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在季节冻土区,周期性的冻融作用改变土体的内部结构,导致土体的渗透性发生变化。黄土渗透性变化的原因可以归结为两类:1黄土孔隙孔径大小的变化。2黄土颗粒粒径大小的变化.因为分形理论能够很好地估算土体的结构特征,所以本文基于分形理论探究冻融循环后黄土渗透性变化的原因。对经历过冻融循环的原状黄土和重塑黄土进行颗粒质量-粒径分布和孔隙体积-孔径分布分形计算,结果显示:原状黄土和重塑黄土的颗粒质量-粒径分形维数与渗透系数的拟合度R2分别为0.7509和0.8222,高于孔隙体积-孔径分形维数与渗透系数的拟合度0.467和0.4576。颗粒质量-粒径分形维数与渗透系数的拟合度比孔隙体积-孔径分形维数高,说明土颗粒粒径对渗透性的影响大于孔隙孔径,即土体渗透性与土颗粒粒径大小有高度相关性,而与孔隙孔径的关系弱于颗粒粒径。 相似文献
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目前“双碳”减排的背景下,砂岩咸水层是最具潜力的二氧化碳封存介质,其孔隙结构特征决定了流体的运移及封存效率,对其进行研究具有重要的科学意义。分形维数常用于定量表征砂岩孔隙结构在三维空间中的分布规律,但以往对砂岩孔隙迂曲度分形特征进行研究时,多依赖于孔隙率、平均孔隙半径、平均迂曲度等特征值计算分形维数,并不能很好的反映岩石孔隙排列分布及孔隙连接的非均质性。文章将砂岩孔隙结构概化为具有迂曲度的毛细管,首先通过核磁共振成像（MRI）技术获取岩石片层图像,以盒维数法获得孔径分布分形维数;随后以孔径分布分形维数为目标值,结合不同迂曲度下的毛细管数量与孔径的分形标量关系,迭代计算迂曲度分形维数。与传统的分形维数计算方法相比,该研究确定的迂曲度分形维数更能体现岩石内部不同孔隙排列方式引起的迂曲度差异。 相似文献
3.
分形理论是宏观上定量评价储层非均质性的有效手段。以阳泉新景矿高煤级煤样品压汞数据为基础,建立分形几何模型,定量描述了孔隙结构。实验结果表明:样品孔隙以纳米孔为主,孔径、比表面积及孔容也集中分布在纳米孔段。煤样孔径65 nm以上的孔隙具有显著的分形特征,分维值分布范围为2.89~2.99,体积增量呈现阶段式的变化,孔隙结构复杂;孔径65 nm以下孔隙几乎无分形特征,比表面积增量与孔径在对数坐标中呈线性关系;基于分形特征及分子运动规律,将储层孔隙以孔径65 nm为界划分为扩散孔和渗透孔2个大类6个小类。分维值与体积孔隙中值半径、总孔隙体积呈负相关,与孔径65 nm以上的孔隙体积、比表面积呈正相关,与孔隙度无相关性。分形分维值对储层结构具有较全面的表征能力,可以作为综合指标在煤储层孔隙研究中加以应用。 相似文献
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基于不同分形模型的冻融黄土孔隙特征研究 总被引：4，自引：3，他引：1
为了得到冻融作用对黄土孔径分布的影响规律, 以重塑黄土为研究对象, 利用压汞法测试经历不同冻融循环次数后黄土样品的孔隙特征, 采用3种分形模型对冻融作用后的黄土微观孔隙结构进行定量表征和对比研究。结果表明： 未经冻融作用的黄土孔隙分布曲线呈单峰分布, 经历冻融作用的黄土孔隙分布曲线呈双峰甚至多峰分布。冻融作用对黄土中孔径分布在0.1 ~ 10 μm范围内的孔隙影响较大。前10次冻融作用使黄土孔隙率增加, 特别是经历6次冻融作用后, 与未经历冻融作用的黄土相比孔隙率增大约18.8％。随着冻融作用的继续, 黄土孔隙率减小且趋于稳定。经历不同冻融循环次数后的黄土孔隙分布均具有良好的统计分形特性。基于热力学模型和毛细管压力曲线法表征黄土孔隙结构时, 黄土孔隙呈现显著的分形特性, 可在整个孔径尺度范围内给出唯一且合理的分形维数。基于Menger海绵模型表征的经历冻融作用后黄土孔隙分形特征呈现多尺度分形, 在不同的尺度范围内, 有不同的分形维数。结合分形理论可知冻融作用改变了黄土孔隙均匀性及复杂程度。 相似文献
5.
微观土颗粒及孔隙分布的非均匀性及由此引起的瓶颈效应是造成非饱和土土-水特征曲线(SWCC)滞后效应的主要原因。引入分形理论,考虑非饱和土孔径及渗流路径的微观分形特性,提出了一个用于描述水在非饱和土中渗流的毛细管模型。模型中将非饱和土孔隙简化为一系列具有不同孔径大小的毛细弯管,其孔径大小及弯曲程度假定服从分形规律。在此基础上,推导得了非饱和土的吸湿与脱湿过程的饱和度S_e~-水头高度h来描述土-水特征曲线滞后效应的特征方程以及饱和度S_e~-相对水力传导系数Kr特征方程。与室内观测结果及已有研究的对比表明,该模型相比以往方法,可更好地模拟非饱和土土-水特征曲线的滞后效应。对非饱和土吸湿与脱湿过程滞后效应的本质进行了对比分析,揭示了滞后效应产生的根本原因在于土体中流通孔隙大小的非均匀性。 相似文献
6.
针对深厚表土层对煤炭资源开采可能带来的安全生产及地表环境破坏问题,利用分形理论方法研究了鲁西南地区大埋深粘土的微孔隙发育规律。研究表明,该区深部粘土孔隙累计分布与孔径大小之间在双对数坐标下具良好的线性关系,相关系数在0.90以上。说明深部粘土中孔隙分布的分形结构是客观存在的,而分维值能真实地反映粘土孔隙特征,可作为一个综合指标,它也是土体孔隙定量描述的有效途径。这种粘土的孔径大于1μm左右时,其分维值在2.5~2.6。同时得出︰孔隙孔径2μm左右是该区深部粘土孔隙性质变化的界限。 相似文献
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《岩土力学》2020,(1)
研究土体压缩过程孔隙的分形特性时,常常对试验测量范围内所有孔隙进行整体分析。然而,研究发现大小孔隙分形行为存在较大差别,特别对压缩的响应也显著不同。为阐述黏性土压缩过程大小孔隙的不同响应及分形特征,并对其变化规律进行刻画,以不同干密度武汉黏性土为研究对象,利用压汞法获取土体孔隙分布数据,基于分形理论拟合分析其分维数。研究发现:孔隙孔径-体积分布图中,均存在特殊的临界孔径现象,临界孔径前后的孔隙分布规律及其对压缩变形的响应显著不同,将大于临界孔径的孔隙定义为大孔隙,小于临界孔径的孔隙定义为小孔隙;小孔隙分布具有天然较强的分形特征,且基本不随干密度的变化而变化,称之为固有分形特征;大孔隙分布远离固有分形特征,分形行为较弱;随着干密度的不断增大,大孔隙的分形特征逐渐增强,且不断逼近小孔隙的固有分形特征。因此,小孔隙的固有分形特征可作为黏性土压缩的基准指标,压缩是迫使大孔隙不断调整趋于更强分形分布、且逐步向基准指标靠拢的过程。 相似文献
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《岩土力学》2021,(1)
研究土体压缩过程孔隙的分形特性时,常常对试验测量范围内所有孔隙进行整体分析。然而,研究发现大小孔隙分形行为存在较大差别,特别对压缩的响应也显著不同。为阐述黏性土压缩过程大小孔隙的不同响应及分形特征,并对其变化规律进行刻画,以不同干密度武汉黏性土为研究对象,利用压汞法获取土体孔隙分布数据,基于分形理论拟合分析其分维数。研究发现:孔隙孔径-体积分布图中,均存在特殊的临界孔径现象,临界孔径前后的孔隙分布规律及其对压缩变形的响应显著不同,将大于临界孔径的孔隙定义为大孔隙,小于临界孔径的孔隙定义为小孔隙;小孔隙分布具有天然较强的分形特征,且基本不随干密度的变化而变化,称之为固有分形特征;大孔隙分布远离固有分形特征,分形行为较弱;随着干密度的不断增大,大孔隙的分形特征逐渐增强,且不断逼近小孔隙的固有分形特征。因此,小孔隙的固有分形特征可作为黏性土压缩的基准指标,压缩是迫使大孔隙不断调整趋于更强分形分布、且逐步向基准指标靠拢的过程。 相似文献
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非饱和渗透系数直接测量代价较高,且精度不能完全保证,因此,基于达西定律,建立饱和/非饱和渗透系数的简便实用预测模型具有重要的理论和实践意义。采用自制的非饱和渗透装置测试了不同干密度下延安压实黄土的非饱和渗透系数,并运用核磁共振技术测定了其孔径分布曲线。基于孔隙分布特征将达西定理微分化,建立了孔隙比与饱和/非饱和渗透系数关系模型。研究结果表明：预测模型中的参数（D和B）可用孔径分布曲线上两点（峰值点和半幅点）的累计孔隙体积与孔径在双对数坐标中连成直线的斜率和截距确定;孔隙比和优势孔径在双对数坐标中具有线性关系,模型参数均可用孔隙比表示;模型预测结果与实测值基本吻合,具有简便、可靠和实用性。 相似文献
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针对非饱和渗透系数函数研究中引入未知经验参数会降低预测可靠度的问题,对土样颗粒级配曲线上划分的粒组分别构建形如立方体的天然土颗粒集合体与理想球体颗粒集合体。通过分析两者的几何特征和物理性质,提出计算土孔隙半径的理论表达式;将每个粒组对应的孔隙简化为理想圆柱形孔隙,基于天然土孔隙与理想孔隙内水分流量的相似关系,结合Hagen-Poiseuille公式,构建预测非饱和渗透系数函数的物理方法。依据非饱和土水力特性数据库UNSODA中8个典型土样的持水试验结果验证了孔隙半径表达式在表征土孔径分布时的合理性。结合该数据库及已有文献中26个土样的非饱和渗透试验结果对物理方法进行了验证,通过计算非饱和渗透系数预测值与其实测值之间的相关系数发现其在0.703～0.999范围内变化,并对土样非饱和渗透系数与体积含水率关系的形态和吻合度描述较好,为研究土的非饱和渗透特性提供了一种无需引入未知经验参数的新方法。 相似文献
11.
土壤的孔隙是具有连续分形性质的物理结构,根据土壤孔隙分形结构建立了非饱和水力传导度模型。模型包括综合系数、分形维数和临界体积比3个参数,综合系数为不同土壤基质势对应的非饱和水力传导度与饱和传导度之间的水力联系,与土壤质地有关;分形维数反映土壤孔隙结构对于非饱和水力传导度的作用,土壤不同尺寸孔隙之间的连通性则通过临界体积加以描述。模型具有较为明确的物理解释。将模型应用于5种不同土壤的结果表明,所提出的非饱和水力传导度模型具有较好的模拟效果。 相似文献
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Fractal models for predicting soil hydraulic properties: a review 总被引：33，自引：0，他引：33
Modern hydrological models require information on hydraulic conductivity and soil-water retention characteristics. The high cost and large spatial variability of measurements makes the prediction of these properties a viable alternative. Fractal models describe hierarchical systems and are suitable to model soil structure and soil hydraulic properties. Deterministic fractals are often used to model porous media in which scaling of mass, pore space, pore surface and the size-distribution of fragments are all characterized by a single fractal dimension. Experimental evidence shows fractal scaling of these properties between upper and lower limits of scale, but typically there is no coincidence in the values of the fractal dimensions characterizing different properties. This poses a problem in the evaluation of the contrasting approaches used to model soil-water retention and hydraulic conductivity. Fractal models of the soil-water retention curve that use a single fractal dimension often deviate from measurements at saturation and at dryness. More accurate models should consider scaling domains each characterized by a fractal dimension with different morphological interpretations. Models of unsaturated hydraulic conductivity incorporate fractal dimensions characterizing scaling of different properties including parameters representing connectivity. Further research is needed to clarify the morphological properties influencing the different scaling domains in the soil-water retention curve and unsaturated hydraulic conductivity. Methods to functionally characterize a porous medium using fractal approaches are likely to improve the predictability of soil hydraulic properties. 相似文献
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基于压汞法的冻融循环对土体孔隙特征影响的试验研究 总被引：13，自引：6，他引：7
冻融循环会改变土的微观结构, 孔隙特征的变化是其结构性发生改变的重要体现. 以青藏铁路沿线粉质黏土为研究对象, 借助压汞技术对不同冻融次数下重塑土样的孔隙特征进行了研究. 结果表明:土体孔隙特征分布曲线表现出明显的双峰特征, 据此可将土样的孔隙分为大孔和小孔两大类; 冻融循环次数对小孔隙的影响较小, 小孔隙直径和体积基本保持不变; 冻融循环次数对大孔隙的影响较大, 特别是孔径为20～40 μm的孔隙, 其直径和体积均随冻融次数的增加而增大. 试样的孔隙率随冻融次数的增加并无明显规律, 但总体的变化趋势是先增大后减小. 由孔隙分形维数计算结果可知, 冻融循环在改变土体孔隙结构的同时, 使孔隙内壁的粗糙程度及孔隙结构的复杂程度降低. 相似文献
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为定量获得土壤结构对其水力性质的指示作用,室内实验选用华北平原子牙河流域原状土样为研究对象,用张力计法和激光粒度分析仪分别测定土壤水分特征曲线和样品粒度分布,基于分形理论计算土壤粒度分布的分形维数,采用实验测定与模型验证相结合的方法对水分特征曲线进行分析.结果表明,土壤颗粒粒度分布在[10 μm,50 μm]区间内的分段分维值是表征土壤粒度累积分布显著上升段特征的关键参数,与0~80 kPa吸力范围内的土壤水分特征曲线幂函数模型拟合参数(a、b)有极显著相关关系.研究区内土壤水分特征曲线以分形形式表达的幂函数模型为:θ=100.78×(3-D)S(D-3)/3,利用土壤结构分形特征能够有效指示其水力性质. 相似文献
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Lime treatment of loess in foundation engineering modifies the soil structure, leading to changes in mechanical and hydraulic properties of soil, which in turn will affect the flow of water and transport of contaminants in the loess. In light of this, it is essential to identify the dominant effects of different lime treatments on hydraulic conductivity, and to ascertain the optimum lime treatment. For this purpose, we investigated the effects of dry density and lime content on changes in hydraulic conductivity and microstructure of loess in Yan’an City, China. The results indicate that hydraulic conductivity has a log negative correlation with dry density, and lime addition can result in a decrease of hydraulic conductivity of loess at the same dry density. Under a given degree of compaction, however, lime addition can lead to a decrease in dry density due to an increase in flocculation and aggregations. The significant decrease of dry density leads to an increase in hydraulic conductivity when lime content (in mass percentage) is lower than 3%. Nevertheless, when lime content is higher than 3%, the reactions between loess particles and lime will be intensified with an increase in lime content, and become the primary factors affecting pore characteristics. These reactions can further decrease the hydraulic conductivity of lime-treated loess, and the lowest hydraulic conductivity was obtained for lime-treated loess with 9% lime content. The excess lime (above 9% lime content) dramatically increased pore size, leading to a significant increase in hydraulic conductivity. Therefore, 9% is the optimum lime content for loess treatment, and the degree of compaction in engineering should be higher than 95%. In addition, statistical analysis of microstructure of lime-treated loess shows that the distribution trends of macro- and meso-pores coincided with that of saturated hydraulic conductivity, which indicates that lime content affects saturated hydraulic conductivity of lime-treated loess by changing the soil structure, especially the properties of pores larger than 8 µm. 相似文献
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研究土壤的水力性质是进行生态水文模拟、农业水分管理和环境监测的关键,然而强烈的空间变异造成土壤的物性特征异常复杂,特别是水力性质测定困难,试验结果随机性强,耗费大量人力物力,却难以准确描述。本文在综合分析了国内外30余种量化土壤水力性质的研究方法的优劣后,系统总结了分形理论在土壤物性特征研究中的应用,剖析了分形理论与土壤水力性质之间的关系,旨在探讨土壤分形结构在水力性质领域的发展前景,以及在测定水力特性参数时所具备的优势。结果表明：(1)采用分形方法定量研究土壤结构具备可行性;(2)分形结构方法能够指示水力性质,并能为快速准确刻画不同尺度下的土壤水分分布特征提供科学依据;(3)利用已知土壤水力性质建立分形模型可以有效反演土壤结构。 相似文献
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非常规油气资源的孔隙结构及其连通性非常复杂,其孔隙尺度从毫米到纳米跨越多个量级.多孔介质中气体的输运过程不仅依赖于介质的多尺度微观结构特征,还依赖于气体的相关属性.气体在多尺度多孔介质中的输运过程包括无滑流、滑脱流和过渡流,涉及分子扩散和努森扩散等多种机制,因此很难用唯一的连续介质理论来描述气体的输运特征.大量的数据表明真实多孔介质中的内部孔隙具有分形标度特征,因此采用分形几何表征多尺度多孔介质的孔隙结构,引入孔隙分形维数和迂曲度分形维数定量表征多孔介质的微结构和弯曲流道,建立多尺度多孔介质气体输运过程的细观模型;推导了多尺度多孔介质中气体的有效渗透率和有效扩散系数,并讨论了多尺度多孔介质微结构参数和气体属性对于气体等效输运特性的定量影响.该研究不仅可以丰富渗流理论,且有利于深入理解非常规油气藏的产出机制. 相似文献