基于复数傅里叶分析的岩土颗粒细观特征识别与随机重构方法

岩土细观特征的识别与分析是岩土力学研究的重要内容。基于傅里叶变换原理,将任意岩土颗粒的二维轮廓变换为傅里叶描述符与相位进行分析,建立了基于复数傅里叶分析的细观特征表征与重构方法。通过两组不同颗粒的傅里叶细观特征统计,研究了不同阶傅里叶描述符与细观特征参量的对应关系。结果表明：-12～0及16～20阶对应的傅里叶描述符决定颗粒的形状;-23～-11及1～15阶对应的傅里叶描述符与颗粒粗糙度密切联系;傅里叶描述符曲线峰值与颗粒的粒径显著线性相关;高阶傅里叶系数与阶数近似呈对数线性关系,低阶系数则由不同颗粒形状决定。采用建立的傅里叶描述符对应关系进行颗粒相似重构研究,发现重构颗粒的外轮廓及傅里叶统计参量与实际颗粒十分接近,且反映颗粒的粗糙度、纹理等细部特征,其成果可用于大量岩土颗粒与力学特性的相关性研究。     

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。     

珊瑚砂颗粒形状特征分析

珊瑚砂粒形状及粗糙度等微细观特性影响着砂土的宏观力学性质,采用图像处理技术对珊瑚砂粒的长宽比、面积、圆度、分形维数进行了分析。使用3D测量显微镜对砂粒的表面粗糙度,界面扩展面积比、峰顶点的算数平均曲率进行了测量计算。试验结果表明:大部分珊瑚砂颗粒的长宽比介于1.2~1.5之间,且长宽比呈现出负偏态分布。砂颗粒的圆度则主要集中于0.75~0.9区间,其表现为负偏态分布。砂颗粒的面积主要在0.015~0.035 cm2之间,颗粒面积为正偏态分布。砂粒的分形维数D基本介于1.04~1.10之间,表明砂颗粒具有很强的自相似性。粗糙度的分析结果表明,珊瑚砂颗粒表面平整度差,分布有较多的侵蚀坑,局部存在尖锐的凸起,砂粒表面粗糙度S_a为20.078 μm。界面扩展比S_dr为0.167,砂颗粒表面分布有若干倾斜面。峰顶点的算数平均曲率S_pc为216.641 mm-1,显示出砂颗粒之间的接触较为尖锐。上述研究结果可为珊瑚砂宏微观力学特性研究提供参考。     

散体云母片岩粒度分形特征及其与抗剪强度参数的关系

在室内试验的基础上,应用分形几何理论研究某露天矿排土场散体云母片岩的粒度分形特征,探讨了分维数与散体云母片岩物料中粗颗粒含量及其抗剪强度参数的相关性。研究结果表明：（1）分维数与散体物料中粗颗粒含量呈反方向变化关系,即分维数会随着粗颗粒含量的增大而减小;（2）当分维数值在1.887～2.631范围内时散体云母片岩粒度组成级配良好,说明分维数可以代替Cu、Cc用来表征散体岩石物料的粒度组成及其级配优良性;（3）在优良级配下分维数与散体剪切强度参数中的内摩擦角之间具有比较好的相关性,并呈负指数函数关系,而黏聚力与分维数规律性不明显。     

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。     

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。     

砂土高压蠕变微观机理分析

砂土层在地面沉降过程中呈现一定的蠕变特性。文章采用一维压缩试验对4 MPa 下砂土的变形特征进行了研究,并 采用改进的试验装置对砂土的微观结构进行了提取。通过对8 组不同级配砂土样的蠕变特性和微观结构分析,得到如下结 论：粒径单一的砂土在蠕变过程中更容易出现突变,砂粒受力后更容易发生破碎,产生滑移错动;砂土蠕变的蠕变量与砂 粒级配密切相关,砂土的粒径越单一且粒径越大时,砂土的蠕变量也越大;采用表征砂土颗粒形状复杂程度的形状系数, 从微观上定量分析了砂土在蠕变过程中发生破碎的情况和蠕变量大小,且形状系数越小,表明该种砂土形状越复杂,在蠕 变过程中砂土的破碎性越高,蠕变量越大。     

南京粉细砂空间孔隙结构表征单元体确定

确定统一的表征单元体(REV)尺寸是研究土体细观孔隙结构时首先需要解决的问题。使用6.5μm分辨率同步辐射显微CT扫描南京粉细砂试样,从土样三维重构模型的5个代表性部位提取5组立方体孔隙REV,对每个REV采用最大球算法分析,建立孔隙网络模型,从中提取孔隙率、单位体积孔隙数、孔隙平均体积、孔隙最小体积、孔隙最大半径、孔隙最小半径、孔隙平均半径、孔隙截面积平均形状因子等8个孔隙结构参数,建立其与REV尺寸间的相关性。利用假设检验T检验和F检验,最终确定样品孔隙结构参数的统一REV边长尺寸为400像素,即2.60mm。该方法可用于砂土、粉土等颗粒土体细观孔隙结构分析。     

红层软岩微观结构与抗剪强度关系实验分析

红层软岩属于滑坡、崩塌灾害的易发地层,岩石的微观结构特性对其宏观力学强度有着重要影响。对四川省屏山县和云南省绥江县采集的侏罗系红层砂岩、粉砂岩和泥岩样品进行了扫描电镜观察及变角模抗剪强度实验。基于MATLAB数字图像处理技术,提取了红层砂岩、粉砂岩和泥岩的微观结构参量,即孔隙率、颗粒磨圆度、颗粒定向度及欧拉数的量化值,进一步分析了上述各参量和抗剪强度的定量关系。研究结果表明：红层软岩的抗剪强度和孔隙率呈负指数关系,和颗粒磨圆度、定向度呈负相关线性关系,和欧拉数呈正相关线性关系。     

基于细观特征的含水砂层蠕变潜力评价研究

在地面沉降过程中含水砂层的蠕变量不可忽视。本文以石英砂为试验材料,研究颗粒粒径、级配及形状对砂土蠕变特性的影响,并从细观角度定性和定量分析其蠕变机制,建立与宏观变形的联系。结果表明：砂土的蠕变过程分为稳定蠕变、减速蠕变和衰减蠕变3个阶段,砂土的粒径、级配及颗粒形状对蠕变特性产生影响：粒径越大,级配越好,颗粒形状越复杂,则任意时刻的蠕变速率越大,最终蠕变应变也越大。砂土细观参数可较好地反映其宏观蠕变特性,砂土的最终蠕变应变越大时,颗粒破碎程度越高,颗粒最终平均形状系数越大,孔隙率变化越大,最终面积概率分布指数也越大。在此基础上,引入砂土蠕变潜力评价指数(I_cp),提出了利用砂土颗粒与孔隙特征评价地面沉降中不同砂土层蠕变潜力的方法。     

雷州半岛红树林湿地表层沉积物粒度分布特征

对采自雷州半岛8个红树林湿地典型分布区的37个表层沉积物样品进行粒度分析,结果显示:(1)研究区表层沉积物粒度组成粉砂含量最高,占52. 9%;其次为砂,占27. 8%;黏土含量最低,占19. 3%。(2)研究区表层沉积物有砂质粉砂、黏土质粉砂、砂和粉砂质砂4种类型,其中砂质粉砂和黏土质粉砂主要分布在南山、高桥和观海长廊等地,砂和粉砂质砂主要分布在特呈岛、企水等地。(3)研究区沉积物平均粒径为5. 7,沉积物颗粒整体偏细;分选系数平均值为1. 90,分选较差;偏态平均值为-0. 14,为负偏;峰态平均为1. 07,峰态等级为中等。(4)通过系统聚类分析方法将研究区沉积环境分为三种类型,不同沉积环境水动力条件和环境特征差异明显。(5)沉积物砂粒含量与有机质含量、盐度呈极显著的负相关关系,与p H值呈正相关;粉砂含量与有机质含量、盐度呈极显著正相关,与p H值呈负相关;黏土含量与有机质含量、盐度正呈相关,与p H值则呈负相关。     

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     

基于正交偏光序列消光特征的岩石薄片颗粒分割与孔隙提取

在岩石薄片正交偏光显微镜下角度域序列图像采集的基础上,分析了不同岩石组分在消光角度域上的光学特征及其差异性,并据此提出一种新的岩石颗粒分割和孔隙分析的方法。充分利用岩石颗粒赋存状态及其晶体光轴产状的复杂性、岩石颗粒空间排列及其接触关系的多样性,对岩石薄片在消光角维度上进行像素尺度的相关分析,并提出相关系数均值、相关系数标准差以及相关系数均差比等敏感参数,实现了岩石颗粒的分割和孔隙的提取。研究表明岩石颗粒内部的像素点灰度和RGB值在角度域上的相关性较强,在颗粒边缘及孔隙内部填隙物分布区域,其相关系数较低,且相关系数标准差要明显高于岩石颗粒内部。该方法从消光特征出发论证了角度域信息完整性的意义,提取的颗粒边缘较为清晰,孔隙结构骨架得以刻画,颗粒分割的效果好于Sobel和Canny等方法。     

Quartz sand grain shape and other criteria used to distinguish glacial and non-glacial events in a marine core from Frobisher Bay, Baffin Island, N.W.T., Canada

Analyses of quartz sand grain shape, sediment influx rates and foraminifera define glacial and non-glacial episodes in a 9.69 m core from Frobisher Bay, Arctic Canada. Five radiocarbon dates on organic matter provide a preliminary core chronology, with a basal date of 11,910 yr BP. Quartz sand grain morphology is measured for samples at seven core levels using: (1) Fourier shape analysis; (2) percentage of grain surface conchoidally fractured. Samples at 2.0 and 7.5 m are most fractured and have Fourier roughness coefficients similar to particles sampled directly from glacier ice. These two samples probably represent glacial events in the core. Major intervals of non-carbonate sand influx occur at 9.0–4.5 m and 3.5–1.5 m, separated by several thousand years of slower sedimentation. Detrital carbonate influx rates are relatively high prior to 4.3 m, then decline rapidly indicating a shift in sediment provenance from limestones flooring Frobisher Bay to rafting from far-travelled icebergs. Bio- and lithostratigraphic analysis allows definition of five core units: (1) an environment similar to today below 8.5 m; (2) glacial conditions from 8.5–6.8 m, associated with ice proximal to the core site; (3) ameliorating conditions from 6.8 to 3.2 m; (4) cooler conditions from 3.2 to 0.5 m, probably related to increased iceberg flux rather than neoglacial advances of nearby ice caps; (5) an environment similar to today from 0.5 m. Sand grains sampled at 7.5 and 2.0 m, whose shapes indicate they are derived from glacier ice, lie within the cooler or glacial units defined from foraminiferal analysis. This indicates that quantitative measurement of particle surface morphology can provide useful environmental information in studies of marine cores.     

图门江下游沙丘粒度分布与石英表面结构研究

图门江下游沙丘粒度频率累积曲线形态全部为双峰,负偏态,粒度变化范围大,平均粒度数值小,标准偏差平均值为0.61;粒度分布特征方法判断沙丘沉积环境以河流成因为主。通过扫描电镜研究其石英颗粒表面结构,机械作用以贝壳状断口、V形坑和次棱角状形态组合为主,化学作用为中等-强烈溶蚀特征;石英颗粒表面结构特征表明沙丘为河口沉积;热释光测年结果表明沙丘受全新世海平面变化的影响,经历海水及风力改造。     

陕北晋西砂黄土的胶结物与胶结作用研究

在野外调查的基础上,采用SEM、XRD、土壤物理和土壤化学等方法,对陕北晋西12个县市的48个马兰黄土样品进 行了全分散法粒度组成测定、聚集体分析以及黄土胶结物组成的测试分析。结果表明,砂黄土中的粘土矿物和超细碳酸盐、 游离氧化物和有机质等胶结物质主要是以聚集体包膜的形式存在于碎屑颗粒表面,并构成砂黄土骨架间的结构联结,具有弱 胶结特性。砂黄土中粘土矿物和有机质为非水稳性胶结物质,仅在干燥状态具有较弱的胶结作用;黄土中的CaCO3呈粗颗粒 骨架和细分散超细碳酸钙两种形式存在,并分别起着骨架作用和胶结作用,超细碳酸钙为不可逆的胶结材料,在聚集体形成、 保存以及聚集体与碎屑颗粒之间的联结方面发挥着重要作用;非晶质游离氧化物(SiO2、Fe2O3、Al2O3)含量虽低,但由于他们 是以薄膜形式分布在颗粒表面,在黄土胶结作用中也是不可忽视的,并与上述各种胶结物共同起作用。通过统计分析认为, 凝聚系数可以较好地反映黄土的胶结程度,成为联系黄土胶结特性与黄土物理力学性质之间的桥梁。黄土胶结物组成及其 胶结机理的研究不仅有助于深化砂黄土工程特性的认识,而且对揭示黄土高原表生地球化学环境具有重要意义。     

A practical approach to grain shape quantification

Grain shape is a key factor affecting the mechanical properties of granular materials. However, grain shape quantification techniques to distinguish one granular material from another have not reached a stage of development for inclusion in modeling the behavior of granular materials. Part of the problem is the equipment of choice for grain shape measurement is the scanning electron microscopes. This is a relatively expensive and complex device. In this paper, we investigate a practical approach using light microscopy to quantify grain shape and to identify the key shape parameters that can distinguish grains. A light microscope was found to produce grain images with sufficient quality for the purpose of observing the grain shape profile. Several grain shape parameters were determined for eight different sands. We found Circularity, Roundness, Compactness, Sphericity, Aspect Ratio and ModRatio to be the key shape parameters that differentiate these sand grains.