黏性土中气泡形态及输移机理的实验研究

Bubbles form and transport in clayey soil has a great influence on soil engineering properties. However, the fact that soil is opaque has been hampered the researches on bubbles form and transport mechanism in clayey soil, which need further investigations. This project intends to develop transparent clayey soil to solve the problem that bubbles in natural soil can't be observed directly, and then, the displacement field of the media during the bubbles transport progress can be measured using particle image velocimetry. Using the proposed experiment method, the form and transport process of bubbles in transparent clayey soil are experimentally studied. The transport mechanism of bubbles in transparent soil will be revealed based on the analysis of gas - liquid - solid phase interaction. Since artificial transparent soil is certain different with natural soil, the influences of bubbles transport on natural clayey soil permeability are studied by experiments. The experimental results will be explained using the transport mechanism of bubbles in transparent soil, and the rationality of the bubbles transport mechanism will be examined. The objective of this study is not only to reveal the bubbles form in clayey soil and transport mechanism, but also to provide a visual experimental method for the researches of multiphase seepage problem in porous media.

黏性土中的气泡形态及输移对其工程性质有很大的影响。然而，介质的不透明严重阻碍了土体内部气泡形态及输移过程的研究，黏性土中气泡的形态及输移机理仍有待深入研究。本项目拟通过研制透明的黏性土体，解决土体内部气泡无法直接观测的问题，进而可采用粒子图像测速技术解决气泡输移过程中介质位移场测量的问题。运用所提出的实验方法，实验研究透明黏性土中气泡的形态特征和输移过程，在分析气相-液相-固相三者相互作用关系的基础上，揭示出透明黏性土中气泡的输移机理。鉴于人工透明土与天然土体存在一定的差异，拟通过实验研究气泡输移对天然黏性土渗透特性的影响，基于透明土中的气泡输移机理来解释天然黏性土渗透特性的变化规律，从而检验气泡输移机理的合理性。本项目的研究不仅可揭示黏性土中气泡的形态及输移机理，而且为多孔介质中多相渗流问题的研究提供了一种可视化的实验方法。

黏性土中的气泡形态及输移对其工程性质有很大的影响，但介质的不透明严重阻碍了土体内部气泡形态及输移过程的研究，本项目通过配置透明的黏性土体，解决土体内部气泡无法直接观测的问题。主要研究内容和研究成果包括：（1）提出了一种透明土透明度评价的方法，克服了以往只进行定性评价的不足，研究了透明度对可视化测量精度的影响。（2）针对透明黏性土进行了变水头渗透试验、固结试验、直接剪切试验和固结不排水三轴压缩试验，将透明土的物理力学指标与天然软黏土的物理力学指标进行了对比分析。利用触变环试验、动态应变扫描试验、动态频率扫描试验与蠕变试验研究了不同浓度的透明黏性土在相应条件下的剪切流变特性。（3）基于透明介质中气泡三向视图的数字图像，提出了重构气泡三维图形的修正堆叠椭圆算法。（4）基于配置的黏性透明土，通过试验观察到透明土体强度、固结压力等对气泡形态的显著影响，并进一步研究了气泡快速生长阶段的形态变化特征。（5）研制了固结-渗透-注气联合试验装置，并基于该试验装置研究了气泡输移对黏性土渗透特性的影响。（6）基于线性断裂力学理论，建立了黏性土中气泡形状的理论计算方法，提出了一种测定黏性土断裂强度的方法。研究成果在驱替法采油、海底温室气体示范、CO2地质封存等领域具有广泛的应用前景。