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。     

利用毛管压力曲线分形分维方法研究流动单元

利用取心井铸体薄片获得的图像资料和毛管压力曲线,通过图像分形几何学方法以分维数的形式定量地表征出了复杂的微观孔隙喉道结构特征,发现能够很好地划分和评价孔隙岩石中油、气、水的渗流差异,可以用于储层微观流动单元表征。文中阐述了岩石微观孔隙喉道结构分形的理论基础、计算方法和应用于表征流动单元的依据。建立了中国西部砾岩低渗透油藏微观孔隙喉道分维数与孔隙度、渗透率之间计算图版,据此在油藏中利用常规测井资料获得的孔隙度、渗透率参数计算微观孔隙喉道分维数,开展全油藏流动单元划分与评价,取得了良好的效果。研究结果表明,利用毛管压力曲线分形分维方法研究储层微观流动单元是一种很有效的途径。     

加荷条件下软黏土的孔隙演化特征

开展上海软黏土的宏微观三轴剪切试验,研究软黏土受荷状态下孔隙的演化特征。结果表明：局部变形在加荷初期就开始发生。随着荷载的增加,细碎团聚体增多,孔隙不断地扩展,生成大的贯通孔隙,孔隙定向排列明显,剪切带形成。微观结构参数与剪应力比呈非线性正相关关系,最大孔隙面积、孔隙比、孔隙各向异性率及分布分维数在受荷初期缓慢地增大,后期快速增大。应变为8%时,最大各向异性率达到0.68,最大孔隙比为1.96。剪切带附近的微观结构参数都大于带外值。在受荷过程中,土的微观结构发生劣化,软黏土变形过程分为损伤开始、损伤发展剪切带形成和土体破坏3阶段,微观结构的劣化与土的宏观力学特性紧密相联系。     

土体微观结构对冻胀影响的灰色关联及粗糙集评价

以季冻区粉土为研究对象,进行不同条件下室内冻胀试验,测得冻胀指标--冻胀率;同时运用扫描电子显微镜WD-5图像处理系统提取并定量化冻胀前土样微观结构参数（包括孔隙参数和结构单元体参数）。由于结构对冻胀影响具有非线性、复杂性、模糊性等特点,选择灰色关联法及粗糙集２种非线性评价方法,评价各结构参数对冻胀率的影响程度。评价结果表明：与冻胀率关联度较高的孔隙参数为形态分布分维数、平均丰度、平均圆形度和平均各向异性率,单元体参数为平均各向异性率、形态分布分维数和定向概率熵。粗糙集约简结果中,对冻胀影响较明显的孔隙参数为平均各向异性率、平均丰度、定向分维数和形态分布分维数,单元体参数为形态分布分维、平均各向异性率、平均形状系数。比较2种评价方法所得结果,分析其中的异同。最后综合考虑２种评价结果,确定8个对冻胀意义较明显的结构参数：孔隙的形态分布分维、平均丰度、平均各向异性率、定向分维数;单元体的平均各向异性率、形态分布分维、平均形状系数和定向概率熵。     

k2SiO3溶液对黏性土孔隙分形特性的影响分析

敦煌研究所研制的k2SiO3对干旱环境下土遗址防风化加固效果显著。设计了不加k2SiO3材料、加5 % 浓度k2SiO3溶液饱和后自然风干1次和3次人工重塑黏土试样的SEM观测,目的是研究k2SiO3对黏土孔隙结构的影响。基于此,利用分区统计方法和计算机图像处理技术,研究了k2SiO3对黏土孔隙结构的改变。分析表明,经k2SiO3加固后的黏土颗粒间胶结联结加强,结构稳定性提高。最后利用Sandbox法计算了土孔隙的分维数,定量分析了k2SiO3对土孔隙的改变,分析发现加3次溶液土样孔隙分维数最小,加固效果最佳。而且土孔隙分维数不受图象灰度分割阈值和SEM放大系数的影响。     

ERDAS软件在土体微观结构研究中的应用

有效地对土体微观结构进行量化是目前土体微观结构研究的热点,为了对土体的微观结构进行定量描述,本文利用ERDAS图像处理软件,介绍如何方便快捷提取微观结构参数,为土体微观结构量化提供一种有效的分析方法,并以深圳某填海区淤泥为例,结合土工试验结果,分析该地土体的孔隙特征参数,结果表明,淤泥中孔隙具有很好的分形特征,并简要分析了孔隙分布分维数及其物理意义。     

上新世红土微观结构参数与渗透系数的变化关系研究

新近系上新世（N₂）红土是实现我国西北地区保水采煤和生态环境保护的关键隔水层,研究红土的微观结构有利于分析其渗透性变化的内在机理。文章利用Matlab对不同渗透系数的N2红土的SEM图像进行了预处理和二值化分割,提取孔隙轮廓,得到其孔隙大小、排列、形态和类型等微观特征,并分析了红土的灰度熵、平均孔径、扁圆度、分布分维和概率熵等孔隙微观结构参数与渗透系数之间的关系。结果表明:图像灰度熵与渗透系数之间无明显变化规律,灰度熵在0.88~0.92之间;平均孔径在2.7~3.7μm之间,渗透系数随平均孔径的增加呈指数型增加;对孔隙大小按照微孔隙（<1μm）、小孔隙（1~4μm）、中孔隙（4~16μm）、大孔隙（> 16μm） 4组进行分类,发现小孔隙的数量最多,约占总孔隙数的50%以上,中孔隙和大孔隙的面积约占总孔隙面积的80%以上,渗透系数的增大主要与中孔隙和大孔隙有关;孔隙扁圆度在0.54~0.57之间,形状系数在0.63~0.75之间,孔隙主要呈扁椭圆状,渗透系数随扁圆度的增加呈指数型缓慢减小,随形状系数的增加呈线性减小;孔隙的分布分维数在1.00~1.40之间,随着分布分维的增加,孔隙由大变小,渗透系数随之呈指数型减小;不同土样的概率熵在0.97~0.99之间,孔隙缺乏明显定向性。     

松散砂粒孔隙结构、孔隙分形特征及渗透率研究

多孔介质孔隙结构特征是决定流体微观运移机制的重要方面。文章用环氧树脂固结松散石英砂磨制出二维多孔介质薄片,并用孔隙结构图像处理方法提取出孔隙结构参数信息;根据孔隙结构参数,建立描述孔隙结构的分形几何模型,分析松散地层孔隙结构的分形特征;进行多孔介质渗透率的实验测量和分形计算。结果表明:多孔介质的孔隙率和孔径与粒径之间存在线性相关性,拟合度分别达到-0.976 5和0.996 6;在方格边长ε和含有孔隙的格子总数N(ε)的双对数坐标系中,lnε-lnN(ε)数据点近似成直线,且不同样品的孔隙分布分维数值比较接近;而在孔径r与大于该孔径的孔隙总数N(r)的双对数坐标系中,lnr-lnN(r)的数据点必须进行分段回归分析,以便能更好地反映孔隙结构的实际情况;孔隙分布分维数和孔径分维数与粒径也存在较高的对应关系;中砂渗透率的实验测得值是5.19×10-5mm2,孔径分维数分段回归法计算的大孔隙多孔介质渗透率为5.75×10-5mm2,测量值与计算值较为接近,孔径分维数可以计算多孔介质的渗透率。     

细粒土粒径与物理特性关系的分形特征研究

以某矿区原状土为研究对象,针对细粒土颗粒结构的复杂性和不规则性,基于分形理论,通过颗粒分析、渗透试验和界限含水率试验,建立了细粒土粒度分形维数与不均匀系数、渗透系数及界限含水率的相关关系,从而揭示了这一类土粒度分维的物理意义。试验研究表明:土的颗粒级配越好,分维越大,不均匀系数就越大,水通过孔隙的能力变弱,渗透系数则越小。当土分维数小于某一数值时,土的界限含水率随分维值的增大而减小;分维大于这一数值时,各界限含水率指标又与分维值呈正相关关系。研究结果为该地区这一类细粒土的工程特性提供较好的研究思路和理论支持。     

Q2黄土浸水前后微观结构变化研究

对陕西蒲城电厂Q2黄土浸水前后的试样进行微观结构对比测试,得到了大量珍贵的微观结构图片。浸水前后Q2黄土的微观结构定性、定量分析表明：架空孔隙受力作用影响较大,对水的作用敏感;粒间孔隙对压力和水的作用相对较迟钝;Q2黄土的湿陷峰值压力大于200 kPa。随着压力的增大,Q2黄土的灰度熵、欧拉数和孔隙的面积比例、圆形度、定向度、分布分维减小;而颗粒的面积比例、圆形度、定向度、分布分维将增大;随着水的浸入,各量将继续减小或增大;浸水后孔径大于20 ?m的孔隙含量减少,孔径小于20 ?m的孔隙含量增加,湿陷的过程中大部分孔隙都在发生变化,大孔隙变成中、小孔隙,中、小孔隙则变为更小的孔隙。浸水前后微观结构的变化能较好地解释Q2黄土特殊的湿陷性。     

Fractal characteristics and stability of soil aggregates in karst rocky desertification areas

Karst rocky desertification is one of the major ecological and environmental problems that threaten the sustainable development of southwestern China. This study focuses on a case study of the small watershed in Chenqi where karst rocky desertification is particularly severe. This paper considers samples of soils from six different land use patterns in Chenqi village. Various correlations are observed by using fractal theory, including an emerging model for studying soil aggregates. This study demonstrates how the fractal characteristics of soil structure and the stability of soil aggregates are crucial to better understanding karst rocky desertification. The fractal dimension of different land use patterns can be used to indicate the magnitude of soil destruction. Soil fractal dimension can be applied using different methods to characterize the changes in factors influencing the stability of soil structure. The results indicate a significant negative relationship between fractal dimension of soil aggregates and large aggregate content (of diameters 5?C10?mm) and a significant positive relationship between fractal dimension and micro-aggregate content (<0.25?mm). The fractal dimension of soil aggregates is also significantly negatively correlated with both clay content and organic matter content. These results suggest that fractal dimension can be used as a reliable indicator of soil quality and presents advantages compared to using mean weight diameter.     

非饱和土壤水力参数预测的分形模型

综述了利用分形几何理论,可在土壤水力性质,包括土壤水分特征曲线及水力传导系数与土壤结构分维之间建立起一定的函数关系式.这些函数关系式大多与Campbell定律具有相同或相似的幂定律形式,一方面揭示了Campbell定律的物理实质,另一方面可用于土壤持水量及水力传导系数的预测.     

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。     

pH值对红土粒度成分影响的分形几何研究

红土是一种特殊土,其成分和结构决定了红土本身具有不同于一般粘性土的工程地质性质。红土中游离氧化铁的存在使土颗粒之间产生胶结,是土具有“假粉性”和“假砂性”特征的主要原因。研究发现,游离氧化铁含量和形态的改变,将直接影响红土颗粒的粒度分布。通过对不同pH值红土试样的颗粒成分进行测试,借助分形理论得到不同pH值红土粒度成分分维值。计算发现,不管是否在测试过程中采用分散剂,土粒度分维曲线上都存在两个无标度区。pH值的改变引起了土粒度分维的变化,随pH值的增大,土粒度分维值也变大,反应出土的细颗粒含量增加,土颗粒所形成的集合体越分散。土pH值的大小与粒度成分分维、游离氧化铁含量之间的内在联系,揭示出了红土中游离氧化铁对土颗粒胶结的本质。     

泥石流源区砾石土分形特征及其与渗透系数关系试验研究

以取自泥石流易发区的182个砾石土土样为基础,进行室内颗分试验,通过分形理论计算各土样的分维值,经计算发现,泥石流源区砾石土以一重分形为主,一重分形的土样占样本总数的88.46%,一重分形土样的分维值介于2.250～2.798之间;以此数据为基础配置土样,通过自制、可控的常水头试验装置进行渗透试验。试验结果表明,渗透系数k与分维值D之间有极显著的相关性,且在干密度为1.8 g/cm3时相关性最好。通过多元回归分析发现,不同密度条件下,k与D之间均有较好的幂函数关系;相同的分维值条件下土样的渗透系数随密度的增大呈减小的趋势,分维值在2.450～2.600之间时,样本的干密度 与渗透系数k之间的幂函数关系较为明显。试验结果可以为泥石流启动的临界雨量研究提供理论基础,提高已有预报模型的普适性及精度。     

基于分维数的土体裂隙表征单元体估算

由于干湿循环、剪切或其它作用,自然界土壤表面发育着大量裂隙。裂隙相互连接形成网络,裂隙网络是一个随机无序的系统,常规统计方法描述裂隙的分布特征存在很大的难度。网状土体裂隙一般具有分形特征,可以用分维数来进行描述。用数码相机拍摄土体表面的裂隙,将其转换成灰度图像,并结合分形理论,建立了摄影法测定土体裂隙分维数的方法,得到了土体裂隙的分维数。根据表征单元体的物理意义,建立了基于分维数估算表征单元体的方法,并对实例进行了分析。研究表明：分维数随裂隙密度,裂隙宽度和次一级裂隙发育程度的增大而增大;表征单元体与裂隙的密度均匀性和隙宽均匀性相关,基于分维数估算表征单元体的方法简便可行。     

分形理论在描述土壤大孔隙结构中的应用研究

土壤大孔隙结构对土壤中水流及溶质运移以及地下水环境有着深刻影响。确定土壤大孔隙结构,可以很好地理解和预测水及溶质在有大孔隙土壤中的运移,保护地下水环境。由于土壤大孔隙的分布呈现分形规律,因此可以采用分形理论研究土壤大孔隙结构。根据CT对原状土柱各断面的扫描图像,得到了各断面土壤大孔隙的分形维数,为进一步研究土壤大孔隙的水力性质奠定了基础。     

增压式真空预压加固吹填超软土微观结构特征分析

先进行常规真空预压法（CVP）和增压式真空预压法（AVP）两组模型试验,分别对吹填超软土进行加固处理,对比分析其加固效果。再利用电镜扫描试验（SEM）和压汞试验（MIP）分别对两种方式加固后的吹填超软土进行微观结构测试,分析在两种加固方式下吹填超软土微观结构特征的变化,并通过Image-Pro Plus图像处理技术进行定量分析,模型试验结果分析表明增压式真空预压的加固效果优于常规真空预压,从土体骨架颗粒形态、骨架颗粒接触形式和骨架颗粒间孔隙3个角度说明了增压式与常规真空预压加固后土体的微观结构特征变化,微观结构定量分析表明,与常规真空预压相比,增压式真空预压加固后土体的孔隙数量、扁平度K、形状系数ff更大;土体的孔隙率、分形维数D更小;定向概率熵Hm没有明显的变化规律;孔径分布增量的峰值位置在左侧,说明增压式真空预压加固后土体的小孔隙数量更多。从微观角度证明了增压式真空预压法的加固效果优于常规真空预压法。     

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。