孔样品的析氢过电位虽仅为406 mV,但气液传质效果较差,而气泡层电阻较大的均匀多孔样品的析氢过电位却高达766 mV。梯度多孔结构的构筑可显著提高镍电极的析氢动力学特性,梯度多孔样品的Tafel斜率最低为129 mV∙dec^(−1),明显低于均匀多孔电极的Tafel斜率168和211 mV∙dec^(−1)。析氢过程受Volmer步骤控制,尽管镍电极析氢动力学特性得到提升,但并未改变镍电极的析氢机理,所有样品的Tafel斜率均高于120 mV∙dec^(−1)。因此,引入梯度多孔结构可有效降低镍电极材料的析氢过电位,提升析氢性能。本研究为镍电极的结构优化设计及析氢性能的提升,提供了新思路。

梯度多孔结构钛合金力学性能分析

提出孔径梯度三周期极小曲面(TPMS)多孔结构参数化设计方法,基于螺旋二十四面体(Gyroid)单元构建孔隙率分别为30%、45%、60%和75%的径向和轴向梯度TPMS多孔结构模型。对模型进行有限元分析,根据分析数据建立Gibson-Ashby模型。采用选择性激光熔化成形技术制备孔隙率为60%和75%的多孔结构TC4钛合金样件,采用有限元仿真和压缩试验数据分析孔隙率和孔径梯度方向对多孔结构样件力学性能的影响。Gibson-Ashby拟合曲线表明:随着孔隙率的增大,多孔结构样件的力学性能下降;在相同孔隙率下,径向梯度多孔结构样件的力学性能优于轴向梯度多孔结构样件。压缩试验结果表明:孔隙率为60%的多孔结构样件,其力学性能优于孔隙率为75%的多孔结构样件;在相同孔隙率下,径向梯度多孔结构样件的力学性能优于轴向梯度多孔结构样件。

低渗致密储层微纳米孔喉分布及其对渗流的影响

低渗-致密储层微观孔喉分布有较大差异,导致其渗流特征亦有明显不同。将室内实验与油藏工程计算相结合,定量研究了低渗-致密储层微纳米孔喉分布特征及其对渗流的影响。结果表明:1)孔喉半径小于1μm的孔喉体积占总孔喉体积的主体;2)岩心渗流特征曲线呈非线性渗流规律,渗透率降低,启动压力梯度显著增大,附加渗流阻力占总渗流阻力的比例也增大,研究物性范围内,附加渗流阻力占比均大于50%,渗透率为0.4 mD时,附加渗流阻力占比可达84.8%;3)微纳米孔喉的存在使得油井泄油半径降低,渗透率为0.4 mD时,极限泄油半径仅28.5 m,制约了井间及压裂水平井段间原油的动用。该研究成果可为认识低渗-致密油藏流体渗流规律和制定合理开发方案提供指导。

一种电推进用多孔不锈钢微型气体节流器的研制

采用选区激光烧结不锈钢球形粉末,结合磁控溅射纳米覆膜技术和老化热处理,实现了微型气体节流器X轴与Y轴气流方向的孔隙可调控,Z轴方向致密度达100%。这种梯度孔隙结构节流器的节流效果明显。当推进器进口氙气压力为0.2 MPa时,阻流端出口氙气流速达到9.6 mL/min,气体流量控制精度高、稳定性好,达到了航天推进系统中10 W~100 kW推力器对氙气流速9.5 mL/min的要求。

生物炭对土壤和孔隙水性质以及Zn形态的影响

为了探究施用生物炭后土壤性质和重金属形态随时间变化过程,通过5种矿区土壤的玉米(Zea mays L.)盆栽实验,研究施用生物炭后土壤和孔隙水性质、梯度扩散薄膜(diffusive gradients in thin films,DGT)技术测定的Zn浓度(CDGT-Zn)和欧共体标准物质局共识(Bureau of Community right-to-know,BCR)有效态Zn含量(弱酸提取态Zn^(+)可还原态Zn,C_(BCR-Zn))随时间变化的过程。施用生物炭后,随土壤培养时间的增加,土壤阳离子交换量(cation exchange capacity,CEC)增加了20.35%~65.65%,孔隙水pH上升0.34~1.02个单位,溶解性有机碳(dissolved organic carbon,DOC)浓度CDOC先升后降,最终下降了8.21%~33.23%,孔隙水Zn浓度(C_(pw-Zn))下降了17.46%~49.67%,C_(DGT-Zn)、C_(BCR-Zn)分别下降了18.64%~50.00%、23.33%~64.71%。随玉米栽培时间的增加,土壤CEC增加了7.94%~28.97%,C_(DOC)、C_(pw-Zn)、C_(DGT-Zn)、C_(BCR-Zn)分别下降了10.43%~41.26%、9.62%~34.21%、10.42%~30.70%、14.68%~61.62%,孔隙水pH无明显变化。生物炭能明显改变土壤和孔隙水性质,降低Zn的生物有效性,从而降低土壤中过量Zn对玉米的危害。

基于微观孔喉结构的剩余油形成机理与动用界限研究

根据剩余油形成机理与动用界限提出相应开发策略,对改善高含水期开发效果具有重要意义。首先,利用岩心驱替实验与T2谱相结合方法,分析了高倍数驱替下剩余油在不同孔喉半径中的分布规律;然后建立大、小孔喉微观并联模型,应用伯肃叶流动方程,揭示了原油在小孔喉中的滞留机理及临界驱替压力梯度;最后将大、小孔喉转化成油藏尺度下的高、低渗流层,考虑启动压力梯度,采用迭代法确定了滞留剩余油动用技术界限。结果表明,随着驱替倍数的增加,半径大于50μm大孔喉中的原油不断驱出,水相逐渐变为连续相,明显干扰半径10~50μm小孔喉中的原油流动,从而小孔喉形成“注水绕流式”滞留剩余油;此时小孔喉平均半径为35μm,对应的临界驱替压力梯度为0.06 MPa/m;确定剩余油有效动用技术界限,随着驱替压力梯度增大,驱油效率增加速度先加快后变缓。渤海SZ油田高含水期采取水平井联合定向井分层系开发模式,驱替压力梯度提高1.8倍,采油速度提高0.8个百分点,水驱采收率提高16.8个百分点,极大改善开发效果,进一步发展和丰富陆相稠油油田高效开发理论。

煤系致密砂岩储层注CO_(2)启动压力梯度动态规律

致密砂岩中气液渗流的启动压力梯度(TPG)随岩石有效应力变化而动态变化,即动态启动压力梯度效应,其动态变化特征受孔喉结构控制。为了认识煤系致密砂岩多层合注CO_(2)开发过程中储层启动压力梯度动态规律,通过对不同物性岩心进行不同有效应力下TPG的测试,基于分形方法定量研究岩石孔喉结构及渗透率对动态TPG的影响规律,建立动态TPG的计算方法,并计算储层注CO_(2)动态和常规固定启动压力及造成的产能损耗。研究结果表明:致密岩石有效应力由1 MPa增加到29 MPa,TPG随有效应力呈现对数上升增加趋势,增加幅度为31.2%~120.1%。低应力下TPG取决于岩石渗透率,随渗透率整体呈乘幂下降趋势,孔喉结构分形维数控制动态TPG应力敏感性,岩石孔喉结构分型维数与TPG敏感性系数呈乘幂上升趋势;较大的注入压力和较小的注采井间距将减小动态TPG效应造成的额外附加压力消耗,减弱启动压力引发的层间干扰,根据固定TPG计算的储层最小有效注入压力偏小32.8%~69.6%,储层孔喉结构越复杂,估算值的偏差越大,注入压力增加到29 MPa时动态启动压力下降3.4~7.4 MPa,动态启动压力导致的额外附加压力损耗为1.0~5.8 MPa,相同注入压力下动态与固定TPG影响下的注入CO_(2)波及范围差异为40.5%~51.3%;最大注入压力下动态TPG造成的储层产能损耗为24.6%~65.3%,比固定TPG大4.1%~21.1%,储层岩石孔喉结构越复杂,注入压力越低,动态TPG造成的额外附加产能损耗也越大。煤系致密砂岩多层合注CO_(2)开发时,应避免储层压力衰减至较低值,采用较大的注入压力和较小的注采井间距,减小动态启动压力梯度效应造成的附加额外产能损耗,同时减缓层间干扰,提高多层合注CO_(2)开发效果。

非均匀孔隙压力下水压致裂的数值试验

运用数值试验方法研究了非对称分布的孔隙压力梯度下水力压裂裂缝的扩展行为 ,数值试验再现了孔隙水压作用下岩石微破裂诱致宏观破坏的演化过程·数值试验结果表明 ,水力压裂裂纹的扩展不仅受到裂纹尖端局部孔隙水压力大小的影响 ,同时也受控于宏观上孔隙水压梯度分布 ,在扩展方向上致裂裂纹往往偏向于高孔隙压力的区域 ,并且其压裂压力随着局部孔隙压力的增大而降低 。

梯度孔径FeAl金属间化合物多孔材料的制备与性能

先以Fe、Al元素粉末为原料,采用偏扩散/反应合成-烧结工艺制备FeAl金属间化合物多孔材料支撑体,再用粉末湿法喷涂技术将羰基Fe-25Al混合粉喷涂于支撑体表面,经过压制和真空烧结,获得具有梯度孔径的FeAl多孔材料。通过XRD、SEM等测试手段对烧结后的支撑体以及孔结构性能进行表征,并研究压制压力对FeAl多孔材料孔结构性能的影响。结果表明,梯度孔径FeAl多孔材料的最大孔径、透气度及开孔隙度都随压制压力升高而减小。但相对于支撑体,涂层压制压力为120 MPa时最大孔径和透气度分别减小76.46%和32.86%,而开孔隙度略有增大。

孔梯度陶瓷的制备及生物挂膜试验的研究

以系列孔径分布的孔梯度陶瓷作为一种高效过滤材料。试验表明:这种固定化生物膜处理的孔梯度陶瓷,具有孔隙率高,比表面积大,挂膜性能好,压力损失小,较高传递速率和介质传质效率。

塔里木盆地碎屑岩优质储层特征及成因分析

塔里木盆地碎屑岩储层发育,主要分布于石炭系底部的东河砂岩,三叠系、侏罗系底砂岩和白垩系、下第三系底砂岩等。碎屑岩储层以孔隙型占绝对优势,少量裂缝型;孔隙有两种类型,中生界以上地层以原生孔为主;古生界则以次生孔为主,次生孔中以粒间溶孔和粒内溶孔为主。成岩作用类型多,但以表生淋滤作用、低成熟有机释放酸的溶蚀作用和深层热化学硫酸盐还原反应产生部分酸的溶蚀和沉淀作用对储层物性影响最大。对塔里木盆地碎屑岩深埋优质储层成因进行了探讨。认为塔里木盆地具特殊的地质条件,低的地温梯度,新第三纪后的快速沉降短期深埋,酸性地层水对岩石颗粒和基质的溶蚀,多次构造运动形成不整合面和断裂系统改善了储集层的性能,有利的沉积相带为优质储层发育提供了良好的物质基础。

基于灰度-梯度特征的改进FCM土壤孔隙辨识方法

土壤孔隙的拓扑结构决定了土壤水分保持和传导能力,对土壤生态过程与功能具有重要影响,但现有土壤孔隙辨识方法存在孔隙边界判别不准确和运行效率较低的问题。为解决这一问题,提出一种基于土壤CT图像灰度-梯度特征的改进模糊C均值(GFFCM)孔隙辨识方法。该方法利用拉普拉斯算子建立灰度-梯度二维特征矩阵,并结合土壤相关先验知识分区构造初始隶属度矩阵和确定聚类数目;然后,基于初始条件实现土壤结构的模糊划分;最后,运用孔隙辨识准则对模糊聚类结果进行优化,完成土壤孔隙结构的精准辨识。以非饱和土壤CT图像为应用对象验证孔隙辨识方法的性能,通过与传统FCM法、快速FCM法(FFCM)的比较,表明GFFCM法有效克服了传统FCM法在隶属度矩阵和聚类数目初始化的不足,解决了初始值制约辨识精确度的问题,在保证孔隙辨识精度的前提下具有较高的执行效率。

颗粒级配对氧化铝多孔陶瓷膜支撑体孔径及抗折强度的影响

探讨了三种粒径的α-Al2O3(粗颗粒、中颗粒和细颗粒)的颗粒级配和工艺条件对多孔陶瓷膜支撑体的孔径、孔隙率及其抗折强度的影响。结果表明:粗α-Al2O3颗粒(d50>29μm)对多孔陶瓷的孔径分布起决定性作用,中、细颗粒的比例在一定程度上影响支撑体的孔隙率和抗折强度。SEM结果显示,经1650℃煅烧2 h后,细α-Al2O3颗粒(d50<1.6μm)迁移至粗α-Al2O3颗粒间的颈部而基本消失,在一定程度上提高了颈部连接。在合适的颗粒堆积条件下,细颗粒有助于提高多孔陶瓷的抗折强度。但是,团聚的细α-Al2O3颗粒间优先烧结,不利于细颗粒的助烧增强作用。

石英孔梯度陶瓷材料的孔结构控制工艺研究

以长江沿岸低品位石英砂为主要原料,采用真空烧结制备石英孔梯度多孔陶瓷材料,为新型保温材料的开发提供参考。结果表明:当水料比为1.0时,石英孔梯度陶瓷坯体的成形性及气孔分布较好;石英孔梯度陶瓷的气孔率随烧结温度的升高而先变大后变小,其最佳烧结温度为1 100℃;烧结材料的密度为1.343 g/cm3,气孔率为48.7%,抗压强度为7.071MPa,孔梯度结构过渡均匀。

致密油储层边界层影响因素及渗透率下限实验

致密油储层渗透率极低,孔喉结构复杂,半径较小,边界层的存在都会进一步增大渗流阻力,对储层渗流影响较大。为了研究致密储层边界层的影响因素,首次采用N2驱替的实验方法,分析了压力梯度、孔喉半径和渗透率与边界层的关系。研究结果表明:随着压力梯度和渗透率的增大,边界层厚度和边界层厚度占用率均呈幂率递减,对储层渗流影响也逐渐减弱;随着孔喉半径的减小,边界层厚度先增后减,存在一个极大值,但随着边界层厚度占用率逐渐增大,对储层渗流影响也逐渐增强;通过拟合,得到不同压力梯度下的渗透率下限值及经验公式,压力梯度越大,渗透率下限值越低。通过该研究,加深了对致密性储层边界层影响因素和渗透率下限的认识,为改善边界层对致密储层渗流影响、确定合理的生产压差提供了理论依据。

黄河水下三角洲海底斜坡波致稳定性分析

以 Iversion的海底稳定渗流理论为基础 ,运用静力极限平衡方法和库仑破坏准则 ,提出了以海底水下斜坡坡度、沉积物有效内摩擦角和内聚力为自变量 ,波浪在海底产生的孔压梯度为参变量的海底稳定性分析方法。并给出了黄河水下三角洲不同土质所需的临界孔压梯度判断曲线 ,预测了黄河水下三角洲的海底稳定性 。