饱和土液化、剪切带破坏

饱和土液化

        饱和砂土的液化是一种重要的土体破坏形式,与滑坡泥石流等载荷、地震引起的结构物破坏等密切相关。由于涉及到孔隙水和土体骨架在静动载下的相互作用,以及孔隙水压的累积、土体骨架的破坏过程,到目前为止,仍然是土力学研究人员致力于解决的问题。在这方面的工作如下:

  1. 侧限条件下饱和土体本构:通过系列实验,获得了侧限往复荷载条件下不同松密程度的细砂在加、卸载路径,包括等幅的及不等幅情况下的应力应变数据;并获得了以双曲线形式表述的砂土应力一应变关系,包括加载曲线和卸载曲线,可以反映非线性和滞回特性并能方便地应用于液化分析;
  2. 垂向动载荷下的饱和砂土液化发展:详细分析主要因素对垂向载荷下液化的影响,分析了垂向动载荷作用下空分析压力、有效应力、变形、液化区扩展等参数的发展演化过程
     
    有效应力沿深度  孔压上升过程
  3. 液化后土体中水层产生及演化:首先对土体液化条件和发展进行了研究,然后重点对液化后"水层"的产生条件和发展演化规律进行了较深入的研究,获得了"水层"形成、扩展和闭合的演化过程的机理,并将研究结果用于滑坡和泥石流的起动分析。主要完成的工作包括: (1) 提出针对该问题的考虑土体中细颗粒冲刷与重沉积的拟三相介质数学模型,以及渗透率随孔隙和孔隙中细颗粒含量变化的关系; (2) 获得了饱和砂层液化后"水层"产生的条件; (3)获得了水层扩展、闭合的演化特性:砂层液化后,发生重固结,细颗粒被孔隙水流从骨架上冲刷下来并随孔隙水运动。细颗粒的运移使得初始分布有微小不均匀的孔隙更加不均匀,在某处出现堵塞,堵塞位置下孔隙水发生集中,形成只有水的"水层"(下图a);当堵塞处由于某种原因如孔压差增加到一定程度而被冲开,则"水层"又会逐渐消失(下图b)。水层扩展的速度为    。

实验中观察到的水层 (图中沿水平延展的黑色条带)

 
(a) “水层”逐渐扩展 (b) “水层”先扩展后闭合
图3 水层”演化发展

剪切带

    岩土局部化变形的形成与演化是当前国内外力学界和土工界共同关心的问题。饱和土的局部化变形一般是指薄的剧烈变形的局部化带。由于很多岩土体的变形特征是由剪切带内岩土特性控制的,故对该问题的研究具有重要的实际意义。一般地将岩土中的局部化变形视为连续介质的分岔问题。这部分的研究工作主要为:

  1. 基于分岔理论,获得了饱和土体中剪切带在简单剪切、平面应变剪切、反平面剪切等条件下的剪切带产生条件。
  2. 获得了饱和土体中剪切带宽度的简化估算方法;
  3. 分析了剪切带发生后的演化过程特性。
应变率发展 孔压发展

 油层物理 (低渗油气藏渗透特性分析)

    致密储层的非常规油气藏既具有重要的开采潜力,储层具有包含微裂隙和微小孔喉的多重孔隙结构以及应力敏感性强的特征。多重孔隙网络模型不仅可以考虑基质、微小孔隙、裂隙三部分,而且引入孔隙和微裂隙的微观流动和基质变形的物理机制。因此,本项目将研究:1)含微裂缝系统的超低渗透油藏储层的孔隙结构和变形特征和表征参数;2)基于实验统计规律和物理机制的多重孔隙网络模型及模拟技术;3基于建立的多重孔隙网络模型分析含微裂缝的低渗储层渗流特性。


考虑应力敏感性的压力分布图

CT扫描实验
  1. 建立了三维孔隙网络模型模拟软件,可实现静态、准静态和动态的不同孔隙结构类型和不同孔喉分布的油水两相驱替的数值模拟,根据动态孔隙网络模型的经验,在模型中可引入微观变形和渗流的物理机制,从而开展超低渗透油气藏微观流动机理的研究。
  2. 建立了三维孔隙网络模型模拟软件和双重逾渗模型,也可进行裂隙连通性、含裂隙双重网络的渗透率的分析和模拟
  3. 应力敏感性这一影响因素,对低渗透条件下单相一维渗流和径向流,以及油水两相一维渗流的理论公式进行了推导,并通过数值计算,研究了渗流过程中压力分布、流量以及渗透率的变化规律及其影响因素。 

泥石流

   通过研究震后泥石流物源区松散土物理和土力学特性的变化、坡面降雨入渗、产流,及与地震耦合作用下泥石流形成机理,提出震后松散土体泥石流启动的判据,为灾区震后重建和灾区社会经济的长期发展提供科学依据,为灾区重点区域的泥石流监测和预警报提供理论方法和途径(1) 降雨起动与降雨历时的关系、冲刷量与水量间的关系、细颗粒对泥石流起动的影响;获得了细颗粒在泥石流起动中的作用;获得了泥石流起动条件。 (2) 提出泥石流的流变关系; (3) 泥石流起动模式。

  Rainfall duration and rainfall intensity

          
降雨后剪应力分布


位移分布

二氧化碳埋存

    确定了CO2逃逸的重要控制参数,即盖层渗透特性、裂隙分布、裂隙发展规律等因素;利用ABAQUS大型商业软件进行CO2埋存后气体的均匀渗透、含油井或裂隙地层的逃逸的数值模拟,确定盖层特性中裂隙分布及裂隙发展是CO2埋存逃逸为重点考虑的科学问题;渗透率在0.01mD以下盖层,CO2埋存后渗透逃逸的时间为5万年以上,渗透率在0.1mD以上的盖层,逃逸在百年至千年范围内,不适合埋存。

    在逾渗理论的基础上进行含裂隙地层CO2埋存后逃逸的可能性分析,得到了判定CO2埋存后是否通过裂隙从覆盖层逃逸的统计方法;提出了一种能够研究裂隙多孔介质的连通性和渗透性的双重逾渗模型。使用该模型可以判断盖层的连通性质;找到了能够量化反映裂隙多孔介质连通性的参数A0和D。分形维数D能够用以判断裂隙多孔介质属于“弥散型”(D<2)还是“指向型”(D>2),其中“指向型”裂隙多孔介质具有自封闭特点,利于盖层的封盖性能。

    对CO2地质埋存引起裂隙岩层变形进行数值模拟,结果表明随CO2浮力增加、渗透时间增加、岩层渗透率增大,特别是裂隙刚度的减小,在裂隙岩层顶部,顶部竖向位移逐渐加大,裂隙处相对水平位移也在加大,裂隙处应力自岩层下部到顶部逐渐减小。

Dissipation under different pressures at upper boundary Escaped CO2 mass under different pressuresat upper boundary