基于SEM土体微观结构研究中的影响因素分析

通过对一系列SEM照片计算其表观孔隙率和土颗粒形态分维数,研究了阈值大小、分析区域大小、扫描点位置、放大倍率等因素对土体微观结构定量研究的影响,探讨了各因素的影响机理。研究发现在相对较小的阈值条件下得到的孔隙结构参数较接近真实情况,在相对较大的阈值条件下分析土颗粒的形态特征更具有代表性;合理的放大倍数是分析土体微观结构的关键因素,应根据研究对象和研究目的而定;基于分析结果,给出了合理的阈值和放大倍数的推荐值,并对扫描过程中相关的测试技术、观察技术和图片处理技术提出了建议;研究结果对今后研究人员如何利用SEM获得真实客观的土结构参数具有参考价值。     

基于扫描电镜图像的土体三维视孔隙率定量计算方法

通过扫描电镜来观察土体微观结构是目前研究微观土力学的重要手段。目前,大部分通过SEM图像反映土体孔隙率的研究多采用二维表观孔隙率定性分析,而此时得到是土体的二维表观孔隙率难以反映土体真实的三维孔隙率。因此,建立一种基于二维扫描图像计算三维孔隙率的计算方法具有重要研究意义。基于SEM电镜扫描图像,利用SEM图像处理软件IPP,变换不同的阈值得到不用阈值下的二维表观孔隙率,并且引入二重积分的思想,提出了一种基于SEM扫描电镜二维图像确定土体三维视孔隙率的计算方法。最后对不同种类的土进行了对比试验验证,结果表明本文提出的计算方法能够较好地反映土体真实的三维孔隙率。     

基于体视学原理的煤岩裂隙三维表征试验研究

 基于体视学原理,运用工业CT试验系统对煤样进行单轴加载扫描试验。对得到的CT扫描图像采用不同阈值求取其裂隙张量特征值平方和的曲线,选取曲线图拐点处所对应的阈值作为图像二值化的阈值,并验证该阈值是计算二阶张量的最佳阈值。同时实现体视学中对二值化后的图像测线及特征区域参数的提取,提出特征值平方和的概念作为描述煤样破损程度的参数。在从三维角度重构出的裂隙煤样中,选取3个正交面构造出二阶张量特征值平方和与孔隙率之间的关系,为进一步从三维角度描述煤样裂隙损伤奠定基础。     

天津南港吹填土厚度变化对地表峰值加速度的影响

场地条件对地震波有明显的放大或缩小作用。工程抗震设防确定工程场地设计地震动参数时,必须考虑工程场地条件的影响。本文选用一处工程实例中的地震危险性计算结果,采用一维等效线性化波动方法,研究了吹填土软弱层厚度对地表峰值加速度的影响。研究结果表明:在不同的地震动输入条件下,输入的地震动强度越小,地表峰值加速度放大效应越大;地表峰值加速度放大倍数随着吹填土软土层厚度的增加先增大后减小,而最大放大倍数所对应的软土层厚度与地震动输入的大小有关。本文所得结果有助于在地震安全性评价工作中把握重点,为制定出合理可靠的工作方案提供依据,从而减少土层地震反应分析过程中的不确定性,提高抗震设防参数的精度。     

背散射电子图像分析法在水泥基材料孔结构研究中的应用

优化了背散射电子图像分析(BSE-IA)法在水泥基材料孔结构研究中孔隙阈值的确定方法,以降低主观因素影响,推导出统计所需图像最少张数的计算公式,分析了孔隙阈值确定方法和图像放大倍率对测试结果的影响,并将BSE-IA法与压汞法(MIP)测得的孔隙率结果进行对比.结果表明:选用灰度面积累计分布曲线的二次导数来确定水泥净浆孔隙阈值以及500倍背散射电子图像统计出的结果较为合理,工作量适中,而BSE-IA法较MIP法测得的孔隙率小,但BSE-IA法可以直接观察孔隙形态及分布,因此在表征水泥基材料孔结构方面具有独特优势.     

SEM在混凝土结构耐久性评定中的应用

本文以混凝土结构耐久性评估为目的,研究了SEM、X射线成分分析及数字图象分析技术用于确定混凝土的水灰比及孔隙率的可能性。通过对水灰比为0.4,0.5,0.6的三组混凝土SEM图象的直观分析和在一定放大倍率下的SEM照片的数字图象分析以及对水灰比为0.3及0.5的两组混凝土在一定放大倍率下的微区成分分析,显示出主要水化物(C—S—H凝胶和Ca(OH))的形貌,氧化物含量及孔隙率(毛细孔及大孔的面积率)在不同水灰比的混凝土之间有较明显的差别,孔隙率-水灰比的相关关系也能得到正确的反映。研究表明。SEM,成分分析以及数字图象分析的综合利用可作为有效而方便的检测手段为混凝土结构的耐久性评定提供比材料强度更丰富的信息。     

基于K值分析的路面坑槽面积自动测量

采用K值分析对路面坑槽面积进行自动计算,通过图像灰度阈值计算,对坑槽特征进行了提取,同时通过像素点数量计算实现面积测量,结果表明该方法具有较高精度,为同类工程提供参考。     

基于显微CT试验的岩石孔隙结构算法研究

在对煤系地层泥岩样进行显微CT无损伤探测及其图像分析的基础上,用Matlab语言对岩石孔隙结构(孔隙孔径和孔隙率)的算法进行了研究。结果表明:显微CT扫描、数字图像处理和三维重构三者的结合为岩石类材料孔隙结构的定量研究提供了一种简单可行的新方法。对显微CT试验得到的CT单张横截面图像进行数字图像处理,计算出了基于CT单张图像的岩石孔隙率。对CT单张横截面图像进行压缩,生成不同分辨率的新图像,以新图像的像素大小作为孔径尺度,确定了基于CT单张图像的岩石孔径尺度和孔隙率之间的变化规律。将CT单张图像进行处理生成CT图像序列,用可视化重构算法中的体绘制算法对其进行三维重构,生成岩石的三维数字图像,计算了基于CT图像序列的岩石孔径、孔隙率及其二者之间的变化规律。以煤系地层中的泥岩为例,泥岩的孔隙率随孔径尺度的增加呈负指数规律减少,其计算结果与压汞法测定的孔径分布相吻合。     

基于图像处理技术的岩体裂隙定量识别方法研究

传统的岩体裂隙特征提取方法较难及时准确地对裂隙特征进行提取,现有数字化处理方式缺乏系统性。笔者提出一种基于图像处理技术的岩体裂隙定量识别与表征方法,在小波分析基础上建立了自动阈值分割算法,对图像裂隙区域进行分割处理。在对图像进行裂隙区域分割处理后,采用区域生长法计算裂隙面积。采用边界跟踪算法提取边缘轮廓,并利用Zhang-Suen细化算法计算裂隙骨架。在此基础上利用动量法拟合骨架切线,并计算切线的法向向量,利用三角函数转化来计算裂隙倾角,结合DDA画线算法对裂隙宽度信息进行提取并计算裂隙宽度。研究结果表明:基于小波分析建立的自动阈值分割算法,在对裂隙区域的分割效果、阈值选取及计算速度上均优于传统的Otsu算法。在裂隙特征值的提取计算上,该方法不仅保证了骨架的平滑度,而且提高骨架的拟合程度,相比于传统方法,该方法计算更加简单,计算量更小。     

基于CT试验的混凝土裂纹扩展演化研究

针对混凝土宏观性能指标与破坏特性细观参数之间关系的技术难题,采用工业CT对单轴压缩条件下的混凝土试样进行了CT扫描试验;利用图像处理技术对混凝土CT图像进行分析,得到不同加载阶段混凝土孔隙和裂纹的三维细观模型及孔隙率变化规律。运用分形理论建立了CT图像分形维数计算模型,对混凝土CT图像分形特征进行了研究。结果表明:混凝土孔隙体积和分形维数的快速增大是混凝土失稳破坏的预警信息;利用混凝土CT三维重建图像结合分形理论观察研究混凝土裂纹扩展全过程,为有效分析混凝土细观损伤破坏提供了新技术。     

基于绕流阻力理论的无粘性土渗透系数的计算

渗透系数是渗流计算所需的一个重要参数。目前对于渗透系数的计算已经有很多计算方法,但是理论方法的计算精度不足。针对已有的理论计算方法,基于圆球绕流阻力理论,对Hagen-Poiseuille定律中水流阻力规律进行了等效处理,推求渗透系数的计算方法。在计算中,毛细管直径的求解推荐采用平均孔径计算。通过与实验结果的对比,本文的理论计算方法具有很高的可信性。土体参数对于本文公式的计算结果影响较大,不均匀系数小于5的土体,可采用本文方法;计算结果对于土体粒径和孔隙率的变化较为敏感,准确测量土体参数是运用该方法的基础条件。本文公式可计算不同温度条件下的渗透系数,并且指出由于实验边界和实验过程的影响可能导致本文公式计算与实验值的偏差。     

基于SEM和MIP试验结构性黏土压缩过程中微观孔隙的变化规律

 为探求土体在变形过程中微结构形态的演化规律,对湛江结构性黏土进行室内压缩试验,通过真空冷冻升华干燥法对天然土和压缩后土制样,进行扫描电子显微镜扫描试验和压汞试验,基于灰度计算土的三维孔隙率,分析压缩过程中微观孔隙的变化规律。结果表明,较二值化处理获得的二维孔隙率,三维孔隙率物理意义明确,求取方法简单,有较高准确性。湛江天然黏土孔径为1.0～0.1 μm的小孔隙组占优,其孔隙体积占总孔隙体积的73%。压缩过程中,P＞?k前,各孔径组分变化甚微。P＞?k后,随压力的增大,小孔隙含量表现为先增加后降低。各孔隙组对外力的敏感度与孔隙体积含量正相关。由于压汞过程存在“瓶颈”效应,其结果可能会夸大小孔隙的分布密度而低估大孔隙的分布密度。结构性黏土压缩过程中微观结构形态的演化可分为结构微调、结构破损、结构固化3个阶段。该研究有助于深入了解土的变形机制,为结构性土的工程设计提供科学的依据。     

饱和细粒土固结过程中三维微观空架结构研究

饱和细粒土具有典型的多尺度孔隙三维空架结构,显著影响着土体固结沉降等宏观力学特征。基于SEM及多能量同步辐射X射线μCT技术结合数据约束算法(DCM),建立饱和细粒土多尺度结构三维微观模型。研究结果表明:土样受荷时土体表面的表观孔隙率与体积孔隙率的变化趋势基本一致,但表观孔隙率略小于体积孔隙率。800 kPa压力是土样表面表观孔隙率随压力变化的转折点,土体在800 kPa压力时其微观结构发生了显著变化,可能对应着土体骨架的蠕变变形。100 kPa土样和800 kPa土样表面的平均孔隙形状系数出现异常,100 kPa时低于均值0.32,而800 kPa时显著高于0.32,表明土体中孔隙在受压初始阶段对压力变化较敏感,而在固结后期土体结构发生变化。土样的实验孔隙率略大于由DCM计算出的体积孔隙率和DCM导出二维切片的表观孔隙率,经DCM二维切片得到的土样平均表观孔隙率在0.35～0.45范围内波动。数据约束模型突破分辨率限制,实现微纳米级颗粒的三维结构表征,同时PCAS检验数据约束模型切片数据可为计算土体孔隙率提供新途径。     

盾构隧道软土震陷有限元分析

软土地区震陷是造成工程结构震害的原因之一,其计算问题一直是目前国内外十分关注的问题。为了研究地铁隧道在软土地区中的震陷计算问题,以天津Z2线地铁隧道一期工程为例,结合地质勘察报告和地震安全评价性报告,采用《软土地区岩土工程勘察规程》（JGJ 83—2011）推荐的有限元分析计算方法并结合软化模量理论,进行地铁隧道软土震陷的分析计算,将计算结果与自由场情况下的计算结果进行对比分析。结果表明,地铁隧道位置处的震陷值大于相同位置处自由场情况下的震陷值,但二者数值相差不大,隧道的震陷值在一定程度上可以通过自由场的震陷值来进行估算;隧道震陷处理措施的范围可限制在隧道中心轴线左右两个隧道直径范围内。研究以期对于软土地区盾构隧道震陷问题具有一定参考价值。     

基于振次影响的软土动力参数模型

为了深入研究软土的软化现象,对软粘土进行了一系列的动三轴试验。在软土动力三轴试验的基础上,采用最大动剪模量的计算公式,对软土进行了计算和比较,建立了考虑频率影响因素的经验公式。同时,给出了振次曲线的动态参数的拟合公式,计算分析了软土的动态参数,并验证了该公式的适用性。结果表明,考虑频率影响因素的计算公式能更准确地计算出动态参数,提出的曲线拟合计算公式对不同地区土的适用性较好,可以推广使用,便于进行理论分析以及工程运用。     

考虑覆盖层对地基应力分散效应的地基沉降计算方法探讨

对于软土地基上的建筑物的沉降计算,我国规范推荐采用分层总和法。分层总和法中地基附加应力的计算以点荷载作用下的半无限空间的Boussinesq解为基础。对于具有不同刚度和强度相差较大的地层而言,以此方法为基础计算得到的最终沉降往往偏大。本文提出一种基于多层弹性理论的考虑覆盖层对地基应力分散作用的地基沉降计算方法。这种方法的计算结果使地基中的应力水平较基于Boussinesq解的结果大幅降低,对于某工程实例而言,计算得到的地基中的总有效应力小于前期固结压力,土层的变形相对较小。工程实测的结果表明,所提出方法计算结果与实测结果较为接近。