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。     

动力夯实法处理湿陷性黄土的微观机理

利用取自山西的湿陷性黄土,模拟动力夯实现场试验,设计不同夯击次数的模型试验,得到随着夯击次数的增加,土样的密度、强度参数逐渐提高,湿陷性系数逐渐降低的变化规律,但当夯击次数大于8次时,土样竖向变形、密度、内摩擦角和粘聚力均趋于稳定,且湿陷性系数小于0.015。另外,对不同夯击次数下的土样进行SEM(扫描电镜)微观试验,编制SEM图像分析程序,经定性分析得到:随着夯击次数的增加,中小孔隙含量越来越大;夯击前土样等效孔径16μm以下的孔隙占92.6%,大于16μm的大孔隙占7.4%,小于4μm的小孔隙占66.9%。10次夯击后,土体中几乎不存在等效孔径大于16μm的大孔隙,而等效孔径小于4μm的小孔隙占81.8%。经定量分析建立了夯击次数与平面孔隙率、平均等效孔径之间的量化关系。从而建立了湿陷性系数与平面孔隙率和平均等效孔径的量化关系。     

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。     

铝用碳阳极电流密度对其孔隙结构和碳渣量的影响

为了探究铝电解过程中碳阳极底面中心与边缘区域不均匀消耗问题,采用图像分析方法对铝用碳阳极底面中心及边缘区域在不同电流密度下孔隙结构及其演变过程进行分析表征,考察孔径分布、孔隙率、视孔隙比表面积、连通性、形状因子等孔隙结构参数,碳渣量与阳极电流密度之间的关系。结果表明:从阳极底面中心到边缘区域,孔隙率、视孔隙比表面积及连通性均增大,形状因子逐渐减小;随电流密度升高,中心区域孔径变化不大,但边缘区域孔径800μm以上变化较大;孔径800~1 500μm大孔隙主要是骨料脱落而形成碳渣,600μm可能是碳渣形成的临界孔径;当电流密度为0.75和1.00A/cm2时,阳极底面边缘碳渣量大于中心区域的,当电流密度为0.80~0.90A/cm2时,碳渣量较少且无明显区域差异。     

基于CT技术的陶瓷透水路面砖孔隙特征与渗透性能研究

为了研究陶瓷透水路面砖内部孔隙结构与渗透性能间的关系,对其圆柱芯样进行CT扫描和图像处理,得到其上下层的孔隙结构并进行二维和三维孔隙特征分析;同时基于确定尺寸的特征单元体,利用Avizo渗流模拟模块对圆柱样上下层的渗透性能进行分析。结果表明:上层和下层的连通孔隙三维等效直径均比其孤立孔隙大,2种孔隙等效直径分别集中在[1000μm,2000μm]、[50μm,100μm]区间内,而孤立孔隙的三维轮廓形态相比连通孔隙更规则;上下层各特征单元体的有效孔隙率与总孔隙率间满足幂函数关系,而其渗透系数不仅与有效孔隙率呈正相关关系,还与孔隙大小分布、比表面积等因素有关。     

水泥加固黏性土微观特征试验研究

通过电镜扫描试验与图像分析手段,对加载前、后不同土性及不同水泥掺量的加固黏性土微观结构进行研究,定量分析其微观孔径大小、孔隙形状系数以及孔隙定向角等参数变化的影响,并探索其与加固土体强度及承载机制的关系。研究结果表明:(1)水泥黏性加固土在加载前、后孔径分布和孔隙形状系数呈现出不同的规律,水泥掺量小(5%)的加固土加载后孔径减小,孔隙形状系数增大,宏观表现为剪缩;而水泥掺量高(20%)的加固土加载后整体孔径增大,孔隙形状系数减小,宏观表现为剪胀;(2)水泥黏性加固土体无论其水泥掺量的高低,在加载过程中,其颗粒或团粒均在内部应力作用下发生定向性的滑移或转动,从而导致孔隙长轴方向发生改变,孔隙定向角分布由均匀变为集中,孔隙定向性趋于显著。     

不同植被条件下斜坡土体大孔隙特征分析

采集高盖度玄武岩斜坡典型植被云南松和狗牙根土体,基于水分穿透法,采用方差分析、回归分析方法,进行对滑坡孕育及发生有显著影响的土体大孔隙特征研究。分析表明:植被类型并不能控制土体大孔隙水分运动的整体发展规律,但影响水分穿透曲线的振幅及稳定时间。2种植被土体均存在大直径(2.4 mm)大孔隙量小,小直径大孔隙量大的特征;不同植被土体各层大孔隙数量不同,但并不影响大直径大孔隙数量的土体空间分布。2种植被土体大孔隙直径主要集中于2.6~0.6 mm,平均直径范围为1.86~1.0 mm;大孔隙尺寸范围受控于植被类型,而尺寸分布受其影响较小。不同植被土体水分流速受大孔隙特征的影响程度不同。总体上,2种植被土体各层大孔隙数量、平均孔径、最大孔径、最小孔径、大孔隙度、稳渗速率均随深度增大而减小;根系和有机质对不同植被土体大孔隙特征有不同的影响;颗粒分布对云南松和狗牙根土体各层大孔隙特征参量无显著功效。研究得出大孔隙的一个下限尺度值为600μm。     

玄武岩三维细观孔隙模型重构与直接拉伸数值试验

由于岩石材料的不透明性和多孔隙特性,通过传统的物理试验或数值模拟很难真实体现其内部三维细观结构.本文基于CT扫描技术、边缘检测算法、滤波算法、三维点阵映射与重构算法,构建了可以表征玄武岩试样内部孔隙结构的三维细观非均匀数值模型.结合并行计算进行直接拉伸数值试验,研究了内部孔隙结构特征对试样破坏机制及抗拉强度的影响.研究结果表明:加载初期在试样孔隙处产生初始裂纹,随着荷载的增加初始裂纹逐渐沿横向扩展最终形成宏观拉伸破坏裂纹,并且孔隙含量和分布位置对试样拉伸断裂的位置具有重要影响.随着孔隙率增高,试样破坏过程中的声发射数目和能量逐渐减小.拉伸破坏模式呈现脆性破坏特征,同时孔隙的存在削弱了试样的抗拉强度.     

孔隙结构特征及其对岩石力学性能的影响

 以砂岩为研究对象,利用统计学原理和FLAC3D软件重构了三维孔隙模型。在三维孔隙模型的基础上,应用数值模型试验的方法,通过多组孔隙分布特征参数的巴西圆盘劈裂数值模拟试验,分析并探讨了孔隙结构参数(孔隙率、孔径分布和空间位置分布)对孔隙砂岩力学性能的影响。研究结果表明：孔隙率严重地影响着孔隙圆盘模型的破坏状态,孔隙率较小时圆盘以拉伸破坏为主,孔隙率增大时出现拉伸和剪切共同作用的破坏方式。随着孔隙率的增大,圆盘模型的抗拉强度呈指数递减的趋势;随着孔径分布控制参数的减小,圆盘劈裂破坏区域增大且更加分散。当孔隙率较小时孔径分布对抗拉强度有一定的影响;孔隙空间位置的改变对圆盘破坏的影响主要体现在裂纹产生的位置上,没有改变圆盘的破裂方式和裂纹的数目,对圆盘抗拉强度也没有太大的影响。研究结果揭示了孔隙岩石变形破坏的内在机制,为研究孔隙结构参数对岩石物理力学性能的影响提供一定的参考。     

基于Weibull分布的非均质地层物性参数随机模型

地质信息及其表征具有随机不确定性和模糊不确定性,而土体物理力学参数之间又存在着固有的互相关性。通过对地层的已知孔隙率参数进行统计分析,利用Weibull分布模拟孔隙率的空间分布非均质特性,并结合随机中点位移法,模拟非均质地层孔隙结构的空间分布规律,建立了孔隙率的空间分布预测模型。研究建立了地质变量的空间函数关系,结合土性参数之间的相关性,以孔隙率为基本量形成二维地质剖面和三维数字地层,构造面向目标的非均质地层地质模型,探讨了非均质地层物性参数的时空分布特征及其有效描述,对地层局部地质信息的变异和随机性进行精细化描述和预测。     

碳化作用对水泥固化/稳定化铅污染土渗透特性的影响

采用人工配制铅污染土的方法制备不同水泥掺量和不同铅浓度的土样,开展碳化前后水泥固化/稳定化铅污染土的渗透试验,并分析试样的宏观渗透系数和微观孔隙结构之间的内在联系。研究结果表明,水泥掺量增加会降低试样的渗透系数;水泥掺量为7.5%时,碳化作用下渗透系数提高;水泥掺量为15%时,碳化作用下渗透系数降低。铅浓度越高,试样的渗透系数越高,而碳化作用又会增大试样的渗透系数。水泥掺量增加会显著降低试样的孔隙率;碳化作用使得试样中孔径小于0.1μm的孔隙增多,大于0.1μm的孔隙减少。     

酸雨作用下碳酸盐岩类文物的溶蚀过程与机理

通过模拟硫酸型酸雨加速侵蚀石灰岩的室内试验,监测了试验过程中试样的质量变化、Ca~(2+)释放量、酸雨pH值变化、计算了H~+消耗速率及试样的表面硬度变化率,对试样的微观结构进行了观察和测量,对比分析了酸雨的淋蚀作用和浸泡作用,根据试验结果讨论了酸雨溶蚀石灰岩的机理,并分析了孔隙特征对石灰岩溶蚀过程的影响。试验结果表明:酸雨的淋蚀作用会溶解石灰岩中的碳酸盐并剥离岩石表面,造成新鲜岩石继续与酸雨作用,加速了石灰岩的质量损失和Ca~(2+)的释放,同时试样的表面硬度和表层微观结构发生相应的改变,但是,溶蚀产物会部分填充石灰岩内的微孔隙和微裂隙,可以有效减缓小尺寸孔隙(0.01μm)的破坏;孔隙特征对酸雨侵蚀石灰岩的过程有重要影响,孔隙率越高,酸雨越容易进入岩石内部并造成破坏;孔隙率一定的情况下,孔隙尺寸越大,酸雨作用的时间和程度会越充分,对石灰岩的破坏也越严重;在相同的试验条件下,试验选取的3种石灰岩中南响堂山石窟石灰岩的抗酸雨侵蚀能力最弱。     

层理方向对砂岩断裂模式及韧度的影响规律试验研究

为了探索具有层理面的砂岩断裂力学性质的各向异性,开展了具有不同层理方向的半圆形砂岩试样在不同切缝角度下的三点弯试验研究,揭示了层理方向对砂岩应力强度因子、断裂韧度及破裂模式的影响规律。试验结果表明试样破裂模式受层理面与荷载方向夹角θ控制:θ=0°时,沿层理面张裂破坏;θ=30°时,沿层理面剪切破坏;θ=45°,60°时,切层和沿层理面混合破裂;θ=90°时,切层破坏。不同层理角度的试样测得的断裂韧度差异较大,切缝角α=0°时,θ=90°试样断裂韧度最大,θ=0°试样断裂韧度最小,且KImax/KImin=2.36。运用有限元计算了各试样的无量纲化应力强度因子,结果表明切缝角α=0°时,无量纲化II型应力强度因子YII受层理面与荷载方向夹角θ影响显著:θ=0°,90°试样YII=0,呈现I型断裂;θ=45°,60°试样YII≠0,呈现出I-II复合型断裂;θ=30°试样YII最大,以II型断裂占主导,其余切缝角度下试样无量纲化I型应力强度因子与II型应力强度因子随层理角度θ的变化呈现不同的变化规律。通过扩展有限元XFEM计算出的试样起裂角、断裂韧度及断裂路径与试验结果吻合较好,结果表明各试样的起裂角随层理面与荷载方向夹角θ及切缝角α的变化呈现一定的各向异性。试验所得规律有助于更全面理解具有层理面岩石的断裂特性,并可作为对各向异性岩石断裂力学理论研究和数值计算的有益补充。     

饱和细粒土孔隙结构定量表征

土的物质组成多样且结构尺度跨度大,多物质成分和多尺度结构影响土体结构特征。借助室内试验及数值模拟(数据约束模型),表征饱和细粒土固结过程中多物质成分的多尺度结构,并进行三维结构定量表征,侧重探讨饱和细粒土固结过程中孔隙结构的变化特征。研究表明,饱和细粒土受压固结的蠕变界限在400 kPa左右,对应的界限孔隙值为0.4μm(微米孔隙)。随土样受压强度增加,土体中不同尺度的孔隙及其连通体数量均发生变化:孔隙和孔隙连通体数量都先增加后减少最后趋于稳定,但变化规律并不完全一致。孔隙数量在200 kPa压力时达到峰值,而孔隙连通体数量却在400 kPa压力下达到峰值,孔隙总体积受孔隙数量和孔隙体积两个因素影响。土体固结前期主要发生大孔隙变形,大孔隙数量是影响其固结效应的重要因素。而在固结后期,微小孔隙体积是影响土体固结效应和蠕变的关键因素之一。本研究多方法结构分析在突破吹填淤泥这类饱和细粒土的结构定量分析后,有利于物质微宏观力学理论的进一步深化。     

Research on anisotropic permeability and porosity of columnar jointed rock masses during cyclic loading and unloading based on physical model experiments

In this paper, the permeability and porosity of self-prepared artificial columnar jointed rock masses (CJRM) with different columnar dip angles under different pore pressures during cyclic loading-unloading of confining pressure were measured. The experimental results indicate that the gas permeability of the artificial CJRM gradually decreases with the rise of pore pressure due to the existence of Klinkenberg effect, and Klinkenberg effect gradually decreases with the rise of columnar dip angle. The existence of it improves significantly the intrinsic permeability. Besides, the intrinsic permeability and porosity of artificial CJRM are more sensitive to the first loading than that of the intact cement mortar specimen. The permanent deformation of pores in the specimens mainly appears in the first cycle, and the subsequent cycles have smaller effects on the intrinsic permeability and porosity. The permanent deformation results in the intrinsic permeability, and porosity in the loading process is always higher than those in the unloading process. The intrinsic permeability gradually increases with the growth of columnar dip angle, exhibiting obvious permeability anisotropy. Under high confining pressure, the permeability anisotropy of artificial CJRM is less than that under low confining pressure. Meanwhile, under the same confining pressure, during the repeated loading-unloading cycles, the permeability anisotropy decreases gradually. The existence of a representative element volume (REV) for CJRM is verified; thus, the equivalent continuum media model can be utilized to analyse the seepage characteristics of CJRM.

     

三轴低频循环荷载下盐岩体积应变特性研究

地下储气库围岩长期处于复杂疲劳应力状态下,盐岩三轴循环荷载下的变形规律对储气库稳定性分析有参考价值。对8个盐岩试块进行了不同围压、不同应力水平和不同频率条件下的循环荷载试验。对每一试块施加恒定围压和轴向低频循环荷载。对试验参数进行了无量纲处理,分析了应力比强度(广义剪应力强度与球应力的比值)、应力比振幅、上限应力水平、荷载频率、循环次数(N)等对体积应变(?v)的影响。利用函数?v=?lg N+?v0,对每一试块的体积应变–循环次数曲线进行了拟合分析,获得了参数?和?v0随应力比振幅、上限应力水平和频率变化的数学表达式。标准化回归系数分析表明,上限应力水平是影响盐岩体积变形的主要因素,其次是应力比振幅。在高上限应力水平三轴状态下,盐岩主要表现出体积扩大现象。     

利用显微X光CT对围压和孔隙水压条件下岩石试样的细微成像及其分析

 为得到岩石试样在各种围压和孔隙水压条件下的成像并分析其变形,利用显微X光CT系统获得具有5 mm高分辨率的三维图像。为此,设计和制造了一个可以对岩石试样同时加围压和孔隙水压的新型压力容器。用此容器,对高20 mm、直径10 mm的Berea砂岩及Noto硅藻泥岩试样施加静水压并使之变形。在各种围压和孔隙水压条件下,每隔15° 测试其径向尺寸。试样的平均直径随着有效围压的增长而单调减小。在此,有效围压被定义为围压和孔隙水压之差。随着有效围压的增加,其直径的变化根据不同的方向而不同,即其变形的各向异性特征得到了证实。Noto硅藻泥岩试样的各向异性比最大,达8%。实验结果表明,此显微X光CT方法可用来测试在各种围压和孔隙水压条件下一般方法很难测得、小或不规整试样的变形。     

双层非均质地基中单桩受扭弹塑性分析

为探讨双层非均质地基中单桩的受扭承载特性,基于单层土体剪切模量呈幂函数分布的假定,考虑桩–土接触面上极限摩阻力随深度非线性变化,建立出桩顶扭矩作用下的桩身扭转控制方程,进而导得桩顶及桩身的扭矩(T)与扭转角(Φ)等解答,并将其退化为单层非均质及双层均质地基后与已有成果进行了对比验证。同时,桩顶T–Φ曲线参数分析结果表明:增加桩体剪切模量G_p有利于控制桩顶扭转角;桩径r0增加一倍,相同扭转角下桩顶能承受的扭矩值增大4~6倍;随地面处土体剪切模量μ_1和模量分布函数中非线性系数α_1,α_2的增加,桩身受扭性能得到显著改善。此外,桩顶扭转影响因子I_Φ的对比分析表明:桩身在ζL0.2和ζL5.0时分别表现为刚性桩和柔性桩,且后者传至桩底的扭矩极小而可忽略;当ζL5且上下土层顶部剪切模量比μ_1/μ_21时,0.2倍桩长(L)范围内的上部土层对桩身受扭性能影响较大;当ζL10且μ_1/μ_21时,桩身受扭能力主要源自0.4L的表层土。     

On the reoxygenation efficiency of diffused air aeration

One technique used to increase the dissolved oxygen concentration of polluted waters is the bubbling of air through a diffuser pipe located at depth, thereby producing a bubble curtain from which oxygen transfer to the water occurs.

The results of laboratory studies on the aeration efficiency of a diffuser placed along the entire width of a flume, perpendicular to a cross flow are presented (two dimensional aeration). Parameters investigated include (1) diffuser type-porous materials with mean pore sizes of 40, 90 and 180 μm and perforated pipes with 0.4, 0.6 and 1.0 mm diameter ports (2) air flow rate per unit width 3–53 m³ (m h)⁻¹ and (3) cross flow velocity (2.5–15 cm s⁻¹. The effect of variation from the two dimensional situation is also discussed as well as the consequence of using oxygen instead of air, and the sensitivity to discharge angle, port spacing and the free surface. The measured efficiencies are compared with theory as well as available laboratory and field data.

The major conclusions are (1) aeration efficiencies using diffused air aeration are on the order of 2–13%m⁻¹ (2) the aeration efficiency increases with increasing cross flow velocity and decreasing air flow rate per unit width (3) aeration efficiencies using porous filters, for air flow rates less than 40 m³ (m h)⁻¹, are significantly higher (a factor of 2–3) than those achieved using perforated pipes (4) changing the pore size from 40 to 180 μm, the port size from 0.4 to 1.0 mm or the port spacing does not significantly effect the aeration efficiency (5) aeration using oxygen is somewhat less efficient than that using air. However, since equivalent oxygen bubbles contain approximately five times more oxygen than air bubbles, more oxygen is transferred on an absolute basis at the same gas flow rate using compressed oxygen as opposed to air (6) aeration efficiency resulting from aeration over a portion of the entire width can be reasonably predicted using the results of the two dimensional studies and (7) the available laboratory and field data compare well with the results of these laboratory studies.     

高温影响下花岗岩孔径分布的分形结构及模型

 温度是影响岩石物理性质的重要因素,为了探究温度对岩石孔径分布的影响规律,利用压汞法测试25 ℃～1 200 ℃高温热处理后花岗岩样品的孔隙特征,并研究了不同高温影响下岩石孔隙的分形结构和孔隙率演化模型。结果表明：(1) 随着温度的升高,岩石孔隙率呈指数增加,500 ℃～800 ℃是岩石孔隙结构变化的阈值温度区间,500 ℃之前孔隙率增长较缓慢,增长幅度约50%,之后孔隙率大幅增加3～5倍;(2) 温度升高所导致的岩石新孔隙以孔径1～10 μm的中孔为主,低于500 ℃时中孔占15%左右,而后稳步上升,800 ℃时大幅增加至28.24%,1 000 ℃以后又增至40%以上,体积增长了11.8倍,这将导致岩石防渗阻渗能力大大减弱;(3) 各温度下岩石孔隙分布均具有良好的统计分形特性,孔隙分形维数在2.99～3.00范围,随温度升高,分形维数降低,且温度越高,降低幅度越大,表明孔隙均匀性增加;(4) 基于理想Menger海绵的Friesen模型预测各孔径下累计孔隙率演化误差较大,而张季如和陶高梁模型对不同高温岩石孔径分布具有良好的预测精度。研究结果将为高放核废料深层地下存储、地热开发等高温岩石工程设计及施工提供科学依据。