膨胀性非饱和土中固-液相间的毛细与物理-化学作用的模型

膨胀性非饱和土中液相与固相基质间的相互作用,依据其形成机理不同,可分为毛细和物理-化学作用.然而,目前建立的非饱和土本构模型多是基于毛细机理提出的,忽略了后者对土体力学和水力行为的贡献.对于膨胀性非饱和土而言,固-液相间的物理-化学作用显著,并且致使土体具有复杂的行为特征.为了能够对膨胀性非饱和土的力学和水力行为进行全面、合理地解释和描述,本文建立了1个适用于膨胀性非饱和土的二元介质模型.首先,文中将膨胀性非饱和土抽象为由2个理想部分即理想毛细部分和理想黏吸部分组成,并且针对两者分别建立了理想模型.其次,利用参与函数反映土中2种理想部分所占的比重,以此描述实际情况下土体的力学和水力行为的特征.最后,利用该模型对膨胀性非饱和土在压缩和控制吸力情况下的力学和水力行为进行预测.通过模型预测结果和已有的试验数据的对比可知:该模型能够较好地描述膨胀性非饱和土的行为.     

考虑温度影响的非饱和土变形特性

随着高放核废物地下处置库建设、地热资源开发利用、节能建筑以及二氧化碳地下封存等一批现代岩土工程的发展, 使得温度对非饱和土基本力学特性影响的研究成为当前国际上研究的热点问题. 利用非饱和土中功的表达式, 并考虑温度对非饱和土基本性质的影响, 选取平均土骨架应力、修正吸力及温度作为热力学中广义力的状态变量, 选取土骨架应变、饱和度及熵作为与广义力变量共轭的广义流状态变量. 基于土体非线性多场耦合模型理论框架, 利用现有的实验研究成果, 提出了一个非等温条件下非饱和土弹塑性本构模型, 对温度影响下的非饱和土变形特性进行了分析. 应用所建立的模型, 在各向同性条件下就吸力和温度对非饱和土变形性质的影响进行了预测和分析, 并与已有的实验结果进行了比较. 比较结果表明了所提模型的合理性.     

考虑气相硬化影响的非饱和土本构模型

论述了非饱和土应力状态变量的选择问题, 非饱和土功的表达式表明应当采用广义有效应力、修正吸力和气压三个应力状态变量来描述非饱和土的行为. 随后对非饱和土中三相的变形机制进行了探讨, 通过非饱和土中气相的体变特性的研究, 指出气相的体变与其他两相的变形是相互影响的, 揭示了土中气相的体变和固体-液体一样也可以分为弹塑性两部分, 结合气体的基本定律可以得到气相的压力-体变关系. 考虑气相对土体硬化的影响, 提出了一个各向同性应力作用条件下非饱和土的本构模型, 并对该模型进行了验证, 说明了模型的合理性. 最后给出了一些预测结果并和Wheeler等人给出的预测结果进行了对比分析.     

表征孔隙孔径分布的岩土体孔隙率模型及其应用

指出了现有岩土介质的孔隙率模型不能准确表示孔隙的孔径分布特性,提出了3种孔隙率模型.利用3种模型对黏土在二维空间和生态护坡材料在三维空间的微观孔隙孔径分布进行预测,显示了无论是总孔隙率或各级孔径下的累计孔隙率,预测值与实测值均非常接近.利用孔隙率模型,给出了基于土体微观孔隙结构的固结变形计算公式,在低固结压力下压缩应变计算值与实测值相差约0.007;建立了多种非饱和土的土-水特征曲线模型,从形式上包含了现有的土-水特征曲线模型,由于模型中的颗粒分布分维数是建立在孔隙分布特性的基础上,其物理意义更为明确;最后给出了土体黏聚力及体积密度与土样尺寸的关系式,验证了黏聚力及体积密度随土样尺寸增大而减小的规律.     

基于功交互作用的耦合系统随机能量共振控制

分析了耦合系统与外界作用力的交互作用, 从做功与能量的角度提出了控制随机能量 共振的方法. 根据二维耦合Langevin 方程的随机动力学特性, 采用微观动力学和宏观热力学 方法, 建立了基于单一随机轨线的耦合系统的热力学关系. 通过调节施加于控制系统的周期 性外力, 定量刻画了作用于被控系统的输入力对耦合系统做功的大小与能量转换关系. 结果 表明, 控制信号能控制耦合系统与输入力和噪声之间的相互作用, 能有效地控制耦合系统的 随机能量共振.     

降雨期间岩溶地下水化学组分的来源及运移路径

对降雨期间重庆青木关岩溶地下水系统出口姜家泉的水物理化学动态变化进行监测,获取高分辨率的数据,运用主成分分析法探索岩溶地下水化学组分的来源;结合水物理化学数据的变异系数,探讨化学组分在岩溶含水层中的运移路径.结果表明,水-岩作用和农业活动,以及水土流失是研究区岩溶地下水化学组分的主要来源.K+,Na+,NO3,Cl和PO43等离子从地表输入后,与碳酸盐岩溶解产生的Ca2+,Mg2+,Sr2+和HCO3等一并存储于裂隙、孔隙和溶隙等岩溶非饱和带中,受岩溶非饱和带的调蓄.这些离子在降雨期间随扩散流补给地下河,其浓度较为稳定,变异系数低.而全Fe、全Mn和Al3+等未经岩溶非饱和带的调蓄,在降雨期间随坡面漫流直接通过落水洞灌入地下河,其浓度极不稳定,变异系数高.农业活动和水土流失输入的物质严重威胁着岩溶地下水生态环境和当地居民的健康,因而有必要加强岩溶生态系统管理工作,从控制岩溶地下水外界物质输入端的源头抓起.     

考虑微裂缝的数字岩心多点统计学构建方法

页岩的微观孔隙结构决定了其宏观性质和流动规律,其微观孔隙结构呈现出典型多尺度特点,孔隙尺寸从纳米到微米不等,同时还伴有天然发育的微裂缝.物理实验方法受限于分辨率和样品尺寸之间的矛盾,无法获取能够同时含有微纳米孔隙信息和微裂缝特点的表征单元体,因此数值重建算法显得尤为重要.传统的重建算法只能构建单一孔隙类型的数字岩心,针对页岩多尺度特点,本文提出了一种基于模式的多点统计学方法,结合训练图像和数据模板捕获模式库和条件概率函数,利用模式法的插值方式对待模拟空间进行构建.通过自相关函数、孔隙形态拓扑结构及渗透率方面,对本文提出的数值重建算法进行评价.在不同类型模拟算例中,本文算法呈现较好的可靠性.与传统重建算法相比,本文算法能够构建页岩多相多尺度数字岩心.     

一种新的基于拓扑结构特征的微裂隙-孔隙空间描述方法

微裂隙在多孔介质储层大量发育并与基质孔隙连通,是流体渗流特别是非常规储层油气渗流的重要通道.高精度无损成像技术以及数字岩心技术的快速发展,为孔裂隙空间描述、孔裂隙模型构建等研究提供了数据支撑.本文基于传统孔隙空间拓扑学,分析裂隙拓扑结构特征,充分考虑三维裂隙空间区别于普通孔隙的面状特征以及与基质孔隙之间的相互连通关系,提出"特征点化"的思路,将裂隙空间点进行分类,形成了适用于多种孔裂隙空间的描述以及结构特征分析方法.首先基于传统孔隙拓扑结构分析方法,提出"线面共存"的新骨架模型,提取裂隙中轴骨架面、中轴骨架线,精细刻画裂隙轮廓以及孔裂隙连通关系;其次,基于各类空间点的拓扑结构共性分别提取相应点集,分割孔隙、裂隙空间,构建微裂隙-孔隙骨架模型;第三,基于新的孔裂隙骨架模型提取孔裂隙空间的几何-拓扑结构特征参数,获取裂隙孔隙度、开度、倾角等重要裂隙几何参数,以及孔裂隙配位数、裂隙发育范围等拓扑参数;最后基于上述骨架提取描述方法,对理想与真实孔裂隙空间的数字岩心进行了骨架提取和分析.从微裂隙拓扑形态开展研究进而对裂隙-孔隙空间描述,可简化此类孔隙介质的建模过程,为后续气、液流动模拟提供准确数据基础,促进缝洞介质油气开发的进展.     

面向声学操控和声学反演的拓扑声学与多相孔隙介质声学

<正>拓扑声学属于声学和凝聚态物理学研究中的新兴研究领域,是研究声波在特殊拓扑结构中传播的学问.它是基于物质拓扑态的概念,在凝聚态物理学中发展起来的,后来扩展到包括声学和光子学等其他学科.人们可以利用某些声学介质的拓扑性质,设计声超常材料以实现声学操控.可以说,拓扑声学是声学与拓扑学交叉融合的结果,是近代声学前沿研究热点之一.多相孔隙介质声学是研究声波与由多种物质组成的孔隙介质相互作用和应用的学问.     

基于灰度CT 图像的岩石孔隙分形维数计算

研究刻画岩石类材料中的孔隙结构特征对于揭示岩石的各种力学行为具有重要意义,为此将分形理论与数字图像处理技术相结合, 针对工业CT 扫描得到的岩石切片图像进行了分析, 从中提取研究了岩石的孔隙结构特点, 讨论了孔隙率和分形维数之间的关系. 岩石CT 图像中各像元的灰度值是对应岩石微元中各物质衰减系数的综合反映, 可以反映出岩石中各种尺度孔隙的影响. 结合实验测定的孔隙率, 采用逆分析的方法可以确定出分割阈值的大小, 从而得到岩石孔隙结构的二值化图像, 为进一步研究孔隙拓扑结构提供基础. 随着孔隙率的增大, 孔隙结构的分形维数也变大. 而且在孔隙率相同的情况下, 孔隙结构的分形维数也不尽相同. 孔隙结构越复杂, 其分形维数越大. 实验证实, 基于灰度CT 图像的岩石孔隙分形维数是岩石孔隙率等参数的有效补充, 可以更好地表征岩石孔隙结构的分形特征.     

以PET聚合物为例定量评估微塑料的非主动陆地输入

微塑料的水体污染已受到广泛关注,但对于陆地环境中微塑料的污染问题,特别是除塑料废物填埋或堆放以外的微塑料非主动陆地输入,目前知之甚少.聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)是产用量最大的塑料之一.本研究优化了基于化学解聚-液相色谱连接三重四级杆质谱的PET聚合物定量分析方法,使其对降尘与污泥中PET的检测回收率达到94%～104%.通过质谱检测发现, PET在天津市大气降尘和污水处理厂剩余污泥样品中广泛存在,浓度分别高达776～5400μg/g(降尘)和296～519μg/g(污泥).可估算在天津市范围内大气沉降和污泥施用导致的PET微塑料陆地输入通量分别为4.8～28和28～49 t/a.此外,某垃圾填埋场矿化垃圾土中的PET浓度为73～944μg/g.本研究提出了微塑料陆地输入的具体通量数值.大气沉降输入是微塑料非主动陆地输入的重要途径,其输入的区域时空分布较为均匀.而污泥施用与矿化垃圾土再利用则可能导致微塑料在农田和城市园林中的高强度集中输入,其生态风险值得关注.     

变形条件下孔隙岩石CH_4微细观渗流的Lattice Boltzmann模拟

岩体开采变形对流体渗流性质的影响是煤瓦斯共采、油气资源开发、CO2地质封存及地下水资源保护等关注的重要问题.本文基于砂岩孔隙结构CT图像,发展了一种孔隙岩石CH4微细观渗流的LBM模拟方法及适合于大尺度孔隙模型的并行算法,运用此方法模拟分析了孔隙砂岩CH4微细观渗流性质及孔隙结构特征的影响,并与实验结果进行对比,验证了LBM方法的可靠性.利用LBM+FEM方法分析了应力作用下孔隙结构变形对CH4渗流的影响机制.结果表明:该方法可以直观定量地描述岩石微细观孔隙结构特征、渗流速度场空间分布、渗透率以及应力作用下孔隙结构变形对渗流速度场、有效孔隙度和渗透率的影响.不同孔隙度砂岩渗透率的LBM计算结果与实验值具有较好的一致性.     

功熵与功(火用)

类似于克劳修斯采用由3个等温过程和3个绝热过程组成的可逆热转功循环,建立热向功转换与热量从高温向低温转换的等价定律,并导出克劳修斯等式和熵的方法.本文采用由3个等压过程和3个等容过程组成的可逆功转热循环,建立了功向热转换与功量从高压向低压转换的等价定律,导出了逆循环等式和功熵,并推广至任意可逆的逆循环.系统的体积就是功熵,它是逆循环的核心物理量.类似于(火用)的定义和表达式,定义了新的物理量——功(火用),并借助于逆p-V循环导得了它的表达式.而后阐明了功熵和功(火用)的物理意义,并与热熵和热(火用)的物理意义进行对比.最后介绍了它们在可逆过程性能分析中的应用.     

仿荷叶微凹凸表面的疏水机理与判据

根据液滴在有限液固界面上接触角恒增大原理,提出仿荷叶微凹凸表面提高疏水性是众多小尺寸有限液固界面所集成的结果.建立了液滴在类荷叶结构表面的稳定性数学方程,推导出微凹凸表面空隙的理论临界半径与固体、液体性质之间的关系,阐述了实现疏水性的3个条件.计算结果表明,当微凹凸表面空隙半径小于理论临界半径rc时,液滴在固体表面均可呈现接触角大于90°的稳定状态,而液固界面面积的最小化以及低的固体表面能是实现疏水性的重要因素.提出用有效黏附功W′a作为衡量固体表面疏水能力的判据.     

浅谈膨胀性围岩对隧道施工的影响

文章分析了膨胀性围岩的特性、膨胀性围岩对隧道施工的影响以及膨胀性围岩的隧道施工要点,为隧道施工中及时采取预防措施提供了依据.     

砂岩中准谢尔宾斯基海绵体的发现及其意义

沉积岩具有十分复杂的孔隙结构.80年代中期以来,对沉积岩孔隙结构的研究表明:沉积岩孔隙空间具有统计分形或自相似结构.1991年7月,我们用扫描电子显微镜分析吐-哈盆地七克台地区地面样品时,发现了普遍发育于砂岩胶结物中的规则多层嵌套三角形多孔团簇.这一发现不仅为砂岩孔隙空间的分形结构提供了直接的证据,而且揭示了砂岩中存在规则分形结构的事实.     

格子Boltzmann方法在电流体动力学中的应用: 均匀电场中液滴的变形和失稳

均匀静电场中液滴变形问题是电流体动力学的重要基础内容, 用格子Boltzmann方法研究此问题是一个崭新的领域. 基于Peng等人提出的可以得到高液气密度比和低液相压缩性的单组分两相格子Boltzmann模型, 采用本文提出的液相和气相统一的介电常数与密度的关系式, 对均匀静电场中二维绝缘液滴在绝缘媒质中的变形问题进行了数值模拟. 结果表明, 本研究采用的方法可以很好地模拟出液滴形态变化及其规律, 特别是液滴的失稳射流现象, 并得到电场中绝缘液滴变形问题的重要特征参数——临界介电常数比和临界电场强度. 这些结果与相关的理论和实验符合较好, 表明格子Boltzmann方法在研究存在多相的电流体动力学问题上具有独特优势和很大潜力.     

陕北陇东黄土孔隙分布特征

黄土最大特征之一是富含孔隙。黄土孔隙结构与其组成物质的堆积方式及风化成土作用有关,它对黄土的物理力学性质影响很大。我们在国内首次用压汞法进行了黄土孔隙研究,效果很好。它能定量地揭示黄土中不同大小孔隙的分布特征,并能定量地了解黄土中孔隙的连通性和渗透性,弥补了以往偏光镜下定性描述的不足,也弥补了孔隙度只限于了解孔隙性的不足,使黄土孔隙研究取得了新的进展。这次测试的52个样品采自陕西榆林、靖边、洛川、长武、西安及蓝田以及甘肃西峰等地八个黄土剖面。凡同一时代的样品均取自同一层位。     

水合物降压分解过程中沉积物孔隙结构动态演化规律

选取两种不同粒径分布的天然海砂样品,在相同实验温度及压力条件下合成甲烷水合物.开展水合物降压分解X-CT微观实验,获取不同时刻的沉积物内部构成图像.对X-CT扫描图像进行阈值分割、三维重建及拓扑等效等处理,建立不同粒径含水合物沉积介质不同分解阶段的三维孔隙网络模型,研究水合物降压分解过程中沉积物孔隙结构动态演化规律及其控制机理.研究表明,甲烷水合物微观分布非均质特征显著,分解过程开始于气-水合物接触的位置,分解初期水合物具有孔隙填充、颗粒胶结等多种赋存模式,而分解后期孔隙中主要赋存颗粒胶结型水合物.随着水合物饱和度的减小,不同粒径含水合物沉积物的平均孔喉半径、孔隙度、绝对渗透率以及两相共渗区宽度均不断增大,配位数、形状因子及束缚水饱和度逐渐减小.受水合物分解动力学行为影响,分解前期沉积物平均孔隙半径缓慢降低,水合物饱和度下降至某一临界值(小于0.1)后,平均孔隙半径和绝对渗透率急剧增大.粒径分布越窄,相同水合物饱和度下沉积物平均孔隙及孔喉半径、孔隙度和绝对渗透率越高,但不同粒径沉积介质配位数和形状因子的变化存在交叉点,表明含水合物沉积物微观孔隙结构特征受粒径分布、水合物微观赋存状态及空间分布的协同影响.     

击实粘性土微结构特性的定量评价

微观结构是影响击实粘性土工程性质的一个重要因素.在不同含水量下重塑的粘性土在击实过程中,其结构不断发生变化,并直接影响到土的工程性质.本文应用Videolab图象分析系统,对不同含水量下击实粘性土的微观结构进行了定量分析,提出了3种评价土结构定向性的定量指标,揭示了粘性土在击实过程中性质变化的内在机理