膨胀土细观结构变化及与声波波速的关系

采用CT技术和TH204型非金属超声波仪测试,探讨了干湿循环作用下膨胀土的细观结构及其平均纵波波速的变化规律,并运用损伤力学的研究方法定义基于CT数的损伤变量,据此建立了干湿循环作用引起的细观结构变化与平均纵波波速变化之间的关系。研究结果表明第1~4次干湿循环对膨胀土细观结构变化影响较大,内部微裂隙发育明显,第7~8次干湿循环对细观结构影响甚微;膨胀土的平均纵波波速随着循环次数的增加呈非线性衰减,并最终趋于稳定;随着干湿循环次数的增加,膨胀土损伤变量逐渐增加,其细观结构损伤演化是一种非线性累积过程;膨胀土平均纵波波速与基于CT数的损伤变量具有良好的指数衰减关系。     

随温度升高煤岩体渗透率减小或波动变化的细观机制

 采用在线加热同步观测煤岩样孔隙结构演变的实验方法,对常温～350 ℃时的贫煤和花岗岩试件进行细观结构演化研究,得出以下结论：(1) 相同条件下,兼具固体颗粒和纯孔隙的子网格受温度作用更为明显,孔隙变化更大。由于该孔隙为多孔介质的吼道孔隙,故孔隙大小的变化会对煤岩渗透率造成显著影响;(2) 温度升高时,花岗岩和大部分贫煤样品的渗透率具有先增大后减小的特性,少数贫煤样品的渗透率呈现单调下降趋势;(3) 煤岩样孔隙率越小,其孔隙率单调降低的临界温度点越低。热力耦合作用下同步分析煤岩体细观结构的演变,进而探求其宏细观对应规律,已成为岩石渗流力学研究的重要趋势。     

煤岩细观结构信息提取与三维构建

煤岩宏观断裂及破坏是由于处于细观尺度的微裂隙的成核、扩展和贯通引起的,对煤岩微裂隙进行细观尺度的深入研究是揭示煤岩裂隙宏观演化规律有效手段。基于细观损伤力学建立了一套煤岩细观结构量化描述的实验方法,利用显微镜对王坡煤矿煤岩进行细观微裂隙观测,得到了煤岩细观初始损伤特征,探讨了初始损伤对煤岩微裂隙细观演化的影响。并基于数字图像处理技术对煤岩细观结构信息进行提取,以煤岩结构信息统计特征为基础,进行煤岩细观结构的三维构建,为进一步量化研究采动煤岩裂隙演化规律奠定了坚实的基础。     

RVE孔隙模型细观结构特征分析与对比

为揭示三维层面花岗岩残积土内大孔隙分布特征,选取福州某地原状花岗岩残积土作为研究对象,采用计算机断层扫描(CT)技术得到CT扫描图像,并进行三维重构,提取了土壤内相关大孔隙参数,选取代表性体积单元(RVE)对大孔隙特征进行定量表征分析。结果表明:花岗岩残积土中不同试样的连通孔隙数量差异性较大,但由于孔隙形成原因类似,孔隙结构之间差异性较小,且孔隙半径多介于1～4 mm之间;不同位置的土壤内部孔隙拓扑空间结构差异性较大,部分孔隙的配位数可达40以上,但深度对其影响较小;对比不同处理方法可知,二维图像处理得到的孔隙平均直径最小,孔隙差异性较大,孔隙网络模型处理得到的孔隙平均直径最大,孔隙分布较为均匀;而三维重构处理和孔隙网络模型处理平均孔隙体积相差5倍以上。     

黄土剪切损伤演化及其力学特性的CT-三轴试验研究

利用应力控制式CT-三轴仪研究了非饱和Q3原状黄土与扰动黄土三轴剪切变形特性,并利用CT技术对其内部结构变化进行了无损量测,得到内部结构演化的CT图像和相应的CT数据,从细观上解释了结构性黄土三轴剪切破坏细观结构演化规律。结果表明:随围压的增大,黄土三轴剪切偏应力轴应变关系曲线由弱软化型逐渐转变为弱硬化型,原状黄土的体应变无论是剪缩还是剪胀均大于扰动黄土。剪切变形呈应变弱软化型黄土平均CT数与轴向应变关系曲线先经历一个小幅增长后逐渐减小。剪切变形呈应变弱硬化型黄土平均CT数与轴向应变关系曲线在剪切初期快速增长,随后在剪切过程中缓慢增长。扰动黄土剪切破坏过程中试样中部相比全区剪切破损较小,裂纹主要在试样外围衍生;原状黄土胶结区表现为逐渐破损,空洞区由于周围土颗粒的滑移而逐渐被压密。CT技术使土的细观结构研究达到定量阶段,为建立土的结构演化方程和结构性本构模型提供了试验基础。     

填海区水化学场变异对细粒土细观结构的影响

根据物质之间的物理化学反应和平衡的基本原理,分析了赋存环境变化下地下水溶液中的化学组分与土颗粒之间胶结物以及土颗粒中矿物成分的水土相互作用反应;以及细颗粒土的双电层理论和土颗粒之间胶结作用力学机制分析了土颗粒之间的相互作用。海相沉积的细颗粒土是一种结构性土,结构性细颗粒土的细观结构是决定土体结构强度和工程特性的主要因素之一。填海环境下海相沉积的细颗粒土的赋存环境将会发生改变,地下水化学场将发生变异,地下水的pH值和化学组分的成分和浓度将发生改变。赋存环境变化下,在水土相互作用反应形成新的平衡过程中土体的细观结构将会发生改变,进而影响土体的结构强度和工程特性。     

低水胶比偏高岭土混凝土的强度和细观结构的分形特征

为探明低水胶比偏高岭土混凝土的力学性能,以及定量表征掺入偏高岭土后混凝土内部细观结构的变化规律,测试了不同偏高岭土掺量混凝土的抗压、劈裂和弯折强度;利用扫描电镜拍摄了混凝土水化产物微结构的SEM图像;运用分形理论计算分析了SEM图像的分形维数及其变化规律;并研究探讨了分形维数和强度的关系。研究表明：偏高岭土可以有效提高和改善混凝土的力学性能和细观结构;分形方法能够定量分析偏高岭土混凝土内部细观结构的变化特征,分形维数随着偏高岭土掺量的增加呈现降低趋势;抗压强度和分形维数存在良好的指数负相关性,抗压强度随分形维数的增大而减小。     

基于LBF改进模型的煤岩细观结构研究

为了准确全面地获取灰度不均匀的煤岩图像的细观结构信息,引进了基于LBF模型的图像处理方法,并针对其处理灰度不均一图像效率低和分割结果依赖于初始轮廓位置和大小的缺点,分别引入图像增强算子和规范初始水平集函数进行改进。通过对煤岩的3种不同图像进行灰度化、图像分割、形态学处理,获得了高质量的煤岩细观结构二值图像,并分析了各细观参数的统计规律。试验结果表明,基于LBF改进模型的图像处理方法能有效处理灰度不均匀的煤岩图像,获得的细观结构信息可为数值模拟煤岩试件提供真实的几何模型,为煤岩细观损伤力学分析提供可靠的技术支持。     

原状Q2黄土CT-三轴浸水试验研究

利用后勤工程学院研制的CT-多功能土工三轴仪,研究非饱和原状Q2黄土三轴浸水变形特性,并在浸水过程中利用CT技术对内部结构的变化进行无损的量测,得到内部结构演化的CT图像和相应的CT数据,从细观上解释了三轴浸水过程。基于CT数据定义结构性参数和结构演化变量;分析浸水过程中结构演化变量与净围压、偏应力和吸力的关系,浸水前的固结净围压、偏应力和吸力越大,浸水过程中结构演化越快。建立非饱和原状Q2黄土三轴浸水过程的结构演化方程,该方程为结构演化变量与偏应变、体应变和饱和度增量的关系,能同时反映净围压、偏应力和吸力等对结构演化的影响。利用提出的结构演化方程对试验数据进行拟合,拟合结果较理想。CT技术使土的细观结构研究达到定量阶段,为建立土的结构演化方程和结构性本构模型提供了试验基础。     

基于真实块石形态的土石混合体细观力学三维数值直剪试验研究

 块石形态是影响土石混合体细观结构及宏细观力学特性的一个重要因素。提出一种基于真实块石形态的土石混合体细观力学研究方法,首先采用三维扫描技术建立块石三维形态数据库,然后根据粒度组成生成试样内部块石三维空间分布模型,从而构建土石混合体的数字模型。利用所提出的基于多球颗粒均匀接触的复杂块体表征算法,实现任意复杂形态块体的多球颗粒均匀、紧密接触填充。基于上述方法,建立土石混合体离散元数值计算分析模型,并协同现场试验结果开展三维数值直剪试验研究。根据土体的现场试验结果反演得到离散元数值试验中土颗粒的细观接触力学参数,将其应用于土石混合体数值试验得到了较好的效果。通过数值试验研究表明,土石混合体在剪切过程中的块石效应,使剪切带变得更加宽厚和曲折,在宏观上造成了试样的内摩擦角有增高趋势;而由于块石含量增加,使得其黏结作用的土体含量减小,从而在宏观上表现为试样黏聚力呈略有降低趋势。