基于图像处理技术的聚合物水基钻井液微观结构分形研究

为了探索聚合物水基钻井液微观结构中的传质传热机理,需要对聚合物水基钻井液的微观结构进行研究。通过液氮快速冷冻干燥技术和扫描电镜技术获得了聚合物水基钻井液微观结构的SEM图像,发现钻井液微观孔隙结构具有一定的分形特征,利用Image-Pro Plus(IPP)图像处理软件对SEM图像进行了二值化处理,提取了钻井液微观结构孔隙参数信息,探讨了阈值选择方法。基于多孔介质分形理论,分析了聚合物水基钻井液微观孔隙结构的分形特征。结果表明:IPP软件可作为处理聚合物钻井液微观结构图像定量分析的手段,在保证完整反映微观结构的前提下,尽可能选择合适的阈值,一般在50~120之间;聚合物水基钻井液微观结构孔隙形态分布具有分形特征,可利用等效周长与等效面积的双对数关系确定钻井液微观结构的分形维数,分维数在1~2之间;钻井液微观结构孔隙形态分布分形维数与孔隙发育复杂程度有关,孔隙发育越复杂,孔隙轮廓越不规则,分形维数越大,反之越小。这为钻井液中传质传热的分形研究奠定了理论与试验基础。     

基于IPP图像处理的膨胀土微观结构定量研究

利用环境扫描电镜（ESEM）获取不同浸水时间下合肥膨胀土的微观结构扫描图像,基于专业图像处理软件Image-Pro Plus（IPP）对膨胀土的ESEM图像进行处理和分析,研究了不同浸水时间下合肥膨胀土的表观孔隙比、分形维数和大小组成情况。研究表明,膨胀土的表观孔隙比随着浸水时间的增大逐渐增大,其增长速率逐渐减小。运用小岛法对土样的颗粒和孔隙的分形维数进行研究,结果表明,膨胀土的颗粒和孔隙均具有明显的分形特征,分形维数在1.1～1.3之间。随着浸水时间的逐渐增大,颗粒的分形维数在减小,孔隙的分形维数在增大,二者呈现相反的变化趋势。对土样的颗粒和孔隙按照大（>5 μm）、中（2～5 μm）、小（1～2 μm）、微（<1 μm）4组进行分类,分析了不同浸水时间下各类颗粒和孔隙占比的演变趋势。     

基于数字图像测量技术的粉状煤系土微观结构分形特性分析

以武深高速广东段沿线的粉状煤系土为研究对象,利用环境扫描电镜技术(ESEM)获得了不同含水率直剪试验后粉状煤系土剪切面的微观结构SEM图像;结合MATLAB及Image Pro Plus(IPP)软件,对剪切面微观结构特征进行了分析;基于分形理论,建立了煤系土的分形模型,求出了二维空间内煤系土孔隙轮廓分维数、孔隙数量～孔径分布分维数。结果表明:煤系土微观结构多为片状颗粒集合体,接触关系主要为面-面接触和面-边接触;随着含水率的增加,剪切面粗糙度先增加后减小,力学强度参数先增大后减小,转折点在最优含水率附近(10%～15%之间);煤系土微观结构具有明显的分形特征,可用孔隙等效面积-等效周长分形模型、孔隙数量～孔径分布分形模型描述,其分维数介于1～2。     

硫酸钠对水泥土的强度及微观孔隙影响研究

通过不同含量的硫酸钠水泥土抗压强度测试,分析硫酸钠对水泥土X射线衍射（XRD）物相成分改变的化学反应过程,对比分析经Image-ProPlus6.0（IPP）软件处理前、后的微观扫描电镜试验（SEM）图像,计算放大200倍下SEM图像的孔隙平均直径分布规律,探讨硫酸钠对水泥土宏观强度与微观孔隙的影响规律。结果表明,硫酸钠充分参与了水泥土的固化过程,促进了Ca(OH)2、CaSO4、CaCO3与C-A-S-H等水化产物的生成;水泥土强度随硫酸钠含量增加而增大,在含量等于9g/kg时达到最大值;硫酸钠使水泥土的孔径分布发生改变,放大200倍下水泥土微观图像孔隙率随着硫酸钠含量的增大呈减小趋势;当硫酸钠含量小于9g/kg时,生成的水化产物使水泥土的结构呈现较强的粒状-镶嵌-胶结结构,对强度有利,当硫酸钠含量较大时,水化产物产生的膨胀力大于胶结力,使其强度下降。     

浸水作用下湿陷性黄土微观结构及分形特征研究

针对延安新区湿陷性黄土，开展浸水试验，利用扫描电子显微镜获得不同浸水时长的黄土微观结构图像。运用Image Pro Plus（IPP）图像处理软件提取黄土的微观结构参数，结合分形理论对黄土的微观结构进行定量分析。结果表明：在浸水过程中，土体宏观表现为湿陷性减弱。土体颗粒排列、形态分布呈规律性变化；孔隙面积概率分布指数和颗粒分形维数均出现减小趋势，颗粒圆形度先减小后增大，排列发生定向改变；浸水作用对黄土微观结构的影响具有时效性，初始阶段土体受黏土矿物软化、可溶盐流失的影响，天然结构在水体扰动下逐渐失稳；随浸水时间的增加，骨架结构产生破坏，颗粒发生偏转、滑移、重组；平衡阶段颗粒形成新的结构，排列密集化，大、中孔隙减少，土体结构逐渐稳定。研究从宏观、微观两个角度研究了浸水作用下的黄土结构特征，为湿陷性黄土地区的工程问题提供了试验基础和科学依据。     

冻融作用下土石混合体-混凝土界面强度劣化、孔隙结构演化及颗粒运移研究北大核心CSCD

土石混合体-混凝土界面在寒区工程广泛分布,其界面处颗粒骨架受冻融影响塌陷、重组,极易诱发界面强度劣化,是影响寒区工程安全运营的难题。解析冻融影响下界面的强度行为,揭示界面强度与孔隙结构和颗粒骨架的互馈效应,是解决此难题的关键。开展土石混合体-混凝土界面室内直剪试验,借助NMR分层测试及PFC数值模拟,获取界面区抗剪强度参数及孔隙结构演化特性,明晰界面颗粒旋转运移特征;基于分形维数理论,定量评价界面孔隙结构变化,阐释冻融下界面强度劣化机理。即强度骤降阶段界面处土石颗粒受冻胀挤压,其有序排列被打乱,联结、互锁作用弱化,此时孔隙体积、分形维数均增大,界面整体性下降;反翘阶段界面处大块土颗粒分裂重组、骨架塌落,形成块石为核、黏土在外覆盖的包裹体结构,孔隙内部复杂程度降低导致抗剪强度小幅提升;随冻融次数增加,碎石外土颗粒剥落,界面区孔隙体积及颗粒旋转量缓慢增大,界面逐渐脱黏劣化。研究成果对工程构筑物孕灾机制具有指导价值。     

大理岩断裂能与细观结构几何特征相关性

岩石在细观尺度上是由矿物颗粒胶结而成,除细观结构的力学特性外,其几何特征（颗粒界面网络结构和颗粒粒度分布）也对宏观断裂能具有一定的影响。为了探索这种几何特征与大理岩断裂能之间的相关性,从而进一步揭示岩石细观断裂机制,首先通过三点弯曲试验测定大理岩的断裂能,然后在试验后的三点弯试件断口处取岩石切片,进行电镜（SEM）扫描以获取岩石细观结构图像。利用图像处理技术获取岩石细观颗粒的界面网络图。通过对颗粒界面网络图分析,发现颗粒界面网络拓扑结构与颗粒粒度分布具有较强的分形特征。将二者分形维数与试件宏观断裂能相对比,发现它们之间具有很强的相关性。界面网络分形维数与宏观断裂能具有很强的二次相关性,而粒度分布维数与宏观断裂能之间具有较强的线性相关性。宏观断裂能随着两种分形维数的增大而增大。该研究结果揭示了宏观断裂能与岩石细观结构几何特征的相关性,加深了对宏观断裂能细观机制的理解。     

低围压下颗粒形态对软黏土抗剪强度影响的离散元分析

黏土颗粒形态不仅反映黏土的矿物组分,更是影响其物理力学性质的重要因素之一。为了研究物质组成对软黏土微宏观性质的影响,采用离散元方法对不同颗粒形态的软黏土试样进行三轴压缩模拟试验。首先,基于扫描电镜图像量化颗粒形态,对天然状态下黏土颗粒的方向角和凹凸度进行统计,引入球度和凹凸度作为颗粒形态的特征参数;然后,基于原生矿物的单粒结构和黏土矿物的片状结构特征,构造球体单粒及圆柱体、正方体、长方体的片状簇体;最后,基于三轴试验离散元模拟方法,分析软黏土颗粒形态对其宏观力学及微观特性的影响。结果表明:片状颗粒试样比球体颗粒试样的初始模量高,抗剪强度大,随加载其排列趋于水平向分布;加载初期,颗粒球度对初始弹性模量影响较明显,初始弹性模量随着球度增大而逐渐减小;加载后期,颗粒凹凸度对抗剪强度指标影响作用逐渐凸显,试样内摩擦角和黏聚力随着凹凸度增大而逐渐减小;微观结构上,颗粒形状对颗粒位移和旋转也有较大影响。     

排土场土石混合体分形特征与抗剪强度特性研究

露天矿山剥离堆积的土石混合体颗粒尺度不一,且力学性质异常复杂。以西藏甲玛铜矿南坑排土场为研究对象,采用现场勘测的方法测定堆积体的粒度组成及其分布特征,开展室内重塑土样的固结排水三轴压缩试验,以分析土体屈服强度特性与剪胀性,以及抗剪强度参数的取值。研究结果表明,自排土台阶坡顶至坡底,土石混合体的土粒减少且块石增多,颗粒的平均粒径呈指数关系增大;土体的粒度分布具有显著的分形结构特征,随块石含量的增大,其粒度分形维数减小。块石含量不同的土样在偏差应力作用下均表征出压密、屈服、塑性流动破坏的剪切特性,且围压条件与块石含量是影响土体剪切变形的两个关键因素,低围压时增加块石含量,土体更易产生剪胀。摩尔库伦强度准则能客观反映土体屈服的现象及过程,随块石含量的增加,土体的黏聚力呈线性减小且内摩擦角呈指数增大。     

含水率对分散性土抗剪强度特性影响的微观解释

分散性土作为一种水敏性特殊土,具有遇水失稳解体的特性,该特性对水利和岩土工程极为不利。为了加强分散性土力学强度及力学强度影响机理方面的研究,以吉林西部乾安地区分散性土为研究对象,通过直接剪切试验和扫描电子显微镜（SEM）分别对不同含水率（5.0%~24.0%）的重塑试样的抗剪强度（垂直压力50、100、200和300 kPa）和微观结构进行测试与观察。结果表明：1）含水率的增加会导致剪应力-剪切位移曲线从应变软化向应变硬化转变,过渡区间为8.0%~11.0%,转变优先出现在高垂直压力下。2）随含水率的增加,内聚力总体呈下降趋势,拐点含水率分别为17.0%和23.0%,内摩擦角则表现出减小—增大—减小的规律,拐点含水率分别为11.0%和17.0%;内聚力的变化受盐分赋存状态和含水率共同作用,内摩擦角的变化受内聚力和黏滞阻力共同影响。3）在Na⁺作用下,随含水率的升高,黏粒结合水膜迅速增厚,结构单元体逐渐解体,颗粒的胶结作用逐渐减弱;结构单元体由大颗粒向小颗粒转变,土体孔隙由大孔隙向小孔隙发展。4） SEM图像定量分析提取到的土颗粒结构单元体形态参数与抗剪强度表现出良好的相关性（显著性水平p<0.05）,表明抗剪强度的降低是含水率引起分散性土微观结构单元体变化的宏观表现。     

祁连山南北麓明长城夯土抗剪强度指标与分维值相关关系

夯土是具有明显时代、地域、工艺和取材属性的土体,其抗剪性能评价和参数获取是干旱、半干旱地区夯土遗址稳定性评价和控制领域所面临的基础性问题。选取了分布于祁连山南北两麓的我国规模最大的线性遗址明长城18处段落的原状夯土作为研究样本,在建造地点、年代和工艺调查的基础上,采用直接剪切试验、土-水特征曲线测试、颗粒分析试验、相关与回归拟合分析对夯土抗剪强度指标、孔隙和颗粒特征及其联系进行了系统的研究。研究结果表明：18处不同属地夯土依据黏聚力和内摩擦角的取值大小可划分为抗剪性能弱型和抗剪性能强型,颗粒及孔隙的组成与分布具有良好分形特征;黏聚力和内摩擦角值与粒度分维值和孔隙分维值存在量化对应关系,以分维值为变量建立数学模型预测的抗剪强度指标与实测值的误差不超过7.5%,为有效获取抗剪参数和评价抗剪性能提供了新途径。     

基于离散元法的砂石混合体直剪试验结果分析

砂石混合体由力学性质以及结构相差极大的材料组成,其组成的重塑地层易发生塌陷等问题,因此对砂石混合体力学特性的研究具有重要的工程意义。砾石形状是砂砾石力学特性研究的重要属性参数,但采用规则图形对砾石进行描述不能反映出其真实的力学性质,采用数字图像处理技术构建的砾石数据库能反映砾石真实形状并可对特定形状参数进行具体分析。由于砂石混合体的粒径分布较广,采用特征粒径等无法描述整体粒度分布,故本文结合分形理论构建砂石混合体的二重分形结构模型,通过粒度分维值反演出完整的级配分布曲线。考虑到砂石混合体离散型的特点,采用离散元软件进行直剪试验数值模拟并对细观结构进行分析,研究结果表明,砂石混合体一般具有2个粒度分维值:砂粒度分维值和砾石粒度分维值,砂、砾石粒度分维值越接近,抗剪强度和内摩擦角越大;当两者相等时,砂石混合体具有一重分维,此时均一性最好,抗剪强度和内摩擦角最大;轴向系数是形容砾石形状的一个重要参数,随着轴向系数的增加,砾石显示出明显的条状性,在直剪试验中抗转动能力增强、周围接触数量增加,导致抗剪强度和内摩擦角不断增加。     

珊瑚砂大剪切应变下的剪切特性和分形维数

利用Wille Geotechnik环向剪切仪对3种不同粒径的珊瑚砂进行了大剪切位移的环向剪切试验,探讨了颗粒破碎对珊瑚砂强度和残余应变发展的影响。试验结果表明：颗粒破碎随着剪切位移的增加逐渐增加,且初始粒径较大的均匀级配珊瑚砂粒径越大颗粒破碎越多。颗粒破碎对峰值强度和残余强度无影响,但对珊瑚砂的体积应变有显著影响,颗粒破碎较多的试样其体积应变也较大。建立了考虑长宽比、球形度和凹凸度的分形维数计算公式。由于颗粒破碎后颗粒形状在全粒径范围内的自相似性和无尺度性,考虑颗粒形状与不考虑颗粒形状的公式计算得到的珊瑚砂分形维数基本一致。     

含盐量对石灰固化滨海盐渍土微结构参数的影响

因土中含有较多的氯盐,引起了石灰固化滨海盐渍土的微结构变化。采用Leica QWin5000图形处理软件对石灰固化滨海盐渍土的SEM照片进行统计,证实随着含盐量的增加,固化土颗粒的等效直径、扁圆度、面积比和充填比等微结构参数呈近线性变化。含盐量增加使得固化土颗粒的粒度分维值增加,颗粒的均一化程度越来越差;而颗粒定向分维则先升、后降、再逐渐趋于一个稳定值,即固化土颗粒的排列方向保持不变。固化土颗粒级配测试结果也与上述变化规律相吻合。     

珊瑚颗粒力学特性应变率效应试验研究

珊瑚单颗粒破碎特性与珊瑚砂高压缩性、剪缩性及良好蠕变性等宏观力学行为密切相关。珊瑚颗粒的应变率效应对于不同形式荷载作用下珊瑚砂强度与变形特性研究具有重要意义。对约300颗珊瑚颗粒进行0.1～50 mm/min位移速率下的单颗粒破碎试验,探讨加载应变速率对颗粒破碎强度、破碎模式、破碎能量及破碎分形的影响。结果表明,珊瑚颗粒破碎强度服从Weibull分布规律,且特征破碎强度随应变率的提高非线性增大;随着加载速率的增大,颗粒主劈裂破坏往往先于棱角的局部碎裂和表面研磨,相应的荷载?位移曲线呈现出由峰前“多峰”向峰后“多峰”现象转变;珊瑚颗粒破碎能量密度和破碎分形维数同样具有明显的应变率效应,且均与对数应变率呈线性正相关关系,表征能量耗散和破碎程度均随加载应变率的增大而增大。     

非饱和紫色土三轴试验颗粒流宏细观参数关系研究

为确定非饱和紫色土颗粒流宏细观力学参数间关系,采用三维颗粒流软件(PFC3D)并结合控制变量法与莫尔-库仑破坏准则,对不同含水率(8%、10%、12%、14%、16%、18%)及围压(100kPa、200kPa、300kPa、400 kPa)条件下的非饱和紫色土三轴固结不排水试验进行了数值模拟,并与室内结果进行对比。结果表明:重塑紫色土黏聚力随含水率增加呈先增后减的趋势,且存在临界含水率12%;内摩擦角与含水率呈一阶线性负相关。紫色土的宏观强度参数黏聚力与细观参数切向黏结强度呈线性正相关,而内摩擦角值由颗粒切向黏结强度及摩擦系数共同决定。建立了紫色土含水率与颗粒切向黏结强度、摩擦系数之间的定量关系,通过细观参数切向黏结强度及摩擦系数的改变来模拟不同含水率下紫色土的黏聚力与内摩擦角的变化,将数值模拟的应力-应变曲线与室内试验曲线进行对比,验证了该关系的正确性。利用PFC3D内置的切片工具对含水率为12%,围压为200kPa的数值试件进行剖切,可以较好地观察到紫色土三轴微观颗粒的运动情况及颗粒间接触力的分布特征,为深入探究紫色土的抗剪强度特性及应力-应变性状提供参考。     

土壤水分特性曲线的分形模拟

应用Menger海绵结构模型,推导出包含有分形维数的土壤水分特征曲线的解析模型,该模型与Brook Corey (1964)及Campbell (1974)经验模型的结构相似。通过对不同地区所采集的10种土壤样本利用压力薄膜仪实测得到水分特性曲线资料反求得到相应的分形维数,分析了分形维数与土壤质地、结构之间的关系,结果表明分形维数随土壤粘粒含量的增大而增大,随砂粒含量的增大而减小。同时对土壤水分特性曲线模型的分形维数与基于质量的土壤颗粒分布分形维数进行了比较,结果表明,两者十分接近,而且具有良好的线性相关关系。根据上述关系,利用易测得的土壤粒径分形维数结合所推导的解析模型,对土壤水分特性曲线进行了预测,预测值与实测值具有良好的一致性。     

土体拉伸破坏过程微细结构变化测试系统研发与应用

针对目前土体拉伸测试水平的不足,研发了一套土体拉伸破坏过程微细结构变化测试系统,主要由拉伸加载装置、图像采集装置、图像处理程序3部分组成。拉伸加载装置为测试系统提供均匀、稳定的外部荷载和观测面;图像采集装置可利用跟踪平台连续拍摄拉伸过程中不同应力状态下的微细观结构图像,并利用基于数字散斑相关法的相对位移场计算,通过预拉伸可确定断裂带演化区域,即观测区域;图像处理程序可对所拍摄图像进行增强、融合、拼接、分割处理,并对图像中孔隙与颗粒的量化特征参数进行提取。基于所研发的测试系统开展了黏性土拉伸破坏的微细观试验,研究结果表明：黏性土在整个拉伸破坏过程中,颗粒结构调整在先,孔隙演化在后,孔隙的形成与贯通将最终导致试样的拉伸破坏;孔隙度与孔隙分布分维随拉伸变形量的增加而增长,颗粒分布分维随拉伸变形量的增加而降低,但均表现有相似的阶段性,据此可将整个拉伸破坏过程划分为孔隙的萌生、发展、贯通3个阶段。     

颗粒形态对砂土抗剪强度影响的试验和离散元数值模拟

为研究颗粒形态对砂土抗剪强度的影响，制备了5组不同粒径的球形石英砂和颗粒形态不规则的实验室标准砂，并进行一系列的直剪试验；离散元法能有效地模拟砂土的离散性和不均匀性，基于高性能离散元分析软件MatDEM，通过二次开发，建立直剪试验三维模拟器，对直剪试验过程进行了数值模拟，并对比分析了试验和数值模拟结果。数据表明:(1)石英砂试样的自然休止角与其抗剪强度有着正相关性；(2)球形石英砂较实验室标准砂能更快达到峰值强度，但其值相对较低；标准砂存在着一定的黏聚力；(3)在直剪过程中，直剪盒中部颗粒的位移较周围颗粒不同，形成了明显的剪切带，并且球形石英砂试样的剪切带内颗粒的位移更小；(4)砂土直剪试验中配位数与剪应力有着良好的正相关性。本文结果表明，在相同的荷载条件下不规则颗粒形态的石英砂的抗剪强度要明显大于球形石英砂。