毛乌素沙漠风积砂力学特性室内试验研究

在对毛乌素沙漠风积砂物理特性进行试验研究的基础上,通过室内击试验、压缩试验及三轴剪切试验,对毛乌素沙漠风积砂的力学特性进行了初步研究。结果表明:毛乌素沙漠风积砂击实特性与粉、黏性土有较大的差异,在干燥和最佳含水率状态下易于击实,击实曲线呈双峰形态; 压缩试验表明毛乌素沙漠风积砂一般属于低压缩性土,其压缩特性与试样初始密度、含水率、荷载级别及加载条件有关; 三轴剪切试验表明毛乌素沙漠风积砂抗剪强度指标受试样密度的影响较大,虽然含水率对抗剪强度指标有一定影响且具有一定规律性,但影响程度并不明显。本文相关成果为解决该区风积砂相关岩土工程问题和工程地质问题提供了可靠的试验依据。     

黏性土宏细观参数相关性研究

运用颗粒流程序中的bond原理结合Mohr-Coulomb破坏准则对黏性土双轴试验进行了数值模拟,探讨了黏性土宏观强度指标与其对应的细观参数之间的关系.分析结果表明,黏性土内摩擦角与颗粒摩擦角呈线性关系,黏性土黏聚力-颗粒接触强度两者拟合曲线的斜率与颗粒间摩擦系数呈幂函数关系,且两者的相关性都很好.通过该宏细观关系,得出上海第②层褐黄色粉质黏土细观参数,对其进行了双轴试验的颗粒流模拟,计算得到的应力应变曲线与实测结果一致.研究成果对于黏性土细观参数的取值及颗粒流模拟具有指导意义.     

黏性土渗透性温度效应实验研究

由于全球气候变暖、城市热岛效应加剧和核废料地质处置等原因,温度对黏性土工程性质的影响日益受到关注。本文在实验的基础上,采用直接测量法,对南京下蜀土、淤泥质土以及混合土3种试样,进行了5°～45°温度下的变水头渗透实验,分析了温度对黏性土渗透性的影响。实验结果表明：温度对3种试样的渗透性均有较大影响。温度越高,渗透性越大; 试样的密度越大,渗透系数随温度变化率越低; 在3种试样中,混合土的渗透系数高于淤泥质土和下蜀土的对应值,而淤泥质土的渗透系数又略大于下蜀土。最后对黏性土渗透性的温度效应机理进行了分析,认为水的动力黏滞性,黏粒的双电层厚度以及土的微结构三方面因素的共同作用引起了黏性土渗透性的温度效应。
黏性土,渗透系数,温度效应,机理     

粉尘等容燃烧容器内扬尘系统诱导湍流特性的实验研究

采用热线风速仪与系统平均法测定和研究了三种圆柱形封闭容器内的扬尘诱导湍流衰减特性,并与球形爆炸容器内已测定的扬尘诱导湍流衰减特性进行了比较。探讨了扬尘装置、容器体积、形状对扬尘诱导湍流瞬态特性的影响。实验结果显示,在粉尘等容燃烧容器内扬尘诱导湍流强度随时间的衰减特性具有一定相似性,它们均呈负指数关系。     

确定非饱和粉土吸附强度的试验研究

非饱和粉土的吸附强度是土力学研究中的难点。针对非饱和粉土吸附强度的影响因素复杂且难以确定等问题,以饱和粉土抗剪强度计算公式为基础,以非饱和粉土抗剪强度作为过渡,研究吸附强度的确定方法。本文通过对不同含水率条件下的非饱和粉土进行固结不排水三轴剪切试验,利用MATLAB对得到的试验结果进行线性回归分析,探究非饱和粉土吸附强度与含水率之间的关系,提出了非饱和粉土吸附强度的计算公式。研究结果表明,非饱和粉土的吸附强度与含水率呈线性递减趋势。本文提出的计算公式可为非饱和粉土的理论分析和工程应用提供参考。     

非饱和黏性土抗剪强度的温度效应试验研究

为了系统地了解温度对黏性土工程性质的影响,本文采用南京地区三种不同矿物成分的黏性土,制成不同含水量和干密度的试样,在5~45℃条件下,开展了抗剪强度试验,获得了三种土的非饱和重塑试样的抗剪强度与温度的关系。试验结果表明:黏性土的黏聚力随温度升高呈线性变化; 亲水矿物含量较高的黏性土抗剪强度对温度变化较敏感,黏聚力随着温度的升高而降低,表现为强度的热软化现象; 亲水矿物含量较低的黏性土,当含水量较低(w≤17%)时,表现为强度的热硬化现象,当含水量较高(w≥22%)时,表现为强度的热软化现象,且干密度越高的试样,强度的温度效应越明显。论文还分析了非饱和黏性土抗剪强度的热硬化和热软化的内在机理。     

含层理页岩气藏水力压裂裂纹扩展规律解析分析

页岩气蕴藏在页岩层中,页岩层的层理性构造使其水力压裂裂纹扩展与常规均质储层不同.为研究页岩储层水力压裂的裂纹扩展规律,基于复变函数保角变换,得出裂纹尖端应力集中解,考虑页岩非均质、强度各向异性特点,通过比较裂纹沿各方向扩展所需的裂缝尖端水压力,推导出水力压裂裂纹垂直于最小地应力方向稳定扩展过程中在斜交层理后的扩展判据.分别定义了水力压裂裂纹在层理处起裂和沿层理扩展的弱层和岩石基体临界强度比,根据两个临界强度比确定水力压裂裂纹遇层理时在层理处起裂和沿层理扩展的层理弱面强度范围,以此表示水力压裂裂纹转向层理扩展的难易程度.通过对裂纹扩展判据的分析得出:层理起裂弱层和岩石基体临界强度比随层理走向线与第一主应力夹角和层理倾角的减小以及第三主应力和岩石基体强度的增大而增大;层理走向角小于35.26°时,层理起裂弱层和岩石基体临界强度比随第一主应力的减小以及第二主应力的增大而增大;反之,层理起裂弱层和岩石基体临界强度比随第一主应力的减小以及第二主应力的增大而减小;层理扩展弱层和岩石基体临界强度比随层理走向线与第一主应力夹角、层理倾角和地应力差的减小以及岩石基体抗拉强度的增大而增大.层理起裂条件与层理扩展条件同时满足时,水力压裂裂纹转向层理方向扩展.      

含水合物粉质黏土压裂成缝特征实验研究

水力压裂技术是一种重要的油气井增产、增注措施,已经广泛应用于页岩油气等非常规资源的商业开采中.目前对于粉质黏土水合物沉积物的水力压裂成缝能力尚不清楚.本文采用南海水合物沉积层的粉质黏土制备沉积物试样,并与实验室配制的粉细砂土沉积物对比,分析粉质黏土沉积物的水力成缝能力及主控因素.实验结果表明含水合物和冰的沉积物破裂压力较高,这与粉质黏土沉积物特殊的应力-应变特征和渗透性有关.当沉积物应变高于6%时,试样强度迅速上升,呈现应变强化的特征,对水力拉伸裂缝的扩展具有一定的阻碍作用.粉质黏土沉积物粒径细小,渗透性差,难以通过渗透作用传递压力,提高了沉积层的破裂压力.此外,粉质黏土水合物沉积层裂缝扩展存在明显延迟效应,说明裂缝扩展受到流体压力和热应力的共同影响.适当延长注入时间,保持流体与沉积层充分接触,会起到分解水合物、降低破裂压力的作用.该研究成果有利于深入理解水力裂缝在水合物沉积层中的扩展规律,对探索压裂技术在水合物沉积层开发中的应用具有重要意义.     

含水合物粉质黏土压裂成缝特征实验研究

水力压裂技术是一种重要的油气井增产、增注措施,已经广泛应用于页岩油气等非常规资源的商业开采中.目前对于粉质黏土水合物沉积物的水力压裂成缝能力尚不清楚.本文采用南海水合物沉积层的粉质黏土制备沉积物试样,并与实验室配制的粉细砂土沉积物对比,分析粉质黏土沉积物的水力成缝能力及主控因素.实验结果表明含水合物和冰的沉积物破裂压力较高,这与粉质黏土沉积物特殊的应力-应变特征和渗透性有关.当沉积物应变高于6%时, 试样强度迅速上升, 呈现应变强化的特征,对水力拉伸裂缝的扩展具有一定的阻碍作用. 粉质黏土沉积物粒径细小, 渗透性差,难以通过渗透作用传递压力, 提高了沉积层的破裂压力. 此外,粉质黏土水合物沉积层裂缝扩展存在明显延迟效应,说明裂缝扩展受到流体压力和热应力的共同影响. 适当延长注入时间,保持流体与沉积层充分接触, 会起到分解水合物、降低破裂压力的作用.该研究成果有利于深入理解水力裂缝在水合物沉积层中的扩展规律,对探索压裂技术在水合物沉积层开发中的应用具有重要意义.      

粉土热导率与含水量关系的实验研究

目前报道的不少实验成果,在得出粉土热物性指标和某一因素的关系时,并未保持其他影响因素固定不变,因而只能说明粉土热物性指标随影响因素的定性变化趋势。要建立热物性指标与影响因素间的确定性关系和推算公式,需要更为严格的实验,即研究某一影响因素时保持其他因素不变。通过一系列实验,对粉土试样的热导率进行研究,在排除孔隙比、干密度、土样成分等影响因素的情况下,独立分析了粉土的热导率与含水量间的关系。实验结果表明粉土的热导率随含水量的增大而增大,其变化规律与砂土一致,都符合对数变化规律,且整个变化过程可分为两个阶段。同时还分析了粉土的内在传热机制,有效描述和解释粉土热导率随含水量的变化规律。分析结果表明用对数形式来描述粉土热导率与含水量之间的关系是正确的。       

A 3D DEM-LBM approach for the assessment of the quick condition for sands

We present a 3D numerical model to assess the quick condition (the onset of the boiling phenomenon) in a saturated polydisperse granular material. We use the Discrete Element Method (DEM) to study the evolution of the vertical intergranular stress in a granular sample subjected to an increasing hydraulic gradient. The hydrodynamic forces on the grains of the sample are computed using the Lattice Boltzmann Method (LBM). The principal assumption used is that grains remain at rest until the boiling onset. We show that the obtained critical hydraulic gradient is close to that defined in classical soil mechanics. To cite this article: M. Mansouri et al., C. R. Mecanique 337 (2009).     

库水位上升条件下边坡渗流场模拟

库水位的上升将导致边坡体内渗流场的变化,进而引起边坡的失稳破坏。边坡体内的渗流场是饱和渗流与非饱和渗流共同作用的结果,通过对库水位上升过程中坡体内地下水位线的位置变化及相应的渗流场参数的计算表明:由于上部松散堆积体与基岩渗透系数的差异,基岩内地下水位线的抬升速度明显滞后于上部松散堆积体;体积含水量、压力水头、流速和水力梯度等渗流参量在基岩中的变化幅度较小,而在上部松散堆积体中的变化幅度则相对较大。这说明库水位上升对上部松散堆积体的影响相对来说还是比较明显的。     

岩体中饱和渗流应力耦合模型研究进展

在大坝渗流与控制、各种水工隧洞和交通隧道以及地下各种洞室开挖、采矿工程与油藏开采中的水力劈裂、 岩坡和坝基的稳定性研究等领域中经常会遇到岩体的饱和渗流应力耦合问题.本文对这些领域中的渗流应力耦合问题分为6种力学模型: 等效连续介质模型、 裂隙网络模型、 双重介质模型、 断裂力学模型、 连续损伤力学模型和统计模型.前3种主要从经典的黏弹塑性本构着手考虑, 着重对渗流场的处理, 后3种则是从考虑岩体在耦合作用下发生损伤破裂行为方面切入, 着重于岩体结构内部发生质的改变带来的更加复杂的耦合效应.对这些模型进行了详细的介绍, 指出了这些模型的优缺点与适用范围, 给出了一些有代表性的研究成果, 并对该研究领域中未来的研究方向进行了展望.     

坝前淤泥土与新填坝体接触面抗剪强度试验研究及工程应用

坝前淤泥面与新填筑坝体接触面是"坝前淤泥面加坝"技术的薄弱环节。为了探究不同工况下淤泥坝基、新填筑坝体,以及淤泥土-新填土接触面的剪切强度特性,以宁夏南部山区西吉县南川水库坝前淤泥面加坝工程为研究对象,通过常规应变式直剪仪、改进常规应变式直剪仪分别进行剪切试验,分析了淤泥土含水率和压实度变化时,淤泥土、新填土、淤泥土-新填土接触界面的抗剪强度、黏聚力、内摩擦角的变化规律。试验结果表明:新填土抗剪强度最大,不同工况下淤泥土-新填土接触界面的抗剪强度介于淤泥土和新填土的抗剪强度之间;淤泥土含水率在12%~16%之间存在最优含水率,超过该含水率后,淤泥土及淤泥土-新填土接触界面之间的抗剪强度均显著降低;当淤泥土含水率从8%增加至12%、16%时,黏聚力减小8%左右后迅速减小至22%,具有明显的阶段性,而淤泥土-新填土接触界面的黏聚力呈现先增加后减小的趋势;当含水率相同时,随着压实度的增加,淤泥土、淤泥土-新填土接触面的黏聚力、内摩擦角总体呈增大趋势。最后根据试验结果对"坝前淤泥面加坝"工法的工程应用提出了相关建议。     

砂-膨润土混合屏障材料渗透性影响因素研究

建立了一个新的结构-尾流振子耦合模型. 流场近尾迹动力学特征被模化为非线性阻尼 振子,采用van der Pol方程描述. 以控制体中结构与近尾迹流体间受力互为反作 用关系来实现流固耦合. 采用该模型进行了二维结构涡激振动计算,得到了合理的 振幅随来流流速的变化规律和共振幅值,并正确地预计了共振振幅值$A_{\max}^\ast$ 随着质量阻尼参数$\left( {m^\ast + C_A } \right)\zeta $的变化规律,给出了预测$A_{\max }^\ast $值的拟合公式. 采用该模型计算了三维柔性结构在均匀来流和简谐波形来流作用下的VIV 响应. 结构在均匀来流作用下振动呈现由驻波向行波的变化过程, 并最后稳定为行波振动形态. 在简谐波形来流作用下,结构呈现混合振动形态,幅值随时间呈周期变化.     

一维渗透力与浮力

为简化分析,针对一维渗流问题,研究提出了土力学中渗透力和浮力的两种推导方法,作为传统的宏观尺度孔隙水隔离体法的有益补充.弹性力学平衡微分方程、土力学Terzaghi有效应力方程和流体力学简化Bernoulli方程构成本文分析渗透力和浮力的3个基本方程.在基本方程基础上,容易推导出相应的骨架和孔隙水两种隔离体的平衡微分方程,从而在静力平衡范畴内揭示渗透力和浮力的内涵.单位体积饱和土体的渗透力,源于总水头压力的梯度,而浮力则源于位置水头压力在竖向的梯度,这两者统一于骨架或孔隙水的平衡微分方程.实际工程关注的有效应力计算问题,一般可以直接应用3个基本方程来确定;只有在简化条件下可按渗透力和浮力计算土体中有效应力分布规律.还讨论了若干研究热点问题,重点探讨了当前一种渗透力新定义j=nγ_wi在形式上的合理性以及在实际应用中可能存在的风险,并验证了一维渗透力的一种经典精细化表述结果中考虑渗流速度时间导数的严谨性.在土力学渗透力和浮力问题研究中应重视和正确应用Terzaghi有效应力方程.     

Analysis of power-law self-similar solutions to the problem of hydraulic fracture crack formation

The problem of hydraulic fracture crack propagation in a porous medium is studied in the approximation of small crack opening and the inertialess flow of an incompressible Newtonian hydraulic fracturing fluid inside the crack. A one-parameter family of power-law self-similar solutions is considered in order to determine the crack width evolution, the fluid velocity in the crack, and the seepage depth in the case of high and low seepage rates through the soil when a fluid flow rate is given at the crack inlet.     

西安市黑河水库左坝肩渗漏三维数值模拟及坝肩坡体稳定性分析

直接针对西安市黑河水库左坝肩渗漏这一重大工程实际问题展开研究与计算。应用三维有限差分方法对左坝肩单薄山梁的初始渗流场、蓄水后的渗流场进行了数值模拟 ,分析渗漏方式、计算相应的渗漏量 ,并通过计算说明了断层是集中渗漏通道。而后利用三维数值计算提供的水位值 ,应用极限平衡分析法 ,对左坝肩岩质斜坡稳定性进行计算与分析 ,计算结果对实际工程的决策与治理提供重要的依据。     

非连续变形分析方法的改进及应用1）

首先,采用位移收敛判据对非连续变形的岩石断裂分析进行改进并程序实现. 其次,将非连续变形分析方法和裂隙网络渗流模型结合起来,建立了渗流应力耦合分析模型,研究了裂隙岩体变形对渗流的影响以及渗流与应力耦合作用下裂隙岩体的变形破坏特征. 研究发现,主干裂隙控制着渗流场分布,考虑耦合作用时的水头值比不考虑耦合作用时大,说明考虑耦合后坡体更容易变形失稳. 改进前后裂纹扩展形态基本不变,表明程序计算的收敛判据是有效的.