玄武岩三维细观孔隙模型重构与直接拉伸数值试验

由于岩石材料的不透明性和多孔隙特性,通过传统的物理试验或数值模拟很难真实体现其内部三维细观结构.本文基于CT扫描技术、边缘检测算法、滤波算法、三维点阵映射与重构算法,构建了可以表征玄武岩试样内部孔隙结构的三维细观非均匀数值模型.结合并行计算进行直接拉伸数值试验,研究了内部孔隙结构特征对试样破坏机制及抗拉强度的影响.研究结果表明:加载初期在试样孔隙处产生初始裂纹,随着荷载的增加初始裂纹逐渐沿横向扩展最终形成宏观拉伸破坏裂纹,并且孔隙含量和分布位置对试样拉伸断裂的位置具有重要影响.随着孔隙率增高,试样破坏过程中的声发射数目和能量逐渐减小.拉伸破坏模式呈现脆性破坏特征,同时孔隙的存在削弱了试样的抗拉强度.     

基于岩土介质三维孔隙结构的两相流模型

地下储层中岩土介质一般具有较低的孔隙连通性,宏观流动模拟一般忽略微观尺度的孔隙连通性,通过渗透率、弯曲度等参数反映储层的整体特性。但岩土介质的多孔性及孔隙间复杂的连通性,使得宏观描述流体在岩土介质中流动不能反映其内在流动特征。孔隙结构模型的建立可以反映岩土介质中孔隙的几何形态及空间连通性,为解释流体在复杂多孔介质中的流动特性提供有效手段。通过考虑岩土介质孔隙尺寸分布、孔隙孔喉空间相关性、孔隙连通性等特征参数,建立了反映不同岩土介质连通性、各向异性特征的等效孔隙网络模型。等效孔隙网络模型通过水力特征参数等效的方式反映岩土介质三维微观孔隙结构,通过渗透率计算验证了模型的有效性。此外,基于建立的孔隙结构模型,开发了孔隙尺度动态两相流计算模型,模型可以反映孔隙内弯液面的动态运动过程,直观反映多孔介质中的优势渗流,可以为不同孔隙尺度岩土介质提供表观渗透率、击穿曲线、相对渗透率曲线等宏观计算参数。将孔隙尺度两相流模型应用于页岩气开采中水力阻滞特性研究,结果表明：页岩基质的残余饱和度约为30%,随着平均配位数的增加,残余饱和度显著降低。     

东南亚礁灰岩的工程特性

东南亚地区所属的热带环境,有利于珊瑚礁灰岩的形成,而这类礁灰岩由于沉积年代新,具有较特殊的岩体结构特征和工程地质特性。本文结合印度尼西亚东爪哇岛上的实际工程,探讨了珊瑚礁灰岩的基本工程性质。电镜扫描和矿物分析表明,发育于浅海环境的礁灰岩,成岩作用弱,导致了礁灰岩具有较大的孔隙率和疏松的结构,进而控制了礁灰岩的力学特性。通过室内力学试验、钻孔波速试验和标准贯入试验等原位试验得出:礁灰岩属于典型的软岩,其标贯锤击数不符合正态分布的特点,且离散性很大;剪切波波速远小于一般岩石,压缩波与剪切波波速的比值小于2.0,突出了礁灰岩结构疏松的特点;由于发育大量孔隙和小空洞,钻孔压水试验表明礁灰岩具有较大的渗透性和连通性,其水文地质特性也与一般岩石差异较大。     

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。     

基于X-CT的泡沫混凝土孔隙结构与导热性能

为了研究不同密度泡沫混凝土的孔隙结构特征及其导热性能差异，使用X射线计算机断层成像技术（X?CT）对4种密度的泡沫混凝土试样进行扫描，实现了泡沫混凝土孔隙结构的三维重建.基于试样的孔隙特征及分布，利用Matlab软件随机生成代码建立了4种密度的泡沫混凝土模型，并在Comsol有限元软件中对其稳态传热进行了仿真模拟.结果表明：泡沫混凝土内部的孔径分布近似服从对数正态分布，随着密度的增大，试样的孔隙率和孔径随之减小，孔隙形状逐渐趋于球状；泡沫混凝土内部传热主要在水泥基体中进行，少部分热流会穿过小尺寸孔隙，而大尺寸孔隙增大了热流的传导路径，对泡沫混凝土的导热性能影响较大.     

温度作用对孔隙岩石介质力学性能的影响

利用模型材料制作了孔隙岩石物理模型,利用CT扫描和统计学原理获得了物理模型内部孔隙数量、孔隙空间位置和孔隙间距等分布特征,通过不同孔隙率物理模型温度作用下的单轴压缩试验,分析了温度作用后孔隙物理模型的抗压强度、弹性模量和泊松比等力学参数与温度和孔隙率之间的关系,运用CT扫描试验探讨了温度作用下孔隙微观结构的演化规律。研究发现：孔隙物理模型与天然孔隙岩石相比具有较好的几何相似性和一致的孔隙结构分布特征;随着作用温度点的升高,同一孔隙率的物理模型的抗压强度基本呈上升趋势,孔隙率的增大减弱了温度对物理模型抗压强度的影响作用;在相同温度条件下,随着孔隙率的增加,物理模型的抗压强度呈下降趋势。随着作用温度点的升高,同一孔隙率的物理模型的弹性模量基本都呈下降趋势;随着温度的升高孔隙率对泊松比的影响逐渐减弱;温度引起物理模型内部孔隙几何形态和孔隙数量的改变是引起宏观力学参数发生变化的主要内因。150℃似乎可以作为温度对孔隙物理模型力学参数影响的一个门槛值。研究成果揭示了温度对岩石宏观力学性能及微观孔隙结构演化规律的影响机理。     

劈裂荷载下孔隙结构对砂岩宏观力学性质的影响

为了解决砂岩内部孔隙结构对砂岩宏观力学性能的影响机理问题,以砂岩为研究对象,利用统计学原理和图像处理技术,建立了砂岩孔隙结构的三维重构模型。在此模型的基础上,利用数值模型方法开展了孔隙岩石劈裂数值模拟实验,分析了孔隙结构参数(孔隙大小、形态及孔隙率)对砂岩在劈裂荷载下的变形、应力分布和破坏连通区特征等宏观力学性质的影响,揭示了孔隙砂岩变形破坏的力学机理。研究结果表明:孔隙形态对砂岩应力分布和变形破坏有显著的影响;随着孔径的增大,砂岩从拉伸破坏和剪切破坏变成单一的拉伸破坏,破坏时的变形和最大拉应力均减小;孔隙率越大,砂岩更易破坏,且破坏时的变形和最大应力拉应力也越大,但影响程度随着孔径的增大而减弱。研究结果可为分析孔隙结构对岩石宏观物理力学性能的影响机理提供了一定的理论依据和参考。     

多孔介质孔隙结构重构及水蒸气传递特性

采用随机生长法分别构造了各向同性、各向异性的孔隙率相同,孔径分布和孔隙表面分形维数不同的多孔介质,探索了在多孔介质孔隙率相同的情况下,微观孔隙结构对孔隙内湿传递过程的影响。结果表明:决定多孔介质内部输运特性的孔隙结构参数,除孔隙率以外,孔径分布和孔隙表面分形维数等参数对多孔介质孔隙中水蒸气扩散过程的影响显著;孔隙率相同,孔径分布和孔隙表面分形维数不同的3种各向同性和3种各向异性多孔介质的水蒸气扩散浓度最大差别分别为30.6%和23.3%;各向同性多孔介质的小孔分布率越大,孔隙表面分形维数越大,说明孔隙的连通性和水蒸气在多孔介质孔隙中的扩散性能越好;各向异性多孔介质(水蒸气扩散的方向垂直于其生长率较大的方向)的大孔分布率越大,孔隙表面分形维数越小,水蒸气在多孔介质孔隙中的传递性能越好。     

基于岩土介质三维孔隙结构的两相流模型

地下储层中岩土介质一般具有较低的孔隙连通性,宏观流动模拟一般忽略微观尺度的孔隙连通性,通过渗透率、弯曲度等参数反映储层的整体特性。但岩土介质的多孔性及孔隙间复杂的连通性,使得宏观描述流体在岩土介质中流动不能反映其内在流动特征。孔隙结构模型的建立可以反映岩土介质中孔隙的几何形态及空间连通性,为解释流体在复杂多孔介质中的流动特性提供有效手段。通过考虑岩土介质孔隙尺寸分布、孔隙孔喉空间相关性、孔隙连通性等特征参数,建立了反映不同岩土介质连通性、各向异性特征的等效孔隙网络模型。等效孔隙网络模型通过水力特征参数等效的方式反映岩土介质三维微观孔隙结构,通过渗透率计算验证了模型的有效性。此外,基于建立的孔隙结构模型,开发了孔隙尺度动态两相流计算模型,模型可以反映孔隙内弯液面的动态运动过程,直观反映多孔介质中的优势渗流,可以为不同孔隙尺度岩土介质提供表观渗透率、击穿曲线、相对渗透率曲线等宏观计算参数。将孔隙尺度两相流模型应用于页岩气开采中水力阻滞特性研究,结果表明:页岩基质的残余饱和度约为30%,随着平均配位数的增加,残余饱和度显著降低。     

基于自适应模糊阈值法的植生混凝土孔隙特征研究

为提升植生混凝土的伪装效果,研究了骨料粒径、孔隙率和水灰比对植生混凝土伪装材料内部孔隙结构的影响机理。首先基于不同骨料粒径及水灰比条件,制备目标孔隙率20%和35%的植生混凝土试件;其次采集试件切割后截面图像数据,利用自适应模糊阈值算法、Otsu阈值算法、Matlab和Image-Pro Plus等对混凝土截面进行图像处理,表明自适应模糊阈值算法图像处理结果能够真实反映混凝土多孔结构特征;最后分析不同骨料粒径、孔隙率和水灰比条件下,混凝土内部各孔径区间范围孔隙结构分布规律。结果表明：骨料粒径对孔隙直径的影响较为显著,骨料粒径越大孔径越大,孔隙率越大或降低水泥用量混凝土越易形成中大型孔隙。     

基于CT技术的陶瓷透水路面砖孔隙特征与渗透性能研究

为了研究陶瓷透水路面砖内部孔隙结构与渗透性能间的关系,对其圆柱芯样进行CT扫描和图像处理,得到其上下层的孔隙结构并进行二维和三维孔隙特征分析;同时基于确定尺寸的特征单元体,利用Avizo渗流模拟模块对圆柱样上下层的渗透性能进行分析。结果表明:上层和下层的连通孔隙三维等效直径均比其孤立孔隙大,2种孔隙等效直径分别集中在[1000μm,2000μm]、[50μm,100μm]区间内,而孤立孔隙的三维轮廓形态相比连通孔隙更规则;上下层各特征单元体的有效孔隙率与总孔隙率间满足幂函数关系,而其渗透系数不仅与有效孔隙率呈正相关关系,还与孔隙大小分布、比表面积等因素有关。     

汞压法对水泥浆和掺合料水泥浆孔隙分析

硬化后混凝土材料具有细观、微观多孔隙特征,即使配制良好的高性能混凝土,也含有微孔隙和微裂纹。混凝土内部孔隙率及孔径分布对混凝土材料的性质有重要影响,如强度、变形、容重、导热性、吸水性、抗渗性及耐久性等;而矿物掺合料可改变混凝土内部孔隙的分布,从而影响混凝土的性能;因此,对混凝土材料内部孔隙的研究也是混凝土微观研究的一个重要方面。     

多孔材料孔隙特性的分形描述

通过压汞法得到了水泥基多孔材料的微观孔隙分布数据,在此基础上采用a,b,c三种方法计算了该材料相应的分维数.结果表明:用c法得到的颗粒分布分维数最为有效,其相关系数为0.97,说明水泥基多孔材料微观孔隙具有良好的分形特性;基于微观孔隙分布密度函数,提出了一种能表征微观孔隙分布特性的累计微观孔隙率模型,结合分维数,利用该模型预测了水泥基多孔材料的累计微观孔隙率,预测值与实测值吻合较好.     

基于近场动力学方法的泡沫混凝土单轴拉伸三维数值模拟

采用近场动力学方法模拟了泡沫混凝土三维模型的单轴拉伸，通过与文献数据对比验证了数值模拟的有效性。基于对孔隙率为30%～70%、单元孔隙球度为0.6～1.0的泡沫混凝土三维模型的模拟结果，探讨了泡沫混凝土的孔隙结构对抗拉性能的影响。结果表明：泡沫混凝土的抗拉性能（弹性模量、强度和断裂能）随着孔隙率的增加而降低，随着单元孔隙球度的增加而提升。泡沫混凝土三维模型的抗拉性能具有显著的非均质性，这是由于孔隙随机分布导致不同模型的水泥骨架壁厚级配不同所致，在壁厚较薄的局部区域容易造成应力集中，从而削弱泡沫混凝土的抗拉性能。     

珊瑚礁灰岩地层灌注桩侧摩阻力特征及发挥系数取值研究与应用

为了探究界面形态及界面胶结状态对珊瑚礁灰岩–灌注桩侧阻发挥系数的影响，以援马尔代夫中马友谊大桥区域的礁灰岩为研究对象，利用大型直剪仪开展礁灰岩–混凝土界面剪切试验，研究完整岩体状态的珊瑚礁灰岩–混凝土界面强度发挥机制，结合现场自平衡试桩试验，研究破碎及较破碎岩体状态的珊瑚礁灰岩层–灌注桩侧阻发挥系数。结果表明：(1)当礁灰岩与混凝土界面无填充或泥皮填充时界面破坏为滑动摩擦，当混凝土直接浇筑在礁灰岩上面时，界面破坏受控于礁灰岩内部缺陷；(2)礁灰岩与灌注桩无胶结时，锯齿界面的抗剪强度均高于直桩界面，约77%;(3)礁灰岩与灌注桩胶结时，由于水泥浆的扩散、填充作用，礁灰岩–混凝土界面形成了界面增强体，界面强度发挥受控于礁灰岩内部缺陷，界面形态对界面剪切强度无明显提升作用；(4)结合现场自平衡试桩试验，确定了清水成孔工艺破碎岩体的礁灰岩层灌注桩嵌岩段桩侧摩阻力发挥系数为0.053～0.108，高于陆源岩石2倍以上。以上成果揭示了珊瑚礁灰岩层灌注桩侧阻发挥机制，论证了清水成孔工艺灌注桩能充分发挥礁灰岩地层承载性能，可为岛礁大型工程基建的设计及施工提供参考。     

孔洞型碳酸盐岩应力敏感下孔隙结构CT研究

目前储层应力敏感性研究在微观孔隙结构层面研究不足,本文选取川中地区震旦系灯影组四段气藏孔洞型碳酸盐岩心,进行原位CT的应力敏感试验研究。试验表明:孔洞型碳酸盐岩的渗透率随地层有效应力的增加明显下降;有效应力的增加造成岩心的孔隙体积、孔喉直径、喉道长度均变小;岩心的孔喉直径分布曲线和喉道的概率分布曲线向橫坐标轴负方向偏移,形状因子的概率分布曲线向橫坐标轴正方向偏移,在不同的压力阶段对不同尺寸、形态的孔隙影响不同,对于微小孔隙和喉道伤害明显,孔喉连通性变差;压力变化造成岩心微观孔隙结构变化导致岩心渗透率下降,且随着有效应力降低岩心渗透率不能完全恢复,表明应力敏感造成不可逆伤害。     

基于CT图像及孔隙网格的岩芯孔渗参数研究

岩石孔隙结构特征是影响储层流体(油、气、水)的储集能力和油气资源开采的主要因素。明确岩石的孔隙结构特征是充分发挥油气产能和提高油气采收率的关键。岩石微观孔隙结构模型重建基于真实岩石微观图像,可以有效再现天然岩石的复杂孔隙结构特征。基于岩芯三维CT图像与图像分割技术,采用Matlab编程求解了岩芯的孔隙度及孔径分布数据。通过编程构建了能够真实反映原始岩样孔隙形态的结构化网格模型,并基于该模型求解了岩样的渗透率数据。计算得到的孔隙度及渗透率数据均与实验结果较好吻合。     

珊瑚礁礁灰岩工程特性测试研究

珊瑚礁是一种特殊的岩土类型。运用现场钻探、标准贯入试验、波速测试、平板载荷试验等勘探手段和方法,对沙特红海珊瑚礁礁灰岩进行了含水率、重度、抗压强度等室内试验,分析研究了珊瑚礁礁灰岩的物理力学性质及相关关系。测试研究表明:岩芯采取率、岩石质量指标和标准贯入试验可以评价珊瑚礁礁灰岩沿深度的岩土性能变化特征;珊瑚礁礁灰岩具有结构多变、多孔、重度小、性脆、强度低且变化大等工程特性;珊瑚礁弹性波传播速度小,而珊瑚碎屑岩和珊瑚状石灰岩具有较高的弹性波波速;载荷试验p-s曲线与其他岩土不同,随着荷载的增大,礁灰岩空隙发生了脆性破坏,岩土被压密。测试成果可供礁灰岩的进一步研究和工程应用参考。     

珊瑚礁地层大直径桥梁桩基侧摩阻力研究

大直径桩基具有低沉降和高承载力的优点，目前在大型跨江、跨海桥梁工程中使用日趋增多。生物沉积形成的珊瑚礁灰岩，具有弱胶结、结构疏松，高孔隙率等特性，当桥梁桩基置于该地层中，桩侧摩阻力有其独特的规律，传统的桩基侧摩阻力和承载力取值方法并不适用。结合马尔代夫某桥梁工程实例，综合室内模型桩试验、现场自平衡荷载试验等方法，对珊瑚礁地层中的大直径桥梁桩基侧摩阻力和承载力特性进行研究，并将测试结果与规范取值进行对比。结果表明，珊瑚礁地层具有较大的侧摩阻力和承载力，大直径桩基可作为一种常用的基础形式。礁灰岩桩侧摩阻力的发挥经历了接触压密、弹性剪切、剪切破坏和摩擦剪切四个阶段。珊瑚礁地层结构性强，钻探过程易受到扰动，严重降低其力学特性。     

高温循环后花岗岩孔隙结构与物理力学特性演化规律研究

探究高温循环下岩石内部孔隙演化及其对物理力学特性的影响，对核废料地质处置、地热开发等地下工程的长期稳定性分析具有重要意义。为了定量分析高温循环对花岗岩孔隙结构及物理力学性质的影响，综合利用扫描电镜、差热分析等方法研究25℃～800℃高温循环下花岗岩的表面特征、质量、体积、纵波波速、抗拉强度、孔隙度、孔径分布和微观结构等演化规律。研究结果表明：(1)随着温度升高，花岗岩的表面裂纹、色差、质量损失率、体积膨胀率、纵波波速衰减率不断增加，抗拉强度逐渐减小，当T>500℃后，花岗岩的物理力学参数变化显著，在5次热循环后，岩石物理力学参数的变化更加明显。(2)高温能够促进花岗岩孔隙发育，岩石内部微、小孔隙逐渐生长并连通形成中、大孔隙，造成岩石孔隙连通性增强，且热循环会进一步增加孔隙结构之间的连通性，导致中孔和大孔占比上升，孔隙率进一步增大。(3)高温循环下花岗岩物理力学性质劣化与其内部孔隙结构的变化密切相关，质量损失率和体积膨胀率随等效平均孔隙半径的增大呈线性增加，纵波波速和抗拉强度随等效平均孔隙半径的增大呈指数型增加。(4)高温下花岗岩会发生脱水、石英相变、矿物氧化、化学键断裂等物理化学...