基于分形理论的土体微观结构研究

土体的微观结构对土的工程性质具有重要的影响.基于分形理论适合于研究复杂不规则图形的特点,介绍了分形理论在土体微观结构研究中的作用,定义了研究土体微观结构的平面分形维数.利用光学显微镜对不同应力路径三轴试验的土样进行孔隙大小及分布的对比研究.利用MATLAB语言编写程序,对土体微观结构图片进行了平面分维计算,分析了不同应力路径试验后土体微观结构的分形特征.分析结果表明,土样的微观结构具有分形特征,其平面分维在1.5～2.0之间;土体越松散,平面分维的数值越大.     

基于GIS实现黏性土颗粒形态的三维分形研究

利用扫描电镜照片研究黏性土的微观结构是目前应用较为广泛的方法,但多数研究仍以定性为主,定量研究方法十分有限。介绍了利用分形理论定量研究黏性土微观结构的方法,并提出利用图像处理技术结合GIS数据提取技术,通过计算颗粒表面积和体积的方法获取土颗粒形态三维分形维数的方法。该方法简化了颗粒表面积和体积计算过程,提高了分维确定的工作效率。通过对计算图像分形维数的表面积–体积法和面积–周长法进行的对比分析,认为表面积–体积法更能够反应土体的三维特性。     

泡沫混凝土分形维数与抗压强度的关系研究

研究了泡沫混凝土孔结构的分形特征,并利用盒维数法计算泡沫混凝土微观结构图片的分形维数,分析不同孔结构的泡沫混凝土分形维数的变化规律。通过抗压强度试验,研究了分形维数与抗压强度的关系,建立了分形维数与密度的回归方程,对理论值与实测值进行对比。结果表明:泡沫混凝土的孔结构具有分形特征;随着分形维数增大,泡沫混凝土的28d抗压强度和密度逐渐减小;28d抗压强度和密度的计算值与实测值较为接近。     

外加剂对混凝土孔隙特征影响的分形评价

混凝土在其形成和服役过程中表现出了一系列分形的特征,介绍了混凝土孔隙的测试方法、混凝土孔隙的分形维数的计算方法、用压汞法测试了6组混凝土的孔结构数据,且计算了其孔隙分形维数,并结合SEM微观分析对外加剂对混凝土孔隙特征的影响进行了评价。     

基于植被根系分形维数的生态边坡位移场研究

植物根系与土的相互关系非常复杂,本文将根土复合体当作由土体、根系所联系起来的有机体,提出基于根系形态特征的固土机理数值分析方法,研究在雨水侵蚀力和坡面径流侵蚀力作用下,不同根系形态对土体位移场的影响。同时根据根系形态特征,研发了计算不同植物根系分形维数的分形软件Fractal 1.0,利用该软件能计算不同植物根系分形维数。选择常见护坡植物夹竹桃(Nenium indicum)作为研究对象,依据数值模拟中根系模型与实测根系形态分形维数的关系,研究了植物根系分形维数与边坡土体位移场的关系,给出了分形维数与边坡位移量的定量关系。随着分形维数的增大,根系生长活性增大,根系分枝数量和分枝长度逐渐增大,植入边坡土体后,边坡表层位移量能够有效减小,因此植物根系分形维数大小能够反映根系对边坡土体位移场的影响。     

氧化石墨烯水泥净浆的力学性能与微观结构的分形特征

采用改进Hummers法和超声波分散法制备氧化石墨烯片层分散液,利用傅里叶红外光谱(FTIR)和X-射线衍射(XRD)表征GO;测试了不同掺量氧化石墨烯水泥净浆的抗折和抗折强度,通过SEM扫描了水泥净浆水化产物微观图像,结合分形理论计算SEM图像的分形维数并分析其变化规律,探讨了抗压强度与分形维数的关系。研究表明:氧化石墨烯可以有效提高水泥净浆的力学性能和改善其微观结构;分形理论能定量分析不同掺量氧化石墨烯水泥净浆的微观结构变化特征;分形维数随氧化石墨烯掺量的增加呈现逐渐降低的趋势;分形维数和水泥净浆抗压强度存在着良好的二次函数关系,其水泥净浆的抗压强度随分形维数的增加而降低,其最佳掺量为水泥质量的0.03%。     

基于分形理论的泡沫混凝土强度研究

利用分形理论对泡沫混凝土的微观结构进行了深入分析，通过MATLAB语言编写程序，对泡沫混凝土的微观结构图片进行了分形维数的计算，分析了粉煤灰掺量不同时，泡沫混凝土的分形特征。通过设计抗压强度试验，研究粉煤灰掺量对泡沫混凝土28d抗压强度的影响，并建立数学回归方程，将分形维数与泡沫混凝土的抗压强度联系起来，对理论值与实测值进行对比研究。分析结果表明：泡沫混凝土的分形维数在1.4~1.9之间；随着粉煤灰掺量的增大，分形维数加大，28d抗压强度减小；28d抗压强度的计算值与实测值较为接近，相对误差最大为1.76%，证明了拟合公式的可靠性。     

掺泡量对泡沫混凝土热工性能的影响

采用导热系数测定仪对泡沫混凝土掺泡量与其热工性能的关系进行了试验研究,利用分形理论对泡沫混凝土的微观结构进行了深入分析,并对其微观结构图形进行了分形维数的计算,最后建立数学回归方程,将分形维数与泡沫混凝土的热工性联系起来,定量描述了泡沫混凝土微观结构与宏观性能的关系。研究结果表明,发泡剂掺量在3.6~7.2 g之间时,随着发泡剂用量的增加,泡沫混凝土内部孔隙变得多而大,分布均匀,分形维数增大,导热系数减小,保温性能提高。     

水泥砂浆孔结构分形特征的研究

利用压汞仪测定了不同水灰比及龄期水泥砂浆的孔结构,通过基于热力学关系的分形模型计算得到了水泥砂浆的孔表面积分形维数,并探讨了孔表面积分形维数与微观孔隙率、孔表面积、平均孔径、中值孔径等其他孔结构参数及砂浆强度之间的关系.结果表明:基于热力学关系的分形模型能够很好地表征水泥砂浆孔隙的复杂程度;孔表面积分形维数与微观孔隙率的相关性较差,而与孔表面积、平均孔径、中值孔径以及强度之间有较好的相关关系;随着孔表面积分形维数的增大,平均孔径和中值孔径减小,孔表面积增加,水泥砂浆的抗折强度及抗压强度增加.基于热力学关系的分形模型计算得到的孔表面积分形维数可作为水泥砂浆孔结构特征的综合评价指标,并且分形维数与其宏观力学性能相关性良好.     

滑带土环剪剪切面的微观观测与分析

 滑带土的残余强度一直是边坡工程研究的重点。由于剪切面微观结构在剪切前后的变化与宏观的土体强度存在必然的联系,所以针对一古滑坡滑动带的含砂黏土进行环剪试验,采用电镜扫描技术分析剪切前后微观结构的变化,探讨微观结构与土体宏观力学特征的关系。研究表明,含砂黏土的强度特征不同于一般黏性土,没有明显应变软化特性,粗粒含量对峰后强度有比较明显的影响。剪切过程会导致颗粒出现明显的定向性排列,微观结构发生改变,出现颗粒破碎、孔隙率提高,颗粒形状变狭长的现象,这与滑带土的宏观强度变化有密切的关系。另外,通过周长–面积法对剪切面颗粒形态的分形研究,发现剪切面土颗粒微观形态具有明显的分形特征,分形维数与滑带土的残余强度指标呈线性负相关关系。     

黏性土在不同温度下干缩裂缝的发展规律及形态学定量分析

通过试验,研究了黏性土干缩裂缝的发生和发展与温度之间的关系,运用计算机图像处理和编程技术,对不同温度下形成的黏性土干缩裂缝的表面结构特征进行了描述和定量分析。结果表明:土样裂缝的发生和发展过程基本上分三个阶段,在裂缝出现时,土样失水率有上升趋势;温度对黏性土表面裂缝节点个数、裂缝长度、裂缝条数、块区个数、块区的最可几面积、裂缝率和裂隙网络的分维数等参数有重要影响;块区面积分布函数的峰值随温度的升高而减小。     

粘性土的微观的结构分析技术研究

重点介绍了工程粘性土微观结构研究方面的一些新技术、新成果和新发展,主要包括供扫描电镜（SEM）分析用的处理高含水量土样的冷冻刀切干燥法、定量评价粘性土微观结构的图象处理技术、测定粘性土粒间胶结物化学成分的EDX技术和无损伤探测土体内部结构的CT技术。     

软土加固过程中微结构变化的分形研究

土体内部孔隙的特征及分布情况是土体微结构变化的内因,也是决定土体物理力学性质的主要因素。在软土性质发生改变时,孔隙的变化是最直接、最显著的。所以,对土体微观结构进行研究,应着重研究土中孔隙的变化。由于土中孔隙的复杂性及非确定性,很难用传统的几何方法对其研究和描述。为研究加固前后软黏土微结构的变化情况,在珠江三角洲某高速公路软土路基利用动力排水固结法加固的施工现场,取不同深度内加固前后土样进行压汞测试,用分形理论对压汞测试数据进行分析,探讨软土中孔隙的分布特征,在此基础上提出了土中孔径划分的方法,进而探讨动力排水固结法加固软土地基的微结构变化,建立了加固后土样的孔隙度分维数与土体固结度之间的关系,研究结果表明土中孔隙分布具有分形特征,用孔隙度分维数可以实现对地基加固程度的预测。     

冻融黄土微观结构变化规律及分形特性研究

季冻区黄土微观结构性研究是冻融环境下黄土工程机理劣化分析的关键科学问题之一。本文对不同冻融循环次数作用的原状黄土进行扫描电镜试验,采用颗粒(孔隙)及裂隙图像识别与分析系统(PCAS)结合分形理论,定量分析陕西咸阳原状黄土颗粒微结构特征。结果表明:随着冻融次数的增加,土颗粒排列、形态、尺度分布等特征参数呈现规律性变化,概率熵减小,分形维数增大;平均形状系数、面积概率分布指数、颗粒分布分形维数先减小后增大,在冻融循环5次时出现最小值。研究表明:冻融循环过程中,由于土中水相变化及冷生结构形成,土颗粒偏转,颗粒排列方式改变;胶结力弱化,集粒经历了碎屑开始剥落及完全分离的两个过程,土颗粒的形态、尺度分布发生变化,形成新的结构体系。     

不同剪切速率下滑带土强度特性及孔隙分形特征研究

滑带土的抗剪强度和微观结构的变化与滑坡岩土体的稳定性具有密切的联系。本文开展了不同剪切速率下粘性滑带土的环剪试验和核磁共振试验,从宏观与微观的角度分析了滑带土在不同剪切速率下的残余强度特征及微观孔隙的分形特征。研究结果表明:滑带土的残余强度随剪切速率的增加呈指数函数减小;剪切后试样内部孔隙的总体积随剪切速率的增加而降低,且试样内部的孔隙具有明显的分形特征,随着剪切速率的增加,孔隙分形维数先下降后上升;分形维数的变化与滑带土残余强度具有显著的高斯函数变化关系。该成果可为相关滑坡岩土体力学性质的研究提供一定的理论依据。     

南水北调中线膨胀土/岩微观特征及其性质研究

对南水北调中线工程典型的强、中膨胀土/岩开展室内土工试验与X射线衍射试验,研究了其矿物成分及与胀缩性指标的关系,利用扫描电镜SEM图像进行了微观结构的定性分析,并基于MATLAB软件对孔隙和微结构单元体的微观特征进行了定量化研究,探讨了不同类型膨胀土/岩的颗粒形态、结构类型、裂隙分布等微观特征及其与工程特性的关系。结果表明：膨胀土/岩中的蒙脱石等黏土矿物含量高,强膨胀土/岩以絮凝结构,扁平状聚集体与卷曲片状颗粒为主,中膨胀土/岩以紊流状、粒状堆叠结构为主,片状聚集体与单粒体并存,前者微裂隙发育且定向性明显,孔隙比大,孔隙分形维数与颗粒尺寸小于后者。膨胀土/岩微结构单元圆形度低,复杂度高。膨胀岩定向排列特征显著,颗粒分形维数小,颗粒分形维数与膨胀潜势和孔隙比的变化规律一致。微观组分和结构特征与物性指标分别呈线性关系与负指数幂关系。     

基于SEM试验的粘性土孔隙分形特性研究

土壤的孔隙一般具有分形特性。根据粘性土的SEM试验,利用计算机图像处理技术和分形理论（Sandbox法）,研究了粘性土孔隙结构及其分形特性。根据设计的不同图像二值化分割阈值方案和不同放大系数分析方案,分析发现土孔隙分维数不受图像灰度分割闽值和SEM实验放大系数的影响,分维数在2．0附近。