基于CT数字体相关法测量红砂岩单轴压缩内部三维应变场

 基于X射线工业CT实时获取单轴压缩过程中红砂岩试件的三维数字体图像,采用数字体相关(digital volume correlation,DVC)法测量、分析受载过程中试件内部三维变形场及应变场。通过位移场和应变场的分析,揭示试件内部应变局部化演变及破坏过程。红砂岩内部结构可以作为散斑结构,成为变形信息的载体,DVC法的精度可达0.05体素;红砂岩变形破坏中存在明显的应变局部化特征,在峰值荷载的68.9%时试件内部出现应变局部化区域,并逐渐发展至试件破坏,局部化区域与试件最终破坏面位置相一致。研究结果表明,DVC法测量结果能够直观地反映出试件内部应变局部化特点及其演化的过程,为岩石内部变形可视化提供了方法。     

基于CT图像的环氧沥青混凝土压裂损伤的演化分析

针对如何合理的利用CT图像获取数据来评定环氧沥青混凝土压裂损伤的演化过程问题,本研究利用万能材料试验机对环氧沥青混凝土试件进行单轴压缩试验,运用CT断层扫描技术获取试件的CT图像,采用图像处理技术得到断面的以灰度值显示的二维CT图像,基于二维CT图像重构生成不同加载阶段试件的三维数值模型,并通过超声波环氧沥青混凝土损伤检测获取损伤值,得到压缩位移与损伤、裂缝体积与损伤的变化关系。研究结果表明:随着压缩位移和裂缝体积的增大,损伤逐渐增大,当损伤快速增大时,则预示着环氧沥青混凝土试件临近破坏。     

基于CT技术和灰度共生矩阵理论研究不同荷载#br# 作用下混凝土的细观损伤演化过程

混凝土CT试验可以通过CT图像记录外部荷载作用下混凝土内部细观损伤演化信息。峰值强度前不同应力阶段同一断面的CT图像所对应的原始数字矩阵中存在细微差异,而这些不能被直观观察到的细微差异正是研究混凝土损伤萌生、演化的关键。为了深度挖掘数字矩阵中的细微差异信息,文章建立了一套基于灰度共生矩阵理论的分析程序来研究混凝土细观损伤演化过程,并分别应用混凝土试件在单轴静力压缩和拉伸荷载作用下的CT试验结果来验证该方法的有效性。结果表明,该方法不仅能有效地评估混凝土试件的初始细观损伤分布及其在荷载作用下的演化过程,预测试件的断裂位置,确定最大损伤断面,而且能通过统计特征值建立细观损伤变量表达式来定量表征细观损伤。不同应力阶段的4个统计特征值(对比度、能量、相关性、同质性)的变化显示静压试件在应力达到峰值强度的96.2%时,试件内部第42-235幅混凝土横断面位置处损伤有明显发育,且这与试件破坏后的裂缝位置一致,静拉试件在峰值强度前其内部细观损伤未见发育,试件破坏后裂缝出现在89-116幅混凝土横断面CT图像之间。另外,混凝土试件破坏前后的CT图像的灰度共生矩阵对应的彩色热图的对角线分布、峰值个数及带宽与细观损伤发育程度相关。     

基于CT技术和灰度共生矩阵理论研究不同荷载作用下混凝土的细观损伤演化过程

混凝土CT试验可以通过CT图像记录外部荷载作用下混凝土内部细观损伤演化信息。峰值强度前不同应力阶段同一断面的CT图像所对应的原始数字矩阵中存在细微差异,而这些不能被直观观察到的细微差异正是研究混凝土损伤萌生、演化的关键。为了深度挖掘数字矩阵中的细微差异信息,文章建立了一套基于灰度共生矩阵理论的分析程序来研究混凝土细观损伤演化过程,并分别应用混凝土试件在单轴静力压缩和拉伸荷载作用下的CT试验结果来验证该方法的有效性。结果表明,该方法不仅能有效地评估混凝土试件的初始细观损伤分布及其在荷载作用下的演化过程,预测试件的断裂位置,确定最大损伤断面,而且能通过统计特征值建立细观损伤变量表达式来定量表征细观损伤。不同应力阶段的4个统计特征值(对比度、能量、相关性、同质性)的变化显示静压试件在应力达到峰值强度的96.2%时,试件内部第42-235幅混凝土横断面位置处损伤有明显发育,且这与试件破坏后的裂缝位置一致,静拉试件在峰值强度前其内部细观损伤未见发育,试件破坏后裂缝出现在89-116幅混凝土横断面CT图像之间。另外,混凝土试件破坏前后的CT图像的灰度共生矩阵对应的彩色热图的对角线分布、峰值个数及带宽与细观损伤发育程度相关。     

生态多孔混凝土孔隙结构特征计算方法

制备生态多孔混凝土试件,切片后,采用数字图像处理技术,通过对切片处理方案的选择对比,选取合理的切片图像处理方案;应用PS、MATLAB、IMAGE PRO PLUS、IMAGE J等软件对多孔混凝土试件切片切面进行处理分析,计算试件的图像分析孔隙率,与实测孔隙率比较分析;用数盒子数法计算生态多孔混凝土试件孔隙结构分形维数并建立其孔隙结构特征与分形维数的关系。试验结果表明:各生态多孔混凝土试件的实测孔隙率都不相同,但都在20%～30%的目标孔隙率之间;各生态多孔混凝土试件的分形维数都不相同,说明了生态多孔混凝土孔隙结构的复杂性、不规则性和多样性;分形维数与实测孔隙率密切相关。     

冲击荷载下废玻璃粉混凝土力学特性研究及分形评价

为了研究冲击荷载下废玻璃粉混凝土力学性能,采用落锤试验机装置,测定废玻璃粉掺量分别为0、5%、10%、30%的混凝土梁在冲击荷载中的力学强度和变形性能。根据盒维数算法思想及数字图像存储原理,设计了基于Matlab计算功能的冲击荷载下混凝土试件损伤裂缝分形维数的简易算法。结果表明:相同废玻璃粉掺量下,随落锤下落高度增加,加载时间均在0.40 ms左右,加载速率、荷载峰值、混凝土梁竖向位移、对混凝土梁所做的功及裂缝分形维数值均逐渐增加,具有显著的应变率相关性;相同高度随着废玻璃粉掺量增加,荷载峰值略有增加,而加载时长略有减少。     

非贯通裂隙介质裂隙扩展规律的CT试验研究

利用非贯通裂隙试件在加载过程中的实时CT扫描以及CT图像的三维重建技术,对非贯通裂隙介质在单轴压缩过程中的裂隙扩展规律进行了试验研究。通过对破坏后试件进行高密度CT扫描,重建了破坏后试件的三维CT图像;利用三维CT图像,对试件内部任意方向上裂隙扩展情况进行观察分析,得到了不同成因裂纹的扩展规律;在二维CT图像的基础上,绘制出不同应力水平扫描断面上损伤演化等值线图,根据试件内部损伤演化过程,对裂隙扩展机理进行了分析。     

基于图像分析的透水混凝土孔隙研究

通过对透水混凝土试块打磨并拍摄图像,利用MATLAB、IMAGE PROPLUS与IMAGE J对透水混凝土截面孔隙进行二值化处理与分析,获得孔隙面积、分形维数等参数,分析骨料粒径、水灰比对等效孔径大小及分形维数的影响,并研究了孔隙分形维数与实测孔隙率的关系.结果表明,粗骨料最大粒径和透水混凝土的目标孔隙率是影响透水混凝土内部孔径及分形维数的主要因素,而水灰比对其影响很小.实测孔隙率能达到目标孔隙率的85％以上,与孔隙分形维数呈现良好的线性关系.     

混凝土拉伸荷载条件下细观破损过程的CT试验研究

对静力、动力拉伸荷载条件下混凝土的细观破损过程进行了CT试验研究,获得了试样内部裂纹萌生、扩展、贯通的全过程CT图像。通过对CT图像及图像兴趣区中整体统计区域、局部统计区域CT数均值的分析,研究了混凝土拉伸荷载条件下细观破损过程。结果表明:静力拉伸荷载条件下,裂纹在界面的薄弱区域形成后逐渐往相邻的薄弱部位扩展,两个统计区域CT数均值呈降低趋势,试样破坏时伴有少量骨料被拉断的现象;动力拉伸荷载条件下,裂纹从界面薄弱区域形成后追随最快的路径扩展,局部统计区域CT数均值呈下降趋势,而整体统计区域CT数均值变化幅度较小,破坏后骨料沿界面脱离砂浆粘结,且试样破裂面更为平整;由于加载速率的提高,骨料被拉断的现象非常显著。     

骨料级配对橡胶混凝土梁损伤分形分析的MATLAB实现

分形维数能够表征自然形态的某些特征,利用MATLAB的简单操作可以快速计算出原图形的盒维数;利用MATLAB计算三种不同级配粗骨料橡胶混凝土梁破坏状态的盒维数得知,CRC小为最优级配;分析试验梁各级荷载下的盒维数发现构件损伤演化过程是一个增维的过程,从某种意义上揭示了橡胶混凝土构件损伤及其演化发展的特性,推动了橡胶混凝土结构的损伤研究。     

钢筋无机聚合物混凝土梁裂缝分形特征试验研究

在钢筋无机聚合物混凝土梁正截面抗弯试验过程中,取得各级荷载作用下梁侧面的裂缝图片;通过数字图像的盒计数法验证了钢筋无机聚合物混凝土梁侧表面裂缝的发展和分布具有分形特征,并确定了表征裂缝不规则发展的分形维数;证明了钢筋无机聚合物混凝土梁侧表面裂缝的盒维数与荷载、跨中挠度、混凝土应变、钢筋应变之间存在定量关系。试验结果表明:分形理论可以用来描述钢筋无机聚合物混凝土梁侧表面裂缝的发展过程,分形维数与梁的力学性能之间存在定量关系。     

CT实验条件下砂岩破裂分形特性研究

 利用单轴压缩条件下砂岩CT资料,对有裂纹出现的s = 20.59～31.03 MPa阶段的CT图像利用所设计的裂纹提取滤波器进行裂纹提取操作,其中提取阈值,是在进行敏感性分析后选定的。在所取得的裂纹二值化图像的基础上,利用码尺法、盒计数法、小岛法和Sandbox法对各载荷步下裂纹面积和长度的分维数进行了计算。最后,对裂纹分维数随加载过程的变化进行分析,利用分维数的演化信息讨论砂岩破裂的分形特性。     

基于SEM图像分维估算的脆性材料细观结构演化方法研究

借助细观力学试验系统，运用扫描电镜拍摄了不同应力条件下水泥砂浆的实时细观结构图像，综合应用图像分析技术和分形理论，估算了细观结构图像的分形维数，并简要分析了脆性材料的细观结构演化特征。     

千枚岩碎屑土三轴试验剪切带扩展性状的CT研究

土体剪切带的产生和发展是岩土工程界一直关注的问题。对千枚岩碎屑土进行了固结排水剪切试验,并在试验过程中采用CT可视化技术进行了实时监测扫描,得到同一断面位置不同应变条件下的系列CT切片,从CT切片中可观测到试样随应变的增加而出现的明显的剪切带。采用CT技术真实再现了三轴试样在轴向力作用下,局部裂纹扩展逐渐贯穿形成完整剪切带的过程。对CT切片进行了7个区域的CT数平均值和CT数标准差统计,分析认为,轴向应变在3%~10%范围内是剪切带形成和发展的主要阶段,在应变3%前试样主要被压缩,在应变3%后试样在偏应力的作用下逐渐出现微裂隙,并随应变的增加,微裂隙越来越明显。CT数统计值出现微裂隙的应变和宏观观测到微裂隙的应变不对等,在判断剪切带微裂隙出现应变上建议以CT数统计值为准值。     

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。     

三轴应力下致密砂岩裂纹展布规律及表征方法

利用三轴试验机和CT扫描设备,开展了多组不同围压作用下的致密砂岩三轴压缩试验及CT扫描试验,得到了不同三轴应力条件下砂岩破坏裂纹的CT图像;利用图像处理技术和统计学原理提取了裂纹展布的几何形态。引入裂纹的宽度、长度、面积和分形维数等几何参数描述了破坏裂纹的空间形貌,分析了不同围压条件下岩石破坏裂纹面积、长度、宽度和分形维数的分布特征,揭示了围压应力对上述裂纹几何特征的影响规律。研究表明：围压应力对破坏裂纹的面积、长度、宽度和分形等几何特征有显著的影响,低围压条件下,裂纹的面积、长度和宽度都较小,随着围压的增加裂纹的面积、长度和宽度也增大,且概率密度分布函数有了明显的差异;破坏裂纹的分形维数随着围压的增大呈指数递减趋势,低围压条件下裂纹的分形维数大,说明裂纹形态复杂,曲线边界粗糙,产生的小裂纹较多,且相互交错分布,形成的裂纹网络结构占据了整个试件二维横截面图。随着围压的增大,破坏裂纹的分形维数减小,说明裂纹形态趋于规则,小裂纹减少,形成了近似直线的光滑主裂纹。     

高温后超高韧性水泥基复合材料冲击破碎#br# 分形特征分析

采用了Ф80mm的分离式Hopkinson压杆对经历不同温度（常温、200℃、400℃、500℃、600℃、800℃）后的混杂纤维UHTCC材料进行了三组冲击气压下(0.35MPa、0.45MPa、0.55MPa)的动态压缩试验，收集冲击破碎后的试块进行分形特征分析。利用X-CT和SEM扫描电子显微镜对高温后试样的内部结构进行观测，从微观上解释了碎片分形特征随温度变化的原因。结果表明：UHTCC的分形维数随着冲击气压的增大而增大，耗能能力随着分形维数的增加呈指数式上升。与传统混凝土材料不同，UHTCC的分形维数随着温度的升高而降低，800℃时其分形维数接近于混凝土。UHTCC中PVA和钢纤维的协同阻裂作用改变了裂纹的发展路径，造成断裂面粗糙度增加，这可能是分形维数高于混凝土的原因；随着温度的增大，纤维桥联作用的弱化、温度裂纹的出现以及水化产物的分解导致材料断裂面粗糙度降低，分形维数逐渐接近于混凝土。     

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。     

EXPERIMENTAL STUDY OF STRAIN RATES EFFECTS ON STRAIN LOCALIZATION CHARACTERISTICS OF SOFT ROCKS

The effects of strain rates on the strain localization characteristics of soft rocks in plane strain compression tests were studied. Using digital image correlation method based on image analysis technique, digital photographs of the specimen taken by CCD camera mounted in a microscope at different stages of loading were analyzed and displacement and strain fields were obtained. The accuracy of displacement and strain measurements are found to be 2.625 μm and 0.0525% (for 5 mm × 5 mm grid), respectively. By analyzing the strain fields, important information regarding strain localization characteristics at three different strain rates were obtained. The results of the study indicate that strain rate has significant influence on the localization modes. Strain localization was observed before the peak stress. The switching of localization mode from highly concentrated strain accumulation mode for higher strain rate to diffuse and complex strain accumulation mode for lower strain rate were observed. The evolutions of strain fields during creep tests at different loads were also studied.     

地下开挖影响下岩体分形性质演化问题探讨

提出了天然岩体的分形性质;研究并总结了地下开挖影响下岩体初始裂隙分布分维、裂纹扩展或断裂表面生成分维、采动岩体再生裂隙分维等一系列能用分形几何来描述的现象随时间的动态演化规律;揭示了岩体受力变形过程中的应力状态、力学性能、物理和化学性质的演化与其相关分维值的关系;展望了岩体分形性质及其受力演化规律的研究意义,为从更深层次认识岩体变形破坏的非线性、复杂性架起了桥梁,包括岩体动力学演化过程的混沌特征、岩体分形演化力学行为中的突变现象和岩体裂纹演化的协同效应;最后展望了岩体分形性质及其受力演化规律的应用领域及其发展前景。