人工模拟堆石料颗粒破碎的分形特性

人工制备等粒径、不同强度的水泥球颗粒模拟堆石料,进行室内三轴加载试验。依据试验前后颗粒破碎后的粒径分布,采用Tyler等建立的分形模型,研究堆石料颗粒破碎的分形特性,并与Hardin相对颗粒破碎率进行对比分析,探究分形维数表征颗粒破碎程度的可行性。结果表明:排水和不排水条件下得到的结果相似,试验采用的4种水泥含量的试样颗粒在颗粒破碎后的分布特征具有良好的分形特性。同一水泥含量下,随着围压的升高,堆石料分形维数逐渐增大;高围压下,颗粒破碎严重,中间粒径和细粒含量较多,级配更均匀,分形模拟结果与试验结果较低围压下具有更好的线性关系。相同围压下,随着颗粒强度的增大,颗粒破碎程度减小,分形维数随之逐渐减小。通过与Hardin相对颗粒破碎率进行对比可知,分形维数可以很好地表征试样的级配情况,其值越大,级配越良好,粒径分布情况越均匀,颗粒破碎越严重。     

碎石尺寸对碎石土强度影响的大型直剪试验研究

以田师府—桓仁铁路大前石岭隧道边坡碎石土为研究对象,配置了3组含碎石尺寸不同的重塑碎石土样并采用大型直剪仪进行了剪切试验研究,探讨了碎石尺寸对碎石土抗剪强度的影响作用规律。在此基础上,利用现代非线性理论-分形理论,采用分形几何方法研究了该碎石土重塑样的粒度分布特征,得出了不同碎石尺寸下碎石土的分形维数,并探讨了碎石土的强度特征与粒度分形维数之间的关系。研究表明在粗粒含量相同的情况下,碎石土的抗剪强度随着碎石尺寸的相对增大而增大;内摩擦角随着碎石尺寸的相对增大而增大;而黏聚力呈现相反的趋势,随着碎石尺寸的相对增大而降低;随着碎石尺寸的相对增大,分形维数增大,分形维数越大,其颗粒粒度分布越不均匀,反之分形维数越小,其颗粒粒度分布越均匀。碎石土抗剪强度和粒度分形维数有一定的相关性,黏聚力随着分形维数的增大而减小,而内摩擦角呈现相反的趋势,随着分形维数的增大而增大,黏聚力和内摩擦角均与粒度分形维数近似呈现抛物线函数关系。     

颗粒级配对非饱和红土土-水特征曲线的影响

颗粒级配是影响土-水特征曲线的主要因素之一,探讨这个问题对研究非饱和土的渗流和强度特性具有重要价值。以江西红土为研究对象,人工配制5组颗粒级配不同的土样,基于分形理论研究其分形特征及其分维数,结合滤纸法试验测量土样的土-水特征曲线并求得其特征值,然后分析各特征值与分维数之间的关系。结果表明:对于不同颗粒级配的土-水特征曲线,同一体积含水率下细土颗粒含量越多的土样其基质吸力越大;粗细土颗粒含量不同的土样均具有较好的分形特征;颗粒级配定量指标均随分维数的增加呈现出先增后减的规律;且分维数随着细粒土含量的减少而降低,进气值和残余基质吸力值均随分维数的增大而提高。说明可运用分维数讨论颗粒级配对土-水特征曲线的影响。     

砂岩渗透作用下声发射及分形特征研究

地下围岩经常处于渗透场-应力场的耦合作用中,为分析在相同渗透压、不同围压下砂岩的变形特性、渗透特性、声发射特征及基于声发射空间分布的分形维数特征,对取自某在建工程的砂岩进行了三轴渗透及声发射试验。研究结果表明:砂岩的抗压强度及变形能力随着围压的升高而增大;渗透率在不同围压下有着相似的演变特征,均是随着应变增大而先减小后增大,并随着围压的升高逐渐减小;声发射的演化过程反映了渗透率大小的变化趋势,渗透率随着渗透试验过程呈阶段性变化,围压越大,声发射现象越滞后;基于柱状分形理论,得到砂岩的分形维数随着试验进行逐渐减小,表明砂岩经历了一个从无序到有序的损伤演化过程,围压越大,对应的分形维数越小。研究结果有助于认识和理解砂岩渗透性的变化机制。     

基于SEM图像处理的天然硅藻土分形特征分析

为探讨天然沉积硅藻土的微观结构及变形机制,对硅藻土样进行了SEM电镜扫描、压汞试验和高压三轴试验。采用图像分割原理及最佳阈值法分析了天然沉积硅藻土在不同固结压力下的分形特征和孔隙结构特征参数,探讨了硅藻土分形维数和各向等压固结压力之间的关系。结果表明,硅藻土体多孔隙,具有很强的结构性。土中孔隙孔径大多在0.1~1.0 μm之间。在固结压力达到屈服压力后,孔径大于1 μm的较大孔隙随固结压力的增加而减少,硅藻颗粒破坏,孔隙结构坍塌。获取了灰度阈值及二值化后的SEM图像。得到天然沉积硅藻土在不同固结压力下的分形盒子数和盒维数。结果还表明分形盒维数随固结压力增加而增加,天然沉积硅藻土在固结压力下的微观结构性及孔隙分布可通过分形盒维数来反映。     

颗粒级配对碎屑流运动速度影响的滑槽试验研究

滑坡-碎屑流是一种突发性地质灾害,具有速度大、破坏性强等特点。滑坡-碎屑流灾害发生时,不同粒径颗粒组成的碎屑流体运动速度差异较大。为了探究颗粒级配对碎屑流运动速度的影响,设置了单一粒径组、三粒径组以及全粒径组共14种不同级配的工况进行碎屑流滑槽实验,并引入分形维数D对颗粒级配进行量化,获得了最大运动速度与颗粒级配的关系。结果表明：在单一粒径工况下,随着粒径由小到大,碎屑流与底面的摩擦形式由滑动摩擦变为滚动摩擦,颗粒的摩擦耗能减小,碎屑流体运动速度增大;在混合粒径工况下,碎屑流在运动过程中会出现明显的分层现象,而初始级配决定了其中垫层的厚度与结构;伴随着分形维数D和细颗粒含量的减少,运动过程中的垫层厚度也同步减小,导致碎屑流的运动速度增大。     

非均匀卵砾石粗糙床面的分形特征

针对传统方法刻画粗糙床面总体特征存在缺陷的问题,将分形几何理论引入非均匀卵砾石粗糙床面特征研究,以卵砾石床面激光扫描试验资料为基础,探讨了分形尺度区宽度与中值粒径d50的关系,分析了覆盖基准面对分形维数的影响,研究了床面整体与局部分形维数的特征与联系,获得了分形维数随床面颗粒组成及高程统计参数的变化规律。结果表明:分形尺度区宽度与床面颗粒中值粒径d50有关,上临界尺度可取为1.5d50;分形维数与覆盖基准面位置有关,覆盖基准面距平均床面的距离越大,分形维数越大且逐渐失真,为有效量化和区分床面粗糙特征,覆盖基准面宜取平均床面;粗糙床面分形维数具有良好的稳定性,局部分形维数变异性很小,并与整体分形维数接近;粗糙床面的分形维数与颗粒大小、级配组成及床面高程统计参数有关,中值粒径越大,颗粒组成越均匀,床面高程极差、标准差、偏度(绝对值)和峰度越大,分形维数越小。     

塔城水电站筑坝材料的分形维数及其统计特征

粗粒料的颗粒组份大小、形状及其接触方式决定了粗粒料的物理与力学性质,而分形几何在描述上述问题时具有独特优势。以塔城水电站筑坝材料为研究对象,通过建立分形模型,研究粗粒料的分形特性和细料含量对其分形维数的影响,在此基础上建立粗粒土分形维数的统计模型。利用试验成果对该模型进行了参数估计,通过拟合优度检验验证了模型的合理性。分析结果表明,塔城水电站筑坝材料的粒径分布具有较好的分形特性,分形维数介于1.181 9~2.632 3,且服从Weibull概率分布模型。粗粒土中分形维数与细料的含量呈显著正相关,两者的关系可用对数函数描述。上述分析表明,可以用分形维数代替级配曲线来表示堆石料的粒径分布特征,从而使问题得以简化。     

基于分形理论的饱和土孔隙水压力计算模型

孔隙水压力是一种作用于土体孔隙间的应力,其定量分析对于探究土体的抗剪强度等力学性能有着至关重要的作用。传统的孔隙水压力计算方法忽略土体内部孔隙中流体流动及流量变化对孔隙水压力的影响,导致计算结果偏小。为修正此计算误差,基于孔隙数目-尺寸分形模型,推导出土颗粒材料孔隙度与分形维数之间的演化公式,并结合孔隙水流动方程及压力方程推导出饱和土孔隙水压力与分形维数、孔隙水压缩模量及孔隙间流量变化之间的函数关系。并使用此孔隙水压力计算公式对饱和黏土边坡进行数值分析验证公式准确性及实用性。所得公式可用于饱和土体的有效应力及抗剪强度计算修正,并可应用于饱和土体宏观-微观的多尺度液相-固相耦合渗流分析。     

考虑级配效应的堆石料颗粒破碎与变形特性研究

通过6组级配堆石料的相对密度试验和大型三轴试验,分析了堆石料级配与抗剪强度、剪胀性、压缩性及颗粒破碎之间的规律,建立了堆石料广义塑性模型参数与制样分形维数之间的函数关系式,并利用不同级配的三轴试验结果验证其合理性。结果表明:堆石料的性质与级配密切相关,采用制样分形维数的二次函数可以较好地反映级配对其物理力学性质的影响。研究结论可为考虑级配影响的堆石体应力变形计算提供依据。     

一种改进的聚合模型在污泥絮凝-沉降模拟中的应用

鉴于在试验中难以观测到污泥絮团的粒径分布情况,且以往类似模拟中鲜有考虑絮团分形特征及絮团黏结效率的问题,通过一种改进的聚合模型来模拟污泥颗粒间的分形聚合机理,并在群体平衡模型(PBM)和两相流Mixture模型基础上对污泥的絮凝-沉降进行三维数值模拟。模拟结果表明:建立的数学模型能较好地反映黏性污泥分形絮凝-沉降规律,具预测絮团粒径分布的能力;在同一时刻絮团的粒径分布范围随着分形维数的降低逐渐变宽,大粒径絮团数量迅速增加,小粒径絮团数量逐渐减少;初始颗粒数量的衰减速率随分形维数的增大而增大;絮团数量总体呈先增加后减少的趋势,但当分形维数不同时,其最大值随分形维数的增大而增大,出现时间随着分形维数的增大而有所缩短。     

颗粒级配对珊瑚砂微生物固化影响研究

对不同颗粒级配的珊瑚砂试样在相同条件下进行了微生物固化试验,研究颗粒对细菌的吸附性、固化体无侧限抗压强度与渗透系数、干密度增量的关系及内部碳酸钙的微观分布,分析颗粒级配及初始孔隙比对固化效果的影响。试验结果表明:低孔隙比试样对细菌的吸附性更好,适中的孔隙比能保证砂颗粒对细菌的吸附性与渗透性达到最优平衡;固化体无侧限抗压强度在1 MPa^3 MPa范围内,应力-应变曲线均为软化型,颗粒错动与薄弱结构面导致阶段性应力峰值的出现;抗压强度随干密度增量的增加而增大,随渗透性增大而减小,孔隙比约为1的级配不良试样固化效果最好;固化后孔隙比高的级配良好试样颗粒间碳酸钙黏结较少,孔隙比低的级配不良试样颗粒表面碳酸钙包裹覆盖更好,颗粒间碳酸钙分布更连续均匀。     

岩溶隧道充填型隐伏溶洞涌突水持续时间特征试验研究

为研究岩溶隧道充填型隐伏溶洞涌突水持续时间特征,通过自主设计试验装置开展了不同介质上覆水头高度、介质沉积高度、介质类型和介质颗粒级配特征等条件的涌突水模拟试验,研究结果表明:(1)隐伏溶洞涌突水演化过程可分为四种模式,即渗-涌-突水(砂)模式、涌-突水(砂)模式、突水(砂)模式、渗-突水(砂)模式;(2)颗粒级配和介质...     

三维应力对煤层气-水两相渗流特性影响实验研究

在实验室通过改变围压、轴压及孔隙压力,模拟三维应力作用下煤层气-水两相渗流过程,得到有效应力、孔隙压力与气、水有效渗透率关系曲线,对有效应力、孔隙压力与气、水有效渗透率的关系进行回归分析,得到以下主要结论:①气、水相对渗透率随环压增大而略有增加,说明环压的大小对气、水有效渗透率有一定影响,对煤岩绝对渗透率影响更大;②随着有效应力的增加,气、水有效渗透率呈现逐渐降低的趋势,且开始降低幅度大后逐渐稳定,其主要原因在于随着有效应力的增加,煤样原始孔隙首先闭合,随有效应力继续增加,有新的裂隙出现并发育,使得渗透性能逐渐平稳;③气、水有效渗透率随孔隙压力的增加而增大,分析其原因在于孔隙压力增加,使得孔隙、裂隙产生膨胀变形,增加了其渗透性能。     

粗粒填料土分形特征与可压实特性相关性研究

粗粒料填土因其压实性好、透水性强、抗剪强度高而被广泛作为路基填料,其颗粒组成是影响可压实性的主要因素。以沪昆客运专线施工现场采集的数十组路基粗颗粒填土为研究对象,首先分析其是否满足分形特征,然后应用分形理论研究其质量分维数与可压实性之间的相关性。结果表明,当分形维数在一区间范围内时,粗粒土可压实性能良好,超过这一范围后,压实性能下降。可采用分形维数作为评价粗粒料填土级配的指标。     

花岗岩残积土大孔隙结构定量表征

为揭示花岗岩残积土大孔隙结构的分布规律和形状特征,选取福州某地原状花岗岩残积土作为研究对象,基于工业CT扫描和ImageJ软件,定量化研究了大孔隙的成圆率、扁平度、整体轮廓系数、分形维数等参数分布规律。结果表明:约有80%以上的大孔隙直径在0.15~1 mm范围内,不到20%的大孔隙直径>1 mm。花岗岩残积土的大孔隙率介于5.8%~22.7%之间,且随着深度的增加呈先增大后减小趋势。大孔隙直径越大,孔隙成圆度越差。4个试样的整体轮廓系数变化范围在0.81~0.87之间,且孔隙整体轮廓系数随着土壤深度的增加变化较小。花岗岩残积土大孔隙率与分形维数存在一定的相关性,但不同试样的大孔隙率与分形维数的相关系数存在较大差异。综上,花岗岩残积土具有孔隙比大、粗糙程度差、大孔隙分布广泛、孔隙结构差异性大及局部孔隙扁平度离散性大等特点。     

贵州赤水红层砂岩压缩破坏过程孔隙及渗透率试验研究

【目的】为了认识红层砂岩在加载过程中渗透率演化特征,【方法】通过声发射、核磁共振、渗透试验对贵州赤水红层砂岩加载过程中孔隙和渗透率的演化过程进行了研究,讨论了孔隙分形维数、孔隙率与渗透率之间的关系。【结果】结果显示：砂岩的小孔占总孔隙的33%～37%,大孔占总孔隙的64%～68%;经历多次加载梯度后,砂岩试样S-3、S-4、S-5的渗透率最终分别降低至初始渗透率的71%、63%、54%。【结论】结果表明：砂岩的渗透率在加载全过程中随应力的增加呈线性降低,孔隙率变化表现出明显的阶段性,孔隙压密阶段孔隙率降低,弹性阶段初期孔隙率回升后随应力增长而降低,非稳定破裂阶段孔隙率增大;砂岩的核磁共振T₂谱图呈双峰特征,在试样破坏前,大孔径孔隙比例降低,小孔径孔隙比例升高。NMR大孔分形维数D_fl与渗透率线性相关性强;核磁共振成像结果(MRI)可显示砂岩在不同加载阶段内部微孔洞和微裂隙的演化过程,通过对砂岩核磁共振图像处理,可获得不同应力加载过程砂岩孔隙演化规律。     

基于多孔介质土体分形特征的渗透系数研究

堤坝工程渗流计算中确定土体渗透系数尤为重要。利用分形维数不同尺度域,分析渗透破坏试验土样无标度区,指出土体细颗粒含量是决定土体分形维数的主要因素。基于多孔介质毛管束模型,推导了渗透系数和孔隙率与分形维数之间分形关系解析式,阐释了多孔介质土体渗透系数影响因子包括分形系数、孔径大小、分形维数及流体黏滞系数。利用土体渗透破坏试验结果,进一步论证了渗透系数和孔隙率与分形维数之间的非线性关系。结果表明:当分形维数大于2.83时,孔隙率随着分形维数的增大而减小,但在颗粒吸着水和薄膜水形成的黏聚力影响下,渗透系数随着分形维数增大而减小的规律不明显。研究结果可为渗透破坏形成机制及发展过程分析提供理论依据,减少堤坝渗透破坏致灾隐患。     

不同泥沙级配浑水灌溉入渗量及减渗作用分析

浑水灌溉是黄河流域普遍存在的现象,浑水中泥沙级配和浓度的大小对土壤入渗过程有很大的影响,不同泥沙级配和浓度的浑水入渗结果有显著差异。通过分析不同泥沙级配浑水灌溉入渗试验数据,并与清水灌溉入渗试验对照得出:不同泥沙级配浑水灌溉累计入渗量与时间的关系和清水相同,均为指数为正的幂函数曲线。相同含沙量、同一入渗历时,泥沙较粗的浑水始终比泥沙较细的浑水累计入渗量大。泥沙颗粒越细的浑水,其相应的累计入渗量越小,减渗量和减渗率越大;而相同累计入渗量条件下,泥沙颗粒越细,相应入渗历时越长。不同泥沙级配浑水相对于清水的时段减渗量和减渗率随时间均先增大后减小,最大值均发生在前50 min,泥沙组成颗粒越细,最大值出现的时间越早,同时刻浑水的减渗作用越强。     

川中红层泥岩颗粒破碎分形特性

红层泥岩填料中泥岩碎块石的含量直接影响压实后填筑体的流变、渗透、强度以及地基变形特性。通过配置不同含水率、不同粗细比的泥岩试样,开展红层泥岩击实后粒径的分布情况及其破碎率和分形维数的研究,探讨分形理论在该种岩土体中的规律和特性。结果表明,泥岩颗粒破碎后的粒径分布具有典型分形特征,分形维数区间分布在2.418~2.529。随着含水率的增加,红层泥岩的破碎率和分形维数均增加。当P₅初始含量较大时,含水率对分形维数的增长影响较大,但初始粗颗粒的增多减缓了分形维数伴随含水率增加而上升的幅度。破碎率和分形维数均是随着含水率的增加而增大,且与P₅初始含量成反比关系,两者具有一定的相关性,满足高斯公式的正态分布关系。