基于数字图像处理的土石体粗料分形特性研究

考虑到土石混合体各要素之间的作用与重要性,选取粒度分维、粗料颗粒分布分维、粗料轮廓分维以及孔隙分布分维作为土石混合体分形特性研究结构参数指标,作为土石混合体结构定量化研究的依据。基于数字图像处理技术,分别对25%、30%、35%、50%及70%五组不同含石量的土石混合体试样进行了拍照、数字图形处理及分析计算,研究了土石混合体粗料分布分维及粗料轮廓分形特性以及粗料分布分维与含石量的关系。结果表明:土石混合体的粗料分布具有很好的分形特性,其分维值在1.0～2.0之间;粗料分布分维值与图像大小和图像划分的等分数有关,图形的处理效果受光线、拍照距离、灰度值的影响;对于级配良好的土石混合体,粗料的分布分维与含石量呈抛物线关系,含石量越大,粗料分布值越接近2.0;土石混合体粗料轮廓线具有分形特性,定量反应了粗料颗粒形状和起伏程度,其物理意义与通常所说的圆形度相对应。     

基于分形理论的土石混合体强度特征研究

 从土石混合体的非线性特性出发,应用分形几何理论研究土石混合体的强度特征。通过大型三轴试验,对不同粒度分维不同围压下土石混合体的应力–应变特性、强度参数特征及峰值强度特征进行分析;并讨论强度参数、峰值应力差与粒度分维值的关系。结果表明：土石混合体的应力–应变特性相似于岩石典型应力–应变曲线;不同粒度分维的土石混合体强度包线总体呈线性性质,粒度分维值对强度影响很大,其与抗剪强度的关系近似一抛物线;对于只具一维分形的土石混合体具有最大的密实度和抗剪强度,属最优级配土石混合体,并分析产生这一现象的原因。     

土石混合体细观分形特征与力学性质研究

土石混合体具有强烈的非均质性、非均匀性、非连续性和环境依赖性,从土石混合体的非线性角度出发,采用分形几何理论对土石混合体的细观结构特性进行描述,明确土石混合体重塑样的备制工艺,重点探讨土石混合体单轴压缩条件下应力–应变特征以及与特征强度值之间的联系。得出以下几点结论:(1)含石量作为研究土石混合体力学特性的重要指标,与土石混合体的粒度分维数密切相关,二者满足幂函数关系;(2)根据试样的单轴压缩曲线结合数值计算结果,将土石混合体峰前应力–应变曲线分为接触压密阶段、弹性阶段、慢裂阶段、快裂阶段,峰后表现为应变软化特征;(3)随着试样含石量的增大,土石混合体的单轴抗压强度在含石量为50%时最大,轴向应变随含石量的增大而增加,土石混合体的径向变形更为敏感;(4)数值试验结合土石混合体的室内压缩试验,定义土石混合体土石结合裂缝开裂应力,并用LSR法计算开裂应力值,开裂应力、扩容应力和峰值应力呈线性函数关系。土石混合体具有细观结构的层次性和相似性,应用分形几何学的有关理论研究土石混合体的结构力学特征不失为一个好的思路,可以更好地了解土石混合体这类地质材料的细观结构和力学性质。     

基于理想二维模型的土石混合体强度特性研究

本文以陕南某边坡的土石混合体为研究对象,在调查现场的基础上,得到土石混合体的空间分布特征,运用PLAXIS 2D软件建立相应的二维有限元数值模型,通过赋予石块和土体不同物理力学性质指标参数,深入研究土颗粒以及石块的物理力学特性,以及石块大小以及分布等对土石混合体强度的影响规律。通过分析得到,石块呈井字形排列时有效减小水平位移。在石块面积相同、排列方式相同的情况下,正方形石块、椭圆形石块能更好的发挥材料的强度与刚度。提高含石量可以有效地减小位移,尤其是对垂直位移影响较大。本文的研究成果有望加强对土石混合体物理力学性质的认识以及对土石混合体的防灾减灾工作起到一定的理论指导和技术支撑。     

具有分形级配的多分散颗粒体堆积特性研究

混凝土骨料或公路工程基层碎石常采用Fuller或Thompson分布作为设计级配,具有分形特性的多分散颗粒堆积体容易形成相对较大的堆积密度,作为理想的设计级配,其作用机理尚没有详细地解释。采用颗粒离散元仿真技术获取了多种具有分形级配的颗粒体在各向同性压缩条件下的堆积密度,颗粒体由光滑（无摩擦）的球形颗粒构成,分形级配曲线的形状由粒径区间和分形维数指标控制。在此基础上,研究了分形级配指标与堆积密度和配位数等宏细观指标的相关性,得出分形维数及粒径区间对堆积密度有重要影响。当级配粒径区间较大时,最大的堆积密度对应的分形维数为2.5左右,与工程中常采用的Fuller和Thompson级配十分一致。通过对堆积体细观颗粒层面的配位数及局部堆积密度的研究得出,分形维数为2.5左右时,试样局部排序和接触分布得到优化。研究结果可为进一步优化混凝土、土石坝或路基等碎石填料的级配设计提供理论指导。     

石英砂砾破碎过程中粒径分布的分形行为研究

荷载作用下粒状土的颗粒破碎改变土的粒径分布,从而影响其力学特性。试验证据显示随着颗粒破碎的增加,任何初始分布的土粒都将趋向一种自相似的分形分布。为了揭示土的粒径分布的分形转变机制,利用侧限压缩试验研究高压应力下石英砂砾的粒径分布演化规律和颗粒破碎特性,基于分形模型和粒径分布实测数据研究破碎过程中粒径分布的分形行为。研究发现:颗粒破碎增长导致粒状土趋向分形分布的过程与颗粒破碎量密切相关,并可以通过增大的分形维数来描述。尽管石英砂砾的初始分布和粒径有所不同,分形维数大于2.2的粒径分布实测数据均展示了较为严格的自相似性,因而该数值可作为分形分布的分形维数下限值。研究还发现:相同破碎状态下Hardin相对破碎率小于Einav相对破碎率,但二者对应力和体应变的响应规律是一致的。颗粒破碎发展至粒径分布成为分形分布时,体应变与相对破碎率的比值将保持恒定,并且受初始分布的均匀性和颗粒大小的影响很小。这一特点可用于分形分布的识别,并意味着试验中如果粒径分布是分形的,则无须为了粒径分析而终止试验,只需测量到体应变就可估计相对破碎率。     

露天坑回填土石混合体的渗流特性及颗粒元数值分析

 针对土石混合体的渗透性,结合唐钢司家营铁矿III采场露天转井下的回填土石混合体工程,采用室内试验、现场试验和数值模拟的方法对其进行系统地研究,得出土石混合体的渗透系数与其非均匀度近似存在线性关系,渗透系数与混合土的孔隙比成正比;合理控制回填废石的粒径级配,降低平均粒径与非均匀度,可有效降低回填土石混合体的渗透性。通过颗粒元数值正交试验确定对土石混合体的渗流量影响顺序,并二次逐步回归出回填层厚度,水头压力,孔隙率,平均粒径对渗流量的关系式,为土石混合体防渗抗渗提供计算工具。     

土石混合体的剪切面分形特征及强度产生机制

 基于考虑含石量、含水率、块石岩性、初始孔隙比、法向压力5个影响因素的土石混合体室内大型直剪试验,利用剪切面在分形几何学上的统计规律和颗粒流数值模拟方法得到的直剪试验中颗粒的相互作用规律,对土石混合体的抗剪强度产生机制进行研究。结果表明：(1) 土石混合体的剪切面呈不规则的起伏形态与块石的存在关系密切,且具有较好的分形特征,分形维数随着含石量和块石强度的增大、含水率和法向压力的减小均呈增大趋势;(2) 含石量高于40%时,黏聚力小于30 kPa;(3) 内摩擦角随着含石量的增大、块石强度的增大、含水率的降低、初始孔隙比的降低、法向压力的降低均呈增大规律,且与分形维数满足正相关函数关系;(4) 块石附近应力集中较明显,剪切过程中,颗粒间的接触力主要通过迎着剪切方向的接触面传递,而背着剪切方向的颗粒接触面基本不传递力;(5) 内摩擦角 等于剪切面上与颗粒本身接触性质有关的接触面内摩擦角 和与剪切面分形维数有关的接触面倾角 之和,利用此机制可解释直剪试验中强度参数的变化规律。     

土石混合体宏细观力学特性和变形破坏机制的三维离散元精细模拟

为了更加精细的模拟土石混合体宏细观力学特性和变形破坏机制,针对已有三轴试验侧向柔性薄膜边界模拟方法进行改进,提出三维组合墙法实现了柔性薄膜边界的三维离散元模拟。结合已开发的不规则块石和土石混合体三维离散元建模方法建立土石混合体大型三轴数值试样,开展数值试验标定土石混合体数值模型的细观力学参数并与室内试验结果进行了对比验证。深入分析不同含石量下土石混合体的宏细观力学特性和变形破坏机制。结果表明:三维组合墙法原理简单、参数较少、易于实现且应用效果较好;大型三轴试验数值模拟能够较好地再现土石混合体宏观的应力–应变特征、强度特性和破坏模式;随含石量增加,土石混合体的骨架结构效应越来越显著;剪切带内土颗粒旋转量较大而块石颗粒旋转量较小,表明剪切面绕过了较大的块石颗粒。     

土石混合体三维细观结构随机重构及其力学特性颗粒流数值模拟研究

土石混合体是一种非连续、非均质、各向异性的土石混合多相介质,其力学性质极为复杂,与内部土石细观结构密切相关。从细观结构层次出发,运用计算机随机模拟技术,建立了一种基于不规则块石的土石混合体三维细观结构重构方法,并基于FORTRAN语言开发了相应的三维细观结构随机模拟系统(RMS3D),在此基础上,考虑块石的不规则形状,建立了土石混合体的离散元模型,并采用颗粒流程序对其开展了不同法向应力下三维直剪试验模拟,探究了块石空间分布对其力学特性的影响。研究结果表明:土石混合体的力学性质受内部块石空间分布影响显著,在相同级配和含石量下,不同块石空间分布的土石混合体试样的剪应力–剪切位移曲线和法向位移–剪切位移曲线均不相同,尤其是在峰后呈现出了明显的差异,且后者开始出现差异时相对于前者滞后;另外,受剪切面上块石阻碍的影响,由于试样内部块石空间石分布的不同,导致不同试样剪切破坏后所形成的剪切带的形态和厚度也存在一定的差异。     

骨架密实型沥青混合料集料的分形特征

为了分析和利用骨架密实型沥青混合料集料分形特征,基于分形几何的基本理论,推导出了集料的质量分布分形几何模型,并以SMA-16混合料为例,探讨了集料分维值(D)的最小计算粒径;结合SMA-16混合料体积参数的测试结果,研究了分形维数与体积参数的关系.结果表明:对于SMA-16混合料,分维值的最小计算粒径为0.6 mm;规范级配范围对应的分维值为2.355～2.457;分维值越大,混合料级配越细;分维值与空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度等混合料体积参数有很好的线性相关性.     

密级配沥青混合料集料分形分维与路用性能的关系

从集料结构本身出发,利用分形几何的基本理论,建立沥青混合料集料的粒径分布分形模型、集料体积分形模型和集料孔隙分形模型。集料的体积分形维数是一个饱含丰富信息的重要参数,其与沥青混合料的空隙率存在强相关性,建立AC-16密级配沥青混合料集料体积分形维数与沥青混合料空隙率的回归模型。通过大量路用性能试验,得到AC-16密级配沥青混合料集料的体积分形维数与路用性能指标之间的相关变化规律。集料的体积分形维数增大,沥青混合料的高温性能、抗滑性能呈下降趋势,水稳定性、低温抗裂性呈上升趋势。根据密级配沥青混合料集料体积分形维数与各项路用性能的关系,可对具有不同集料体积分形维数的沥青混合料的路用性能进行预估。     

采动岩体分形裂隙网络研究

采动岩体裂隙网络发展规律和定量描述是当今矿山开采沉陷学科中基本的有其重要的难题之一。借助相似材料模型实验,模拟了采动岩体的裂隙分布状态,应用分形几何理论研究采动岩体裂隙分布的自相似规律,继而研究发形裂隙网络随着采宽增加的演化规律,研究结果表明：采动岩体裂隙分布具有分形特征,用分形维数可以综合描述采动岩体沦程度,随着采 增加,导致采动岩体分形裂隙网络出现升维现象。     

软岩崩解物颗粒分布特征研究

采集了某高速公路路堤填筑料软岩试样,查明该类软岩的矿物成分和基本物理力学性质。采用洒水和吹晒循环试验,模拟软岩在大气中的自然崩解过程。在试验过程中对崩解物颗粒筛分后进行质量分析,将不同粒径区间内的变化绘成曲线。从其变化趋势发现崩解物颗粒质量变化曲线是自相似的,在统计上是一个分形,并采用盒维数方法计算它的分数维。最终停止崩解时颗粒质量分布曲线的分数维稳定在某一常数。利用稳定分数维作为软岩路基、堤坝修筑施工工艺控制性指标,指导某高速公路路堤工程的施工,获得了质量优良的路基。结果表明分形几何是一种研究软岩崩解机理的有效方法,颗粒质量分布曲线的常分维值可以作为软岩吸水后崩解是否完成的判断标准。     

扰动岩体裂隙网络分形性质分析

应用相似材料试验模型,研究扰动岩体裂隙网络的演化特征和规律,借助分形几何方法计算分析了扰动岩体裂隙网络的分形维数和分形演化特征,展望了研究覆岩力学性质与裂隙网络演化的依赖关系,对评价采动覆岩变形过程、力学行为和渗流性质具有重要意义.     

基于分形理论的路基填石料粒径优劣分析

应用分形理论对大粒径碎石填料进行级配判定,分析了分形维数用于表示级配的方法,论证了分形维数和级配的关系,结合室内筛分试验得出填料的分形维数在合格范围以内,说明可用于级配优良性判定,且比应用不均匀系数和曲率系数更简单、快捷。     

多孔介质分形特征对回灌渗透性能的影响

为掌握孔隙介质级配和均匀性对水源热泵回灌过程中堵塞的影响,通过室内回灌试验测定了不同级配试样回灌渗透能力,利用颗粒级配分形维数分析了试样级配和不均匀性与回灌渗透性能的相关关系。结果表明级配分形维数D与不均匀系数的对数(lnC u)之间呈负相关,与渗透系数和孔隙度n则呈正相关。从而为不同水文地质条件地区水源热泵工程的适宜性分析,回灌堵塞机理的分析以及防止水源热泵工程堵塞技术的选择提供了一定的科学依据。     

分形粒径分布对颗粒流粒径分选的影响规律

高速远程滑坡反粒序及其形成机制是目前研究的热点问题,为进一步探讨该问题,以高速远程滑坡分形粒径分布特征为依据,通过物理模型实验与数值模拟方法,研究不同分形维数颗粒流堆积体的粒径分布特征及其对应的颗粒分选过程,结果表明:随着颗粒流分形维数的增大,细颗粒含量的增加,颗粒流运动过程中不同粒径颗粒的分选作用减弱,导致堆积体中反...     

论我国特殊土粒度分布的分形结构

本文根据分形几何学理论,研究了我国黄土、膨胀土、红土三类特殊土的粒度成分特征,发现在双对数坐标下粒度含量与粒径之间呈直线关系,表明粒度分布具分形结构。根据该直线的斜率b,由公式D=3-b可求得相应的分维。计算结果表明,三类特殊土的分维界于2～3之间,且红土的分维大于膨胀土,黄土最小。分维是描述该系统的一个序参量,其大小反映了作为自组织系统的土体的本质特征,分维大,自组织程度高,土体演化处于高级阶段。本文还讨论了分维与分选程度、孔隙特征及结构特征的关系。在此基础上,指出分维是描述粘性土粒度特征,进行粘性土工程分类的一个合适的指标。