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。     

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...     

聚四氟乙烯材料在环境岩土工程土工试验中的应用

采用聚四氟乙烯材料研制出一种用于环境岩土工程固结试验的新型耐腐蚀固结仪,利用该新型固结仪分别在去离子水,0.08、0.1 mol/L的KC1盐溶液以及pH值等于5、4、3的盐酸溶液中,进行了不同水化学环境下桂林红粘土的室内固结压缩模拟试验,试验结果表明：红粘土的压缩性随盐溶液和酸液浓度的增大而增大.该新型耐腐蚀固结仪在中压条件下的实测变形量小于0.001 mm,满足试验精度要求.     

线热源法测量冻土热参数的适用性分析

提出了应用线热源法测量冻土热参数存在的问题,冻土中未冻水含量随温度的变化是导致线热源法测量误差产生的根本原因。对二维无限大——点热源热传导方程进行简化得到一维中心对称——热流边界热传导方程。采用双针法对不同温度的环刀土样进行了测试并对冻土传热过程进行数值试算,反演得到不同温度的相变热容和未冻水含量。结果表明:当温度大于-0.7℃时,相变热容值远远大于冻土体积热容并且随温度急剧变化,线热源法测量的结果严重失真;当温度介于-0.7~-4℃时,线热源法测量结果仍有较大的误差;当温度低于-4℃时,相变热容值很小且比较稳定,线热源法测量的热参数能满足一定的精度要求。     

饱和粉土冻胀过程试验研究及数值模拟

 为了研究温度梯度、冻结速率、土样高度和竖向压力对冻胀的综合影响,在不同试验条件下对饱和粉土进行了一系列一维土柱冻胀试验,试验中测量土样温度、竖向压力、冻胀量和补水量。试验结果表明：在温度场处于准稳态时,冻胀速率与温度梯度成正比例增长关系,冻胀速率随着竖向压力增大而线性减小;定义比冻结速率为冻结速率与土样高度之比,当温度场处于瞬态时,冻胀速率随比冻结速率成幂函数增长,增长率随着比冻结速率增大而减小。提出了综合考虑温度梯度、冻结速率、竖向压力和土样高度的冻胀计算公式,在此基础上推导了考虑水分迁移的冻土热扩散方程,提出了模拟冻胀和温度变化的数值模拟方法,通过一个数值算例计算了冻结过程中的温度和冻胀量变化,并与实测结果对比验证了该方法的可靠性。     

水合物赋存模式对含水合物土力学特性的影响

基于非饱和制样法(US法)和饱和试样气体扩散制样(SD法)2种制样方法,利用三轴剪切试验研究不同水合物赋存模式对含CO2水合物土力学特性的影响规律。试验结果证实水合物的赋存模式及其含量对含水合物土的力学特性存在重要影响,微观机制分析表明：US法制得试样属于胶结赋存模式,该模式表现出典型的胶结土的结构特性,而 SD 法制得试样根据水合物含量不同,属于填充模式、接触模式和透镜体模式,显示出明显的颗粒摩擦材料的力学特性,但由于水合物的破碎损伤效应也会导致应变软化现象。最后,利用有效水合物饱和度的概念,提出能考虑2种水合物形成模式下抗剪强度预测的经验公式。     

浅层红黏土的细观结构演化规律研究

湿干循环作用会对土样的细观结构产生影响。为了研究浅层红黏土的细观结构在湿干循环过程中的演化规律,研制了可以进行 CT 扫描的 CT －固结仪。在不同压力作用下对桂林雁山原状红黏土及其重塑土进行了多组湿干循环试验,并对每次烘干和增湿稳定后的土样进行 CT 扫描,跟踪观察湿干循环过程中土样的细观结构变化。研究结果表明：增湿和干燥都能使原状红黏土及其重塑土的结构造成损伤。定义了基于 CT 数据的红黏土的细观结构参数,提出了定量描述红黏土细观结构演化与土样饱和度、湿干循环次数、上部荷载之间的数学表达式,预测结果与试验资料比较接近。     

细粒迁移及组构变化对黏土渗透性影响的试验研究

为进一步探究水化学环境下土体渗透性的变化规律及作用机理,对饱和重塑压实黏土样在不同水化学条件及渗流路径下进行了一系列变水头渗透试验,分析了不同浓度的NaCl溶液在不同渗流路径下对饱和黏土渗透性的影响。结果表明：不同干密度试样的渗透性随浓度增加展现出较大的差异,干密度为1.40 g/cm³时,渗透系数呈先升后降,而干密度为1.50 g/cm³时,渗透系数不断降低;逆转渗流方向,试样渗透系数发生突变;孔隙盐溶液浓度周期性变化,试样渗透性不可逆。基于核磁共振（NMR）分析技术,测试了土体内部孔隙结构分布随孔隙盐溶液浓度的变化。最后基于上述试验结果从细粒迁移产生的孔隙堵塞效应和组构改变引起的孔隙封闭效应两个方面,解释了孔隙盐溶液浓度变化对黏土渗透性的影响。     

多孔介质中两相流动过程的毛细滞回效应

 含水量大小以及干湿循环变化历史对多孔介质渗流过程有着重要影响。基于多孔介质理论和毛细滞回内变量模型,建立能够考虑含水量变化历史影响的多孔介质两相流动模型,并利用开发的U-DYSAC2有限元程序进行相应的数值模拟。通过模拟结果与试验数据的比较,验证所建数值模型在模拟复杂条件下非饱和多孔介质渗流问题的可靠性与有效性。对干湿循环变化条件下土质边坡渗流过程进行数值分析,结果表明：毛细滞回效应对非饱和土渗流过程具有显著影响,非饱和土水力状态不仅取决于当前含水量或基质吸力大小,而且还与土体所经历的水力历史有关;特别地,如果利用主脱湿线来描述土水特征关系,那么土体中基质吸力的预测结果会偏高,从而使得传统边坡稳定性分析方法高估土体抗剪强度以及坡体安全系数。因此,在模拟非饱和多孔介质复杂渗流问题时必须要考虑毛细滞回效应。     

氯化钠溶液对膨胀土膨胀力及孔隙分布影响的研究

利用常规三轴固结仪,进行了一系列膨胀力实验,研究了不同浓度氯化钠溶液对不同初始干密度试样的膨胀力的影响,并且利用核磁共振仪,探究了完成膨胀力试验后试样孔隙分布的情况。试验结果表明:在干密度不变的情况下,随着盐浓度增加,膨胀力逐渐减小;盐浓度越大,T_2曲线分布整体往右移,说明大孔隙体积增加,小孔隙体积减小。分析试验结果认为:在相同干密度下,随着盐浓度增加,Donnan渗透压逐渐减小,导致膨胀力降低;在体积保持恒定的情况下,由于膨胀力降低,必然导致内部膨胀力相应减小,所以孔隙被填充的体积减小,使得大孔隙较多,因此随着盐溶液浓度增加,同一干密度试样的T_2曲线向右移动。