固结条件下软黏土微观孔隙结构的演化及其分形描述

利用扫描电镜(SEM)研究软黏土固结前后的微观结构,采用数字图像技术研究软黏土固结过程中微孔隙的大小、数量及其分布的演化规律.基于Sierpinski地毯的分形概念,结合量测数据给出了描述孔隙结构的Sierpinski分维数并研究其差异性.图像分析表明,随着固结压力的增大,软黏土的孔隙度和孔径趋于减小,孔径范围变窄,土体固结过程对孔隙级配具有一定的调节作用.分形研究表明,分维数的数值大小反映了软黏土固结过程中的孔隙度变化,固结压力愈大,孔隙度愈小,分维数愈大.分维数与孔隙度、固结压力、压缩量之间存在较为显著的线性回归关系,并能反映软黏土的结构性特点.研究结果揭示了土体宏观变形与微孔隙结构分形特性之间存在的相关关系,分维数可为软黏土固结变形预测提供依据.     

水位下降条件下西安D7裂缝土体孔隙变化特征试验

为研究压缩性土体在孔隙水压力下降下所引起的孔隙变化特征,选取孔隙度及分形维数作为评判指标,以西安D7地裂缝两侧可压缩性土层为研究对象,借助三维CT扫描成像技术,依托Matlab计算平台及VG Studio Max图像处理软件,对在水位下降过程中可压缩性土体压缩变形引起的孔隙度和分形维数孔隙变化进行定量评价,并探讨了固结压缩过程中土体孔隙分形维数的变化规律及其影响因素。研究表明:孔隙度随压缩进行大幅降低,由压缩前4.36%降至0.61%;土体分形维数与孔隙度、上覆压力均呈线性相关性,相关系数分别为0.947 2和0.966 0;而且分形维数可以很好的表征孔隙分布特点,是孔隙度的有效补充;通过分析土样孔隙度与分形维数关系,为后期建立区域上地裂缝—地下水开采耦合模型提供参数赋值基础。     

基于分形理论的堤防软基固结SEM分析——以长江江西济益公堤为例

研究软基堤防固结沉降特性对于增强沿江沿湖安全保障,具有十分重要的意义。而软基堤防加固的关键是从软土的结构特征揭示影响软土变形和强度的成因。以长江江西九江济益公堤软土地基为研究对象,结合河湖相沉积软土的物理力学性质和微观结构特征,利用PCAS软件分析了不同固结压力下软土SEM图像的定量参数。通过室内试验和理论分析,对河湖相沉积软土的微观结构与宏观力学性能进行了系统的分析。并对河湖相沉积软土的结构强度和工程效果进行了分析论证。提出了孔隙结构因子作为综合参数,利用分形评价理论对孔隙结构强度和破坏趋势进行综合参数测量。同时求解预固结压力,可以定量确定土体的结构强度,该方法对湖相软土的固结变形计算具有参考意义。     

济南浅层地基微观结构及分形特征研究

天然沉积土的宏观力学特性与微观结构紧密相关,研究土体微观结构对深入揭示土的宏观力学特性具有重要意义。首先研究济南地区深度在50 m以内黄河冲积地层天然沉积土的物理力学参数分布特征,再采用场发射扫描电镜试验,分析各土层不同方向土样的微观结构特征,最后应用分形理论,研究各层土分形维数的演化规律及其与物理特性参数间的相关性。结果表明:第(7)层黄土是以粗粉粒为主体骨架的蜂窝状大孔隙结构,第(8)层粉质黏土是碎屑粉粒为骨架的蜂窝结构,第(9)、(10)和(11)层粉质黏土是以黏粒集合体为基本单元的薄层状絮凝结构。不同土层土体土粒和孔隙的分形行为明显,随着地基深度增大,土粒和孔隙的分布分维数均逐渐加大,形态分维数均逐渐减小,土粒的粒径变化比孔隙的孔径变化明显,而孔隙的形态变化比土粒复杂。土体的分维数与含水率、孔隙比、液塑限、黏聚力和内摩擦角之间存在较强的相关性。     

透水模板布的分形特征

采用像素点覆盖法在MATLAB环境下实现对透水模板布(CPFL)淤堵前后2种状态下SEM图像分形计盒维数的计算,分析透水模板布淤堵前后的分形特征。研究发现,淤堵后过滤层表面分形计盒维数明显增高;淤堵前后过滤层断面的计盒维数都小于相应的排水层断面;过滤层和排水层断面淤堵后分形计盒维数降低,过滤层降低幅度更大。从分形的角度阐述了CPFL过滤层和排水层纤维组织结构的不同,以及CPFL淤堵前后组织结构的明显变化,提出了判断CPFL重复使用的量化评价方法。     

岩溶洼地建库背景下水-气耦合试验相似材料研制

在岩溶洼地建库研究中,为研制出满足水-气耦合模拟试验所需的相似材料,以砂子、普通水泥、石膏为原料,设计了4组不同粒径级配的试验组。通过岩石低渗测试技术和核磁共振分析技术,分析了4组不同颗粒级配相似材料的渗透率、孔隙分布及逾渗特征。研究结果表明：在分形维数D_f=1.68～2.31范围内,相似材料的渗透率随颗粒级配分形维数增加而线性增大。4组试样中,分形维数越大,则材料内孔隙总量越多,孔径分布越集中,对应的主控孔隙尺寸降低。随着分形维数的增大,灰度阈值升高,逾渗阈值降低,材料越容易发生逾渗。基于实测渗透率,建立了相似材料的渗透率计算模型,计算值与实测值吻合度较高。研究成果成功运用于岩溶洼地模型试验并取得显著效果,为进一步研究水-气作用提供了合适的试验材料。     

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。     

黏-砂混合土压缩特性与微观结构特征关系研究

黏-砂混合土在吹填土地基中广泛应用,混合土地基变形与微观结构息息相关。为探讨黏-砂混合土压缩变形的微观机制,以黏土与砂不同配比的混合土为研究对象,利用压缩、扫描电镜(SEM)试验和图像处理技术(IPP)对固结前后试样的颗粒排列、孔隙分布进行定性和定量分析,从微观层面探讨了混合土微观结构随固结压力变化的演变机制。结果表明:随着含砂量的增大,混合土孔隙比呈先减小后增大的趋势,压缩系数不断减小;大、中孔隙随着含砂量增大明显增多,颗粒间接触方式从以边-面、面-面接触为主向点-点、点-面接触过渡;固结作用提高了颗粒排列的密实性和有序性,孔径分布向小孔径范围移动,大孔隙面积占比最大降幅达31.39%,中孔隙面积显著增加,对微、小孔隙影响不明显;土体颗粒的定向概率熵与和含砂量呈正线性相关,与压缩系数a_1-2呈负线性相关,含砂量越大,混合土颗粒排列越混乱,定向概率熵越大,其压缩性越低。由此可见,固结压力和配比不同引起的颗粒、孔隙微观结构参数变化是导致混合土压缩特性差异的内在原因。     

人工冻融海相黏土微观孔隙特征试验研究

针对海相黏土的强结构性,结合微观孔隙特点,定量分析了压汞试验海相黏土冻融及压缩前后进汞压力与进汞增量的变化关系,获得了4种工况下的土体孔径、孔表面积的定量变化规律。结果表明,原状软黏土经冻融、压缩作用后孔隙分布发生改变,各类孔隙在数量分布上也发生改变,部分较大的孔隙破裂分解成中小孔隙,或部分小孔隙连通成狭长的中大孔隙,孔隙变化情况复杂;同冷端温度条件下冻融及压缩后,孔径-对数进汞增量曲线对应峰值处,最大进汞增量及对应孔径差异较大;对于冻融后的压缩土,在外荷载作用下,峰值处对应的最大进汞增量均降低约50%,孔径与进汞压力为负对应关系。     

网纹红土孔隙特性研究

土内孔隙形状、大小及分布是土的结构组成的重要因素,对与土体体积相关的总体工程行为起着重要的作用。利用基于气体吸附的全自动比表面积分析仪,研究了网纹红土的孔隙形态、比表面积、孔容、孔径分布与孔隙的分形特性。研究表明:网纹红土由片状矿物构成,孔隙形态以窄缝状为主;比表面积为20.9 m2/g;网纹红土所含黏土矿物主要为高岭石;孔径小于3 150的总孔容主要由27~1 958的中、大孔构成;孔径分布以41,130,180,350孔分布最优,平均孔径为1 415;孔隙分布具有分形特征,分形维数为2.7与2.8。研究该土体孔隙特征对于土的工程性质有着重要的指导意义。     

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的干湿循环蚀变花岗岩分形特征与力学特性演化规律

分形维数是对岩石裂隙、破碎程度和损伤等细观特征的定量描述,岩石的细观结构往往会对宏观强度特征产生较大的影响。为了研究干湿循环侵水对蚀变花岗岩细观特征的影响,基于电镜扫描(SEM)试验,得到了经历不同干湿循环次数的蚀变花岗岩的细观图像,并通过盒维数法计算得到各岩样的分形维数,建立基于分形维数的细观损伤演化方程;其次,通过室内单轴抗压强度和抗拉强度试验,获得不同干湿循环次数下蚀变花岗岩的力学特性。通过试验数据,得到了干湿循环次数及分形维数分别与岩石强度特性和弹性参数的关系。研究表明:岩石干湿循环次数的增加在宏观上表现为抗拉强度、单轴抗压强度以及弹性模量的减小;在细观上表现为分形维数的增大;泊松比不受此影响。分形维数将岩石细观特征量化、建立了细观和宏观的联系。研究结果可为衡量蚀变花岗岩强度特性的指标提供依据。     

非饱和土的渗透系数

非饱和土的渗透系数是分析水分和物质迁移的重要参数,直接测量非饱和土渗透系数的代价较高,且直接测量的精度较差,因此间接估算非饱和土渗透系数成为很好的选择。分形理论适合用来描述多孔介质的结构和透水性。本文建立了土体孔隙分布的分形模型,导出用分维和进气值表示的水分特征曲线和渗透系数的理论表达式。与实验结果的比较表明,用分形模型计算得到的水分特征曲线和渗透系数与试验结果一致。     

基于AutoCAD日径流过程的分维计算和分析

 依据分形盒维数测定的原理和方法,提出了应用AutoCAD软件实现分形盒维数的简便计算方法,测定马莲河流域不同水文站的日径流过程盒维数,并对其变化特征进行了比较和综合分析,以揭示不同水文站之间分形特征的差异。结果表明：应用AutoCAD方法做日径流过程的分维计算的方法快速、准确,值得推广;马莲河流域的4个水文站的日径流过程都具有明显的分形特征,分形维数介于1～1.39之间,总体变化不大;对同一个水文站来说,不同年份的日径流过程分维值年际变化不大,存在显著的自相似性;对于同一个流域不同的水文站来说,干流的日径流过程分维值要明显大于支流的分维值,下游要大于上游,4个水文站分维值年际变化趋势基本保持一致。     

分形理论在水文过程形态特征分析中的应用

介绍了逐步引起许多学科关注的分形理论，并运用此理论研究了长江汉口站4个大洪水年份的逐日平均水位、流量过程线形态特征。 运用分形理论中的分维数D和引入的形状因子a来描述水文过程线形态特征，并分析了各大洪水年份上述特征的差异，相信对水文过程线形态特征的认识提供了更多有意义的信息。     

水轮机尾水管压力脉动分析方法研究

为掌握石家庄混合蓄能水电厂某水轮机尾水管的压力脉动特性.对水轮机尾水管压力脉动进行了现场测试.获得了多个工况下的测试数据.在测试数据的基础上,通过相空间重构理论,对尾水管压力脉动信号序列进行相空间重构,根据确定嵌入空间维数大小的嵌入定理.保证相空间容纳原状态空间吸引子的特征,选择恰当的嵌入维数m,计算其分形关联维数.再现动力学特性.研究结果表明,基于分形关联维的水轮机尾水管压力脉动状态分析方法是可行的.     

聚合物改性水泥混凝土集料分形特征研究

利用分形几何学原理对集料分形特征进行分析,研究了分数维与聚合物改性水泥混凝土(PMCC)集料级配、振实空隙率、强度及刚度性能的相关联系。研究结果表明,分数维与集料级配、空隙率具有较好的线性关系;分数维与PMCC强度、刚度性能的内在联系并不明显,但当分数维D为2.394时,PMCC的抗折强度与折压比均出现最大值,D≥2.394时,其弹性模量减小幅度显著增加。利用集料分数维实现对集料级配及PMCC性能的定量描述,可为PMCC的组成设计与性能研究提供一种新方法。     

软土微结构特征的试验研究

土的结构性对土的力学性质具有较大影响，所以近年来，土的结构性研究已引起广泛的重视。其中微结构研究能有效地揭露土的受力变形本质，对研究土的力学行为机制起着至关重要的作用。本文在对杭州海积软土进行的单向压缩试验、直剪试验及三轴固结不排水剪切试验的基础上，测得软土在不同压力或变形条件下的微结构参数，分析了其变化规律。研究表明，在这3种不同试验方法下，软土中结构单元体和孔隙的微结构参数对压力或变形的敏感度是不一样的。因此建议针对不同的试验方法，采用不同的研究对象(结构单元体或孔隙)来进行软土微结构特征的描述，这样能更好的从微结构角度反映土的宏观力学特性，建立微结构参数与宏观力学参数间的关系。