砂土颗粒形状量化及其对力学指标的影响分析

砂作为一种特殊的散体材料,其宏观物理力学性质,如密实度、剪切特性（临界状态角,剪胀角）、压缩性及颗粒破碎特征等均受到颗粒形状的影响,目前为止,对于砂粒土颗粒形状的量化工作,未到达成熟阶段。试验采用普通光学显微镜获取3种不同砂颗粒及一种相似材料（玻璃球）数字图像,利用ImageJ图形软件对其进行黑白二值化处理,获取颗粒形状轮廓边界;从3个层次定义颗粒形状参数,并利用java语言编制形状量化插件程序,计算砂粒各形状参数值,最后通过相对密度试验、直剪试验测试不同砂样的极限孔隙比、剪切强度指标。试验结果表明：整体轮廓系数、球形度、棱角度3项形状参数可作为不同砂粒形状鉴别和量化的关键参数,且与剪胀角、临界状态摩擦角均具有良好的相关性,试验提供了一种量化砂颗粒形状的有效方法,并可将得到的关键量化参数应用到宏观力学性质分析与数值模拟工作中     

基于椭球模型的圆砾堆积特性分析

堆积特性是颗粒形状、大小等因素的综合体现,也在一定程度上反映了颗粒集合体的力学特性。以河流冲积型圆砾土中主要占比的10～50 mm圆砾为对象,利用数字图像技术,通过对大样本圆砾颗粒的形态特征分析,选取轴向系数作为圆砾的形状特征参数,并据此提出了圆砾颗粒的椭球模型构建方法,建立了与实际圆砾料在形状和大小上同分布的圆砾椭球模型数据库,进而通过数值堆积试验分析了单粒组圆砾料的堆积特性,并与室内圆筒堆积物理试验进行对比。有以下结论：圆砾的形态特征主要体现在宏观轮廓形状,棱角特性不明显;圆砾堆积数值模拟结果表明,不同大小粒组圆砾堆积孔隙比变化较小;颗粒间摩擦系数对于堆积孔隙比有显著影响,摩擦系数介于0～0.4时,孔隙比变化剧烈,随后逐渐趋于平缓;室内圆筒堆积试验结果验证了椭球模型模拟圆砾堆积的有效性,标定了重力堆积条件下圆砾料颗粒间摩擦系数约为0.3。     

康定新城后山泥石流特征分析

研究康定新城后山泥石流形成条件、动力学特征、量化堆积区平面形态特征。在野外调查的基础上分析泥石流的形成条件,采用雨洪法计算动力学特征参数,针对泥石流堆积扇提出表征堆积区平面形态特征的2个指标。结果:①地处高寒高海拔山区,其形成条件有别于常规泥石流,冻融循环和风化作用为泥石流暴发提供了大量物源,同时有较强的水动力条件;②采用雨洪法分不同设计频率计算其动力学特征参数;③提出量化堆积区平面形态特征的2个指数能较好的表征其形状、长短和扁圆。结论:①该泥石流形成条件与常规泥石流有一定区别,体现在动力条件与物源方面;②提出表征堆积区平面形态特征的2个指标有一定适用性。     

颗粒形状对碎石料孔隙特性影响研究

颗粒形状是影响碎石料孔隙特性的主要因素之一,进而影响碎石料的渗透特性和力学行为。选取粒径为2~5 mm和5~10 mm的灰岩碎石颗粒填筑试样,同时与相同级配和孔隙率的玻璃球试样进行对比研究,采用CT扫描技术和图形处理软件获取多孔介质孔隙边界轮廓,选取0.5 mm开度阈值分割孔隙;每组试样选取3张扫描断面图像,取定量参数的平均值为研究对象,对孔隙特性进行定量分析。结果表明：玻璃球多孔介质孔隙形状的复杂性甚于碎石料;玻璃球多孔介质孔隙系统的连通度大于同粒组碎石料。     

颗粒形状对不良级配碎石集料剪切特性的影响

碎石颗粒的形状对于集料的整体剪切性能有很大的影响,而现有的研究缺乏对于不规则块体颗粒形状的定量评价指标。利用离散元软件PFC2D(Particle flow code,2D)研究,提出了不规则块体的生成方法,建立了平面双轴剪切试验条件,通过对比室内试验结果完成了对模型的验证以及细观参数的选择。通过对块体进行分割后得到的多边形相邻顶角的差值进行分析,改进了棱角度指数的概念,在此基础上分析了颗粒形状对于级配不良的碎石集料的力学性质的影响,研究结果表明:棱角度指数受划分边界数的影响较大,随着划分密度的增加,棱角度指数不断减小并趋于稳定;随着轴向应变的增加,碎石集料的剪应力呈现出明显的非线性增加,曲线的形态受颗粒形状影响较大,除球形颗粒外,其他形状颗粒集料均呈现出应变硬化的特性。在棱角度指数较低时,抗剪强度和内摩擦角缓慢增加,而当棱角度较大时,抗剪强度指标则增加较快,可以通过幂函数进行拟合。     

K0条件下颗粒形状特征对砂土剪切模量的影响

为了研究颗粒形状特征对砂土剪切模量的影响,选取4种形状不同的砂样（福建标准砂和人工石英砂）作为研究对象,通过扫描电镜获取其颗粒微观图像,使用Image Pro Plus软件和自编Matlab程序提取试样颗粒的形状特征。采用改进的半径角和轮廓指数综合描述颗粒偏离圆或椭圆的程度以及棱角变化程度,并基于这两个参数提出颗粒形状因子来综合表征颗粒的形状特征。之后在K0条件下通过弯曲元试验获得不同竖向荷载对应的4个试样的剪切模量,试验结果表明,砂土颗粒的形状因子与砂土的剪切模量具有良好的相关性。最后基于Hertz-Mindlin接触模型,推导出引入形状因子的砂土剪切模量理论计算公式,该计算公式与实测值吻合良好。     

基于原子力显微镜的板岩杨氏模量宏微观跨尺度表征方法研究

岩石材料的微观非均匀结构和微观力学特性是制约其宏观变形与破坏力学行为的关键因素。针对川藏铁路隧道板岩,采用原子力显微镜测试技术,结合粉晶X射线衍射、扫描电子显微镜和能谱分析技术,获得了板岩纳米尺度下的矿物构像和微观结构,并揭示了微观尺度板岩矿物杨氏模量空间分布;进而采用混合高斯模型对160多万个试验数据进行反卷积分析,确定了高、中、低强度三相的平均杨氏模量和概率;最后基于Mori-Tanaka模型对板岩杨氏模量进行尺度升级,建立了板岩杨氏模量宏微观跨尺度表征方法。结果表明：（1）纳米尺度下板岩中嵌入的石英呈凸面多边形块体,伊利石薄片紧密、定向排列呈明显的层理性,而绿泥石作为基质松散地分布在孔隙中;（2）石英、伊利石、绿泥石和微观孔隙对原子力探针的黏附力依次递增,杨氏模量依次递减;（3）微观测试结果和图像分析表明,板岩孔隙度为16.61%、宏观杨氏模量为56.17 GPa。该方法适用于破碎、小尺度、任意形状岩石的力学参数精细测量分析,为通过饼化、破碎岩芯估算硬岩的宏观杨氏模量等力学参数提供了一种新的技术路线,具有较好的实用价值。     

定量表征河流砂颗粒的形状——在西藏帕隆藏布的尝试

河流搬运体系中,颗粒的形状属性可以反映其来源、搬运、沉积的过程。长期以来沉积学界缺乏相对统一的定量的、多维的颗粒形状参数。本研究以西藏雅鲁藏布江支流帕隆藏布为例,运用图像分析、软件分析等计算机辅助技术,对8个天然河流砂样品中的2276个颗粒开展碎屑成分鉴定和形状参数量化等工作。重点评估了11个颗粒形状参数,通过因子分析等统计方法提取并定义了3个形状信号,包括圆形度因子、规则度因子和平滑度因子。这些参数可用于表征颗粒宏观形状上接近圆形的程度、中观尺度上轮廓规则的程度及轮廓平滑的程度。挖掘天然河流砂的重要形状特征后,进一步探索了这些形状参数与颗粒成分、粒度的关系。本研究成果为解释河流系统中颗粒的形状信号、理解颗粒自身微观属性和外部物理过程等提供重要借鉴。     

定量表征河流砂颗粒的形状——在西藏帕隆藏布的尝试

河流搬运体系中,颗粒的形状属性可以反映其来源、搬运、沉积的过程。长期以来沉积学界缺乏相对统一的定量的、多维的颗粒形状参数。本研究以西藏雅鲁藏布江支流帕隆藏布为例,运用图像分析、软件分析等计算机辅助技术,对8个天然河流砂样品中的2276个颗粒开展碎屑成分鉴定和形状参数量化等工作。重点评估了11个颗粒形状参数,通过因子分析等统计方法提取并定义了3个形状信号,包括圆形度因子、规则度因子和平滑度因子。这些参数可用于表征颗粒宏观形状上接近圆形的程度、中观尺度上轮廓规则的程度及轮廓平滑的程度。挖掘天然河流砂的重要形状特征后,进一步探索了这些形状参数与颗粒成分、粒度的关系。本研究成果为解释河流系统中颗粒的形状信号、理解颗粒自身微观属性和外部物理过程等提供重要借鉴。     

裂隙岩体表征单元体及尺寸效应研究进展

裂隙岩体的表征单元体（REV）是岩体力学中的一个基础性概念,一直是学者们关注的焦点。结合近年来的研究成果,对裂隙岩体表征单元体最新研究进展进行全面、详细地介绍,从表征单元体研究角度与参数、研究方法以及量化方法 3个主要方面进行阐述。将探讨裂隙岩体表征单元体的角度归纳为结构面及块体几何参数、岩体力学参数和水力学参数3个方面;研究方法主要包括统计学方法、解析法和数值分析法,对这些方法的研究现状进行介绍;最后对量化岩体REV尺度的常用方法进行概括总结,包括直观判断、误差及变异系数判别法、假设检验、曲线拟合法和灰关联分析。为相关研究提供一定的参考和指导。     

堆石粗粒料颗粒破碎试验研究

利用室内大型三轴试验,对堆石等粗粒料的颗粒破碎进行了分析。结果表明,颗粒破碎率随围压的增加而增加,呈非线性状态,二者之间的关系可以用双曲线表示。颗粒破碎的增加将导致粗粒料的抗剪强度降低,峰值内摩擦角与颗粒破碎率之间呈幂函数关系,不论颗粒的岩性、强度、大小、形状、级配和初始孔隙比等情况如何,试验资料都落在一个狭窄的区域,如果围压和材料的试验参数已知,则可估计颗粒破碎率。     

The shape of rock particles, a critical review

An attempt was made to distinguish aspects of the shape of rock particles, and to discover by analysis and empirical considerations the most appropriate parameters for describing these aspects. The shape of a rock particle can be expressed in terms of three independent properties: form (overall shape), roundness (large-scale smoothness) and surface texture. These form a three-tiered hierarchy of observational scale, and of response to geological processes. Form can be represented by only two independent measures from the three orthogonal axes normally measured. Of the four pairs of independent measures commonly used for bivariate plots, the two sphericity/shape factor pairs appear to be more efficient discriminators than simple axial ratios. Of the two, the most desirable pair is the maximum projection sphericity and oblate-prolate index for both measures show an arithmetic normal distribution for the range investigated. A measure of form that is independent of the three orthogonal axes, and measures derived from them, is the angularity measure of Lees. Roundness has measures of three types, those estimating average roundness of corners, those based on the sharpest corner, and a measure of convexity in the particle outline. Although each type measures a different aspect, they are not independent of each other. Only roundness from corners is considered in detail. As neither average nor sharpest corner measures are inherently more objective or more quantitative, purpose should determine which is more appropriate. Of the visual comparison charts for average roundness, Krumbein's appears best. The Modified Wentworth roundness is the most satisfactory for estimating roundness from the sharpest corner. The Cailleux Roundness index should not be used because it includes aspects of roundness and form. Shape is a difficult parameter to use for solving sedimentological problems. Even the best of the commonly used procedures are limited by observational subjectivity and a low discriminating power. Unambiguous interpretation of particle shape in terms of source material and processes will always be made difficult by the large number of natural variables and their interactions. For ancient sediments satisfactory results can be expected only from carefully planned studies or rather unusual geological situations.     

基于PFC3D的黄土三轴试验细观参数敏感性分析

从细观角度出发,研究各细观参数对黄土三轴试验宏观力学响应的影响,基于三维离散元PFC3D软件及理论,结合室内三轴试验结果确定数值模拟基本细观参数取值范围,在50 kPa、100 kPa、150 kPa、200 kPa围压下对三轴试样进行颗粒流模拟,通过改变各细观参数值对黄土数值试样宏观力学行为影响程度及正交试验设计的方式,开展黄土三轴数值模拟过程中摩擦系数、孔隙率、颗粒刚度比k_n/k_s、颗粒粒径分布的敏感性分析,建立土体细观参数与宏观力学的关系式。结果表明:不同围压下数值试样峰值强度和剩余强度均与摩擦系数正相关,与颗粒刚度比、孔隙率负相关,而颗粒粒径分布的变化对其影响均小于2%。低围压下(50 kPa),孔隙率对数值试样峰值抗剪强度和剩余强度影响最大,颗粒刚度比次之,高围压下(200 kPa),摩擦系数对数值试样强度的影响比颗粒刚度比更为显著;对数值试样的初始线弹性模量和应变软化特性影响最大的细观参数为孔隙率,刚度比次之,颗粒粒径分布最小,200 kPa围压下正交试验分析结果与数值分析结果一致。通过改变细观参数取值范围的方式系统地分析了其对黄土三轴试验宏观力学性能的影响,为今后离散元软件用于黄土室内试验研究提供了参考。     

砂土颗粒三维形态的定量表征方法

颗粒形态是影响砂土力学特性的重要因素,特别是影响砂土在低应力状态下的抗剪强度、剪胀效应和临界状态行为,以及高应力状态下的颗粒破碎行为。因此,准确地重构砂粒的三维形态,并量化计算其形态表征参数是研究砂粒形态效应的前提工作。借助于高精度的CT扫描技术和图像处理技术,获得近海石英砂和风化花岗岩残积砂这两类砂土颗粒的三维形态信息。采用球谐函数序列实现两种砂颗粒三维形态的准确重构,并通过球谐函数分析计算砂土颗粒的体积来验证该方法的有效性。基于球谐重构的三维砂粒表面,提出了实用性的方法来计算砂粒的表面积、表面曲率和三维尺寸等,进而计算砂粒的三维球度、圆度和伸长率等形态表征参数。结果表明,当球谐函数阶达到15时,其重构的砂粒基本形状和表面纹理均与真实砂粒非常接近;近海石英砂在水流搬运和磨蚀的作用下颗粒形态较为规则和圆滑,球度和圆度较大,而风化花岗岩残积砂则在物理风化和剥蚀作用下颗粒形态较为复杂和粗糙,球度和圆度较小;而这两种地质作用对砂土颗粒的伸长率则没有明显的影响。     

基于功率谱密度的评估岩石节理粗糙度新方法

为进一步提高结构面粗糙特征描述的精确性和可靠性,更全面地体现出细微形貌的影响,将轮廓线凹凸起伏分解为幅值、倾角和曲率3个特征,分别代表轮廓线的高度变化、角度变化和弯曲程度变化。以Barton建议的10条标准轮廓线为例,计算其幅度、角度和弯曲度的特征曲线,获得了三者的分布规律。利用可表征微细观形貌的功率谱密度函数研究了3种特征曲线的频谱特征,然后从功率谱密度对数曲线中提取了可以描述形貌特征的分形参数D_j（斜率相关）和粗糙度参数A_j（截距相关）,在此基础上研究了D_j和A_j与节理粗糙度系数（joint roughness coefficient,简称JRC）的关系。同时,将该指标推广到了三维形貌的表征形式,并计算了大理岩剪切面的三维粗糙度。结果表明：新指标评估精确度高,可反映结构面各向异性特征,能有效表征结构面粗糙特征,对研究结构面剪切力学性质有重要意义。     

Evaluation of image analysis methods used for quantification of particle angularity

Angularity is an important parameter in the characterization of particle morphology that is used to interpret the transport history of particles in sedimentary deposits. In the past, visual classification using silhouette charts was widely used to determine particle angularity, but this approach is subjective and time‐consuming. With advances in modern image analysis techniques and low‐cost software packages, it is possible to rapidly quantify particle angularity more objectively than using visual classification methods. This study re‐examines the performance of three existing image analysis methods and one new image analysis procedure, applied to six rock and sediment samples that were visually different in angularity. To facilitate comparison between the angularity results, measurements were reduced to rankings for each aggregate sample. These results show that the four image analysis methods rank the angularity of the samples differently, and that none rank the mean angularity index in the same order as the angularity ranking using visual classification. Therefore, further research is needed to develop an image analysis method that can quantify the angularity of sedimentary particles more precisely.     

颗粒破碎对绢云母片岩强度和变形影响的试验研究

为进一步弄清颗粒破碎对软岩粗粒料强度、变形的影响,开展2组不同初始干密度下的绢云母片岩粗粒料的固结排水三轴试验,分析了绢云母片岩粗粒料颗粒破碎规律,并探讨了颗粒破碎对绢云母片岩粗粒料力学性质的影响。结果表明,绢云母片岩粗粒料相对破碎率随围压的增加而增大,但颗粒破碎增幅速率受初始干密度影响较大,颗粒破碎与围压之间的关系可用线性关系描述;由于初始孔隙率的影响,使得试样在同一应力水平下高密度试样颗粒破碎明显高于低密度试样;颗粒破碎对高密度试样抗剪强度降低的影响高于低密度试样,导致两种干密度试样的应力-应变曲线在某处出现相交,最终出现初始密度低的试样抗剪强度大于初始密度高的试样抗剪强度的现象;高密度试样孔隙率较小,其剪胀因子一直保持在1附近,而低密度试样孔隙率较大,受颗粒破碎和剪胀的影响迟缓一些,低密度试样体变较高密度要大些,但整体上由于颗粒破碎和剪胀的影响,绢云母片岩粗粒料的体变均不大。