压实黏土干缩裂缝扩展规律试验研究

为探究影响压实黏土干缩裂缝扩展的影响因素,制备不同干密度与初始含水率的压实土样开展试验分析。通过模拟干旱环境,使压实土样逐渐产生干缩裂缝,采用数字图像处理技术对形成的裂缝进行定量统计与分析,并通过裂缝参数变化密度函数分析裂缝发育速度的影响因素。结果表明:初始含水率限制裂缝出现速度,裂缝条数、最大裂缝宽度随着干密度的增大而减小,裂缝宽度的增长速度随含水率的增大而增大;土体干密度对裂缝发育速度影响不明显;初始含水率相同时,分形维数随干密度的增大而减小。     

基于图像处理的压实红黏土裂隙特征

通过室内试验研究了内蒙古压实红黏土在不同干燥温度条件下干缩裂隙的发展规律,探讨了红黏土产生裂隙时含水率的变化情况,采用图像处理技术定量分析了压实红黏土在干燥过程中裂隙的几何特征(平均裂缝宽度、裂缝总长度、裂隙率)与分形特征(分形维数).结果表明:不同干燥温度下,试样含水率随干燥时间的变化趋势相似,试样在初始干燥阶段失水较快,呈线性变化趋势,随着干燥时间的延续,水分蒸发速率逐渐减缓,最终达到稳定;温度对试样收缩裂隙的发展影响显著,温度越高试样裂隙发育达到稳定状态所需时间越短,且裂隙几何特征值与分形维数越大,温度低则相反;裂隙分形维数与裂隙长度、裂隙平均宽度以及裂隙率呈指数函数关系.     

柴油污染粉质黏土的电阻率特性及影响因素

以南京地区典型的粉质黏土为研究对象,人工配制了不同含水率、不同含油率的柴油污染土,采用Miller Soil Box对不同状态的污染土体电阻率进行了测试,建立了土体电阻率与含水率、含油率和饱和度间的相关关系.结果显示,含油率相同时,电阻率随含水率、饱和度的增大呈幂函数关系减小;含水率相同时,电阻率随含油率的增大而线性增加.引入体积含湿率来分析油水共同作用对电阻率的影响,发现饱和度相同时,电阻率随体积含湿率的增加而线性增大.采用正交分析法对电阻率的三种影响因素进行主次分析,影响大小为饱和度含水率含油率.     

基于形态学理论的土体裂隙边缘分形维数计算

为了精确描述土体裂隙的形态特征，基于数学形态学理论，编制了计算机数字图像信息处理软件，对拍摄的土体裂隙图像进行处理，提取图像中的裂隙边缘曲线，并计算不同裂隙发育状态下的裂隙边缘分形维数。进行了土体开裂观测试验，结果表明，裂隙边缘分形维数与裂隙宽度有较好的负线性关系，分形维数随裂隙宽度增大而减小，这为土体裂隙发育形态的预测和数值仿真提供可靠依据。初步探讨了将裂隙边缘分形维数应用在立方定律修正问题上的合理性，并指出需进一步解决的问题。     

裂缝型多孔介质的平面径向渗流特性研究

根据天然多孔介质微结构的分形标度律,建立了含井孔裂缝型多孔介质平面径向渗流的分形模型,推导了裂隙度和径向有效渗透率的解析表达式,讨论了裂隙度的径向分布规律和有效渗透率与分形维数以及径向距离的定量关系．结果表明：有效渗透率随孔隙分形维数的增大而增大,随迂曲度分形维数的增大而减小,还随径向距离的增大而减小．这些结果验证了模型的正确性．     

构造煤组合体单轴加载下裂隙演化及分形规律

为研究不同占比的构造煤-原生质煤组合体压裂后的裂隙演化规律及分形特征,运用单轴加载试验手段,得到了5种不同占比构造煤组合体的裂隙长度、角度及分形维数演化规律。结果表明,随构造煤占比的增大,组合体抗压强度、弹性模量均呈减小的趋势,而峰值应力应变呈增大的趋势,组合体整体特性向构造煤的脆性特性靠近,破坏形式从剪切破坏逐渐过渡到拉伸破坏。随构造煤占比的增大,主裂隙扩展时间占比由14%增大至59%,主裂隙平均扩展速率由0.76 mm/s增长至2.34 mm/s,主裂隙角度平均变化速率由3.07°/s减小至0.70°/s,煤体交界处的主裂隙角度和主裂隙角度平均变化速率均逐渐减小。随着不断的加载,组合体分形维数逐渐增大,各峰值应力处分形维数普遍分布在0.99～1.31。随着主裂隙角度的变化,全原生质煤试件主裂隙不同角度的分形维数逐渐减小,全构造煤试件主裂隙不同角度的分形维数逐渐增大,其他占比的构造煤组合体不同角度的主裂隙分形维数均先增加后减少,且其变化均发生在各自的煤体交界处。揭示了不同占比的构造煤组合体在加载过程中的裂隙扩展与角度的有关变化规律,为煤矿安全开采提供理论依据。     

三峡库区典型消落带土壤粒径分布及分形特征

为揭示三峡库区典型消落带土壤的独特性,通过野外调查和实验室定量分析,研究了消落带典型区阶地土壤粒径分布和分形特征。结果表明：该典型消落带土壤分形维数在2.80左右;共有3种质地的土壤,分别是壤质黏土、粉砂质黏土、黏壤土,两种黏土的分形维数不存在显著差异,黏土和壤土的分形维数差异显著且分形维数以黏土的较大。土壤粒径随高程增加表现为由尖峰胖尾分布向尖峰分布变化,在降水和江水的双重作用下,较高高程处小颗粒土粒含量较低,而较低高程处小颗粒土粒含量较高。淹水年限为3 a和1 a的不同植被类型下消落带土壤分形维数不存在显著差异。     

考虑级配影响的粗粒料压缩破碎特性试验

采用分形维数和级配宽度作为级配的量化指标,通过粗粒料的侧限压缩试验,研究级配对密实粗粒料的堆积、变形以及破碎特性的影响规律。试验结果表明,粗粒料的最大干密度和低应力下的压缩模量均随着分形维数的增大先增大后减小,在分形维数为2.2附近存在极大值;同时,两者均随着级配宽度增大而增大。粗粒料的破碎强度可通过双对数坐标下的拐点表征,破碎强度随着分形维数与级配宽度的增大而增大;破碎强度越高,颗粒破碎率越小;不同级配的粗粒料充分破碎后的最终级配都收敛于唯一的分形分布。     

重复采动覆岩裂隙网络演化分形特征

为研究重复采动下覆岩裂隙演化规律,以同煤集团煤峪口煤矿410盘区为地质原型,利用物理相似材料模拟实验模拟近距离煤层重复采动覆岩裂隙发育发展演化过程,运用分形几何理论研究重复采动条件下,覆岩裂隙网络分形特征.实验结果表明:随着开采宽度的增大,上层开采裂隙分形维数随之变大,其增幅随着宽度增加逐渐变小;而下层开采裂隙分形维数与开采宽度呈抛物线变化关系;开采采场覆岩裂隙上层煤分形维数与工作面前方支承压力峰值满足Freundlich方程,而与切眼附近支承压力峰值满足Langmuir方程,下层煤关系不明显;覆岩"三带"裂隙网络具有很好的自相似性,上层回采完裂隙带、冒落带分形维数比为1.0575:1;而下层煤为1.024:1.     

浅表土人工冻土冻胀特性的研究

利用自制冻胀试验装置,对淤泥质黏土、淤泥质粉质黏土、粉砂在不同冷端温度、含水率及 荷载作用下的冻胀规律进行试验研究。结果表明：在试验含水率及干密度范围内,土体冻胀率随冷 端温度下降线性降低,随土样含水率增加线性增大,随干密度增加而增大,随上部荷载增大呈指数 规律降低。同时对淤泥质黏土进行了正交冻胀试验,表明各因素对土体冻胀率的影响程度的由大到 小顺序为：含水率、冷端温度、干密度、上部荷载。最后给出了不同因素对黏性土冻胀的预测模型 。     

黏粒含量对粉质黏土土水特性影响的试验研究

粉质黏土分布广泛,其土水特性受黏粒含量影响显著。为揭示黏粒含量对粉质黏土土水特性的影响规律,采用离心机对不同黏粒含量粉质黏土进行脱水条件下土水特性测试试验。首先,制备六组干密度相同的不同黏粒含量粉质黏土试样,并通过密度计与筛分联合测定法获得试样颗粒级配曲线和黏粒含量。然后,通过调节离心机转速得到不同基质吸力对应的土样总质量与含水量,并基于Van-Genuchten模型拟合土样土-水特征曲线,进而分析黏粒含量对土-水特征曲线的影响。研究结果表明:(1)不同黏粒含量粉质黏土的体积含水率均随基质吸力增加逐渐减小且变化趋势基本一致:当基质吸力小于20 k Pa时,含水率接近饱和含水率,大于20 k Pa后含水率随基质吸力增加快速减小;(2)黏粒含量越高,粉质黏土持水能力越强,土体含水率越大,含水率受黏粒含量增加影响的程度呈现先增大后减小的趋势;(3)相同基质吸力条件下,黏粒含量越高,土体含水率越大,在基质吸力大于80 k Pa后不同黏粒含量土样的含水率相差越来越小;(4)残余含水率偏高,吸附的水分仍达到其饱和状态含水量的40%左右。这为进一步进行非饱和粉质黏土软基的水力特性评估提供了技术支持。     

重金属污染土的热导率特征试验研究

为了研究重金属污染土的热传导特征,在室内分别拌制了黏土、粉质黏土的不同重金属污染成分(Pb,Zn)、不同污染浓度N、不同含水率ω和干密度ρ_d的重金属污染土试样,采用非稳态热探针法对不同状态下的污染土体热导率进行了测试.试验结果显示,4种重金属污染土有相似的变化规律,即在相同的含水率下,热导率随污染浓度的增加而线性增大;在相同的污染浓度下,热导率随含水率的增加而呈指数关系增大,随干密度的增加而线性增大,与未污染土的表现特点相似.通过分析污染土归一化热导率与污染浓度的关系,建立了适用于重金属污土的热导率预测方法,可用于估算特定重金属污染土的热导率值.     

人工冻土融沉特性试验研究

为促进人工冻结技术在城市地下工程中的推广应用,利用自制的冻胀融沉试验装置,对南京地区典型土质进行了融沉特性室内试验.结果表明:并非所有含水土体都产生融沉.只有当土体含水率超过起始融沉含水率后才会融沉.土体融沉系数随含水率增大而增大.且淤泥质黏土、粉质黏土融沉系数随含水率增大而分段线性增大.对于非饱和土,融沉系数与干密度变化规律中存在一个临界干密度,临界千密度对应土体最小的融沉系敷.开敞型冻融时,融沉系数随温度升高而增大,封闭型冻融时,融沉系数随温度升高而减小.粉砂相对于淤泥质黏土和粉质黏土属于非冻胀融沉敏感土.     

考虑剪切接触与碎屑充填的裂隙渗流模型与数值分析

为研究大尺度裂隙内部复杂的渗流规律,综合分析裂隙面粗糙度、初始裂隙宽度、剪切过程裂隙接触面积以及剪切碎屑对渗流的影响,提出一种考虑剪切接触与碎屑充填的裂隙渗流模型并开展多种工况下的数值实验研究。研究结果表明:当裂隙相对接触率低于15%时,等效水力宽度数值计算结果与理论计算结果基本吻合,当裂隙接触面积继续增大,两者计算结果出现较大偏差;当裂隙表面模型增加相同的分形维数时,渗流体积流量减小愈加明显;分形维数为2.4的裂隙模型接触率变化范围为19.3%～29.2%,但稳定体积流量仅为初始状态的0.20%,说明剪切过程裂隙接触面积对渗流的影响与其分布状态密切相关,其影响远大于仅改变裂隙接触面积的影响;渗流方向与剪切位移方向对渗流的影响同样是通过改变裂隙接触分布状态实现,优势导水通道对渗流规律的影响起主导作用;裂隙剪切过程所产生的岩石碎屑对渗流规律存在较大影响,出口流量稳定值分别为未考虑裂隙碎屑充填模型的27.1%和32.4%,且裂隙初始宽度越小,影响越显著。     

裂隙砂岩破坏过程中的能量耗散与破碎分形特征研究

对不同裂隙倾角的裂隙砂岩试件进行单轴压缩试验,分析了试件变形破裂过程中的应变能演化特征,基于分形理论定量描述了最终破坏后碎屑尺度分布的分形特征,初步探究了能量耗散与破碎分形维数之间的力学机制。研究结果表明：随着裂隙倾角增加,裂隙砂岩试件的抗压强度和耗散应变能均呈现出先减小后增大的变化规律;数据拟合结果表明两者之间存在正相关关系。试件破坏后的碎屑尺度分布具有分形特征,不同裂隙倾角试件的分形维数介于2.58～2.64;分形维数随裂隙倾角的变化规律与抗压强度类似,两者近似呈线性相关关系。此外,试件的抗压强度越高,破坏时释放的耗散应变能越多,试件破碎程度越严重,所产生的微、细粒碎屑占比增大,导致分形维数变大;数据拟合结果表明耗散应变能和分形维数之间具有线性正相关关系。     

考虑储气库裂隙储层分形特点的天然气渗流规律分析

考虑储气库裂隙介质分形特点以及临界运移饱和度的影响,根据两相不稳定渗流理论和分形理论,将裂隙储层介质分形参数引入到相对渗透率的预测,建立了储层相对渗透率与裂隙尺寸、典型单元体尺寸、毛管压力之间的关系;并分析了高含水衰竭油气藏裂隙储层改建储气库后的渗流规律及井底压力变化规律。采用计算模型与三维渗流模型所得计算结果进行了对比分析,并研究了分形维数、典型单元体尺寸、裂隙尺寸比、储层厚度、注气速率、排水速率对储气库井底压力的影响。计算结果表明:采用的计算模型考虑了裂隙储层的分形特点,具有较高的计算精度,可以满足实际工程计算需求;气相相对渗透率随着分形维数的增大而增大,水相相对渗透率随着分形维数的增大而减小;储气库井底压力随着裂隙介质分形维数、储层厚度、排水速率的增大而减小;随着典型单元体尺寸、裂隙尺寸比、注气速率的增大而增大。     

不同土质中隧道埋深对地表沉降的影响

分析地铁隧道开挖引起的地表沉降对建筑物安全具有重要意义.通过有限差分软件FLAC3D分别对粉质黏土、粉砂、黏土条件下的隧道开挖进行了数值模拟,分析三种不同土质中地表沉降随埋深的变化规律以及三种土质中同一埋深下地表沉降槽曲线的变化规律.结果表明:相同埋深下粉质黏土、粉砂、黏土中的地表沉降值依次减少;粉质黏土、粉砂、黏土的地表沉降槽曲线宽度随埋深的增加而增大;粉砂沉降槽相对于黏土较窄而深,说明土质条件越好,沉降槽宽度越小.     

不同初始条件下土体污染后的物理力学性质变化实验研究

土体的物理力学性质在受污染后会发生改变,同时也受到不同初始条件的影响。通过室内土工试验研究不同含水率、颗粒及矿物组成等初始条件下土体受重金属及汽油污染前后的主要物理力学性质变化规律。结果表明:随着初始含水率的增大,污染前后土体的密度均增大,当初始含水率低于最优含水率时,污染前后粉质黏土的密度变化率更大;当土体初始含水率低于最优含水率时,随着初始含水率的增加,污染粉质黏土的塑限增大而液限减小;高于最优含水率后,塑限减小而液限增大;污染前后粉质黏土的压缩系数及其相对变化率随着含水率的增大均呈增大趋势;粉质黏土的黏聚力污染前随着含水率的增大而减小、污染后则随着含水率的增大总体上呈现先减小后增大的趋势;污染前后内摩擦角均随着含水率增大而降低,低含水率时下降速率较缓,大于最优含水率后下降速率增大。土体颗粒及矿物组成对污染物污染效果也有很大的影响,总体而言,细砂相较粉质黏土在同样初始含水率及污染物作用后物理力学性质更加稳定。     

含裂隙红黏土土水特征与强度特性研究

红黏土边坡在干湿循环作用下极易产生裂隙,裂隙发育将对土体水力学特性及强度造成不利影响,从而降低边坡稳定性。以长沙红黏土为研究对象,制备具有不同裂隙数量的红黏土试样,开展了渗透试验、土水特征曲线试验和直剪试验,揭示了红黏土饱和渗透系数、土水特征曲线和抗剪强度指标随裂隙数量和干密度的演化规律,建立了相应函数表达式。结果表明：红黏土渗透系数量级为10^-5～10^-7 m/s,饱和渗透系数随干密度的增加而减小,随裂隙数量的增加呈指数型增长,裂隙增加5条,饱和渗透系数提高66.4倍;干密度低和裂隙数量多的试样饱和体积含水率更高,脱湿过程中体积含水率随基质吸力降低速率更快,残余含水率更低,持水能力更差;红黏土抗剪强度指标与干密度呈正比,与裂隙数量呈反比,当干密度增加0.28 g/cm³,黏聚力和内摩擦角分别提高2.35倍和0.94倍,而当裂隙增加5条,黏聚力和内摩擦角分别降低57.09%和49.59%。     

长春地区粉质黏土融沉性质及影响因素试验研究

粉质黏土是一种对温度极其敏感的土,在季节性冻土区通常会产生较大的融沉变形,给道路、铁路等建构筑物造成严重破坏。长春地区土层以粉质黏土最为普遍,由于纬度、海拔、气候等原因,这里的粉质黏土融沉性与其它地区的有所不同,其影响因素的影响程度也有所不同。本文以长春地区粉质黏土为研究对象,通过对原状土样进行融沉压缩试验、冻胀试验和导热系数试验,分析了融沉系数与各因素之间的关系,提出了融沉系数经验公式,并采用灰色关联理论分析了各影响因素对融沉系数的影响程度。结果表明：①融沉系数随含水率、超塑含水率增大而增大,随干密度、烧失量增大而减小,其中可塑性影响最大;②融沉性与冻胀性呈显著正相关,冻胀率和冻胀压力越大,融沉系数越大;③粉质黏土融沉系数随深度的增大而增大,最大值出现在9～12m区间内;④长春地区粉质黏土的最优干密度为1.625g/cm_³;⑤根据灰色关联分析结果,长春地区粉质黏土各影响因素对融沉性的影响顺序由大到小依次为塑性指数、干密度、含水率、超塑含水率、导热系数、冻胀率和冻胀压力。在实际工程中可采取控制最优干密度或调整级配的方法来提高地基土或回填土的密实性,研究结果可为长春地区进行公路、铁路、地铁深基坑、建筑基础施工等提供科学依据与理论参考。