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。     

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     

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。     

钙质砂颗粒的形状分析

钙质砂是一种含碳酸钙达50 %以上的海洋生物成因的粒状材料。颗粒棱角度高、形状不规则,影响钙质砂的压缩、填充等力学性能。通过光学显微镜获取钙质砂颗粒的几何投影图像,借助Matlab图像处理软件,分别运用常规统计方法和分形理论对钙质砂颗粒的几何形态进行了描述,并结合钙质砂特殊的生物成因对其表现出的特性进行了分析。结果表明：钙质砂颗粒的形状具有分形特性,且随着颗粒粒径的减小,分形特性越明显。     

堆石料三维形状量化及其对颗粒破碎的影响

筑坝堆石料由于尺寸较大,必须对其按一定比例缩尺后才能用来开展室内三轴试验。但缩尺前后颗粒形状难免会有差异,如何评价颗粒形状变化对堆石料变形特性的影响是十分重要的。引入了高精度的三维激光扫描技术对紫坪铺面板坝筑坝堆石料2.5～5、5～10、10～20 mm以及20～40 mm 4个粒径组的颗粒进行了空间形状分析,在此基础上进一步开展了单一粒组的三轴试验,研究了4个粒组的颗粒形状指标与颗粒破碎率的相关性。试验表明,紫坪铺堆石料颗粒破碎率随着其平均球度的增加而减小,并且呈近似半对数线性关系;随着围压的增加,颗粒形状对颗粒破碎的影响逐渐减弱,颗粒强度的影响逐渐增大。紫坪铺堆石料的颗粒强度随着颗粒尺寸的增加逐渐减小,但其破碎率反而随着颗粒尺寸的增加而逐渐减小,主要是因为试验所采用的紫坪铺堆石料颗粒尺寸越小时,其形状越不规则。因此,研究缩尺效应对颗粒破碎率的影响时,要同时考虑颗粒尺寸和颗粒形状。     

堆石料颗粒形状对堆积密度及强度影响的离散元分析

颗粒形状不仅反映颗粒的形成历史,更是影响堆石料物理力学性能的重要因素之一,值得深入研究。采用颗粒流程序PFC3D,根据实际颗粒形状建立不同球度的颗粒模型,并提出了数值试验中获取不同相对密实度试样的流程。讨论了球度对最大、最小孔隙比的影响,其结论与已有试验统计结果基本相符。分别以孔隙比和相对密实度为密度控制指标,对不同颗粒形状的试样进行等向固结和常规三轴试验,并分析了配位数、颗粒长轴各向异性、接触各向异性、结构各向异性等微观变量的变化规律。结果表明,当颗粒圆度较高且级配均匀时,球度对峰值摩擦角影响较小,主要影响残余摩擦角的大小。颗粒形状发生变化时,配位数影响试样强度但不起决定性作用,颗粒形状主要通过影响试样内接触以及接触力的各向异性程度来影响试样宏观表现。     

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。     

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。     

泥沙颗粒形状对非均匀沙起动条件的影响

根据非均匀沙颗粒的不均匀性,引入颗粒形状系数,通过分析泥沙颗粒形状系数和相对暴露度的影响,建立了等效粒径表达式;并通过泥沙起动受力分析,推导得到泥沙起动临界条件表达式.实测资料验证表明,计算值与实测值符合较好.     

粒度分析理论技术进展及其应用

粒度分析在区分沉积环境、判定物质输运方式、判别水动力条件和分析粒径趋势等方面具有重要作用。本文主要介绍粒径测试技术方法及其新进展,包括传统的直接测量法、筛析法、沉降法和以计算机为依托的激光粒度测试仪法;评述沉积物分类命名方法理论及其在区分沉积环境、判定物质输运方式和判别水动力条件等方面的应用,以及粒度分析在研究海洋环境中沉积物输运方向、即粒径趋势分析方面的重要作用。随着计算机技术的快速发展,粒度分析测试技术正朝向自动化和测试内容多样化方向发展,其在实践中的应用也将更加广泛。     

Quantitative characterization of grain shape: Implications for textural maturity analysis and discrimination between depositional environments

Grain shape plays an important role in textural analysis of sedimentary grains. Textural analysis helps to determine the formation, transportation and deposition processes of sedimentary rocks. However, there is a lack of standardized methodology for quantitative characterization of grain shapes. The utility of fully automated image analysis for grain shape measurement is assessed in this paper. This research aimed to identify the most useful shape parameters for textural characterization of populations of grains and determine the relative importance of the parameters. A key aspect of this study is to determine whether, in a particular sedimentary environment, textural maturity of the samples can be ranked based on their grain shape data. Furthermore, discrimination of sedimentary depositional environments is explored on the basis of grain shape. In this study, 20 loose sediment samples from four known depositional environments (beach, aeolian, glacial and fluvial) were analysed using newly implemented automatic image analysis methods. For each sample, a set of 11 shape parameters were calculated for 200 grains. The data demonstrate a progression in textural maturity in terms of roundness, angularity, irregularity, fractal dimension, convexity, solidity and rectangularity. Furthermore, statistical analysis provides strong support for significant differences between samples grouped by environment and generates a ranking consistent with trends in maturity. Based on novel application of machine learning algorithms, angularity and fractal dimension are found to be the two most important parameters in texturally classifying a grain. The results of this study indicate that textural maturity is readily categorized using automated grain shape parameter analysis. However, it is not possible to absolutely discriminate between different depositional environments on the basis of shape parameters alone. This work opens up the possibility of detailed studies of the relationship between textural maturity and sedimentary environment, which may be more complicated than previously considered.     

硬性结构面表面起伏形态测量及其尺寸效应研究

结构面表面形态与其力学性质密切相关,对结构面表面形态进行精细测量是研究结构面变形和强度等力学机理的基础。在分析国内外结构面测量仪器优缺点基础上,利用自主研制的新型便携式测量仪器———接触打孔器对硬性结构面进行机械化精细测量,应用效果表明:由接触打孔器获得的结构面粗糙度JRC值与结构面表面实际的JRC值十分接近。在此基础上,对硬性结构面进行尺寸效应分析,获得了结构面表面JRC值的统计方差随测量长度逐渐衰减的规律,并且计算分析了粗糙度对结构面剪切强度影响的极限长度,最后通过强风化粉砂岩节理、新鲜砂岩层面、泥岩层面进行了分析。结果表明,对于研究区强风化粉砂岩构造节理,当取样长度大于50cm时,可以消除剪切方向上起伏粗糙度尺寸效应;对于平直新鲜泥岩层面、平直的新鲜砂岩层面,当取样长度大于5cm时,可以消除剪切方向上起伏粗糙度尺寸效应。     

基于钻孔形态分析的地应力测量方法研究

地应力作用下的钻孔孔壁会发生一定程度的变形,导致钻孔横截面形状会发生变化,变形后的钻孔几何形态也反映了钻孔受力状态。在经典岩石力学理论的基础上,研究钻孔在平面二维应力作用下的几何形态,建立应力与变形后圆孔几何参数的关系,实现基于钻孔椭圆参数的应力解算,并提出钻孔椭圆参数的测量方法和测量技术,形成一种新的基于钻孔形态分析的地应力测量方法。结果表明,（1）在平面二维应力作用下圆孔变形后的几何形态为椭圆,推导了椭圆参数与应力的关系表达式;（2）利用3个不同方向的孔径值可以实现椭圆参数的解算,研发触头式显微光学孔径测量技术,实现了钻孔形态的测量,从原理上分析了技术实现的可行性,并就该技术进行地应力测量过程中可能存在的问题进行了探讨;（3）通过室内模拟试验,验证了技术原理的可行性,并通过误差分析和实例计算对该方法测量结果的准确性进行了讨论。     

颗粒形状对粗粒土孔隙特征和渗透性的影响

粗粒土的颗粒级配、形状和密实度都是影响其孔隙结构,进而影响其渗透特性的重要因素。但长期以来,对颗粒形状影响的关注度较少,其主要原因在于不容易定量描述颗粒形状及其影响的孔隙结构特征。选取已获取长宽比和圆形度的不规则形状碎石、规则形状的球和八面体颗粒分别装填试样,针对颗粒级配和颗粒形状的差异,开展孔隙结构特征和渗透性的对比研究。通过CT扫描试样内部结构图像,重构试样的三维孔隙结构并计算孔隙比表面积。通过渗透试验测得试样的渗透系数。结果表明：试样孔隙比表面积是表达孔隙结构特征的有效参数,在相同级配和孔隙率的条件下,试样孔隙比表面积随颗粒圆形度和趋近球形程度的增加而减小;相同级配和孔隙率的条件下,渗透系数随孔隙比表面积的减小而增大,随颗粒圆形度增大而增大;球形颗粒试样的渗透性最强,试样颗粒越偏离球形,孔隙系统中水流阻力越大,试样渗透性越弱。     

柴达木盆地晚中新世河湖相沉积物粒度组成及其古环境意义

本文应用沉积物粒度端元分析模型对柴达木盆地怀头他拉剖面开放湖相沉积物进行分离,得到4个具有现实环境意义的端元组分,分别代表 4种动力过程。端元1为河流沉积,端元2、3都为湖相沉积,端元4为三角洲沉积。这些成分含量在晚中新世的变化趋势不明显但变化幅度相对较大,表明柴达木盆地这套地层记录了沉积环境或气候的快速变化。尽管怀头他拉粒度变化趋势总体不明显,然而平均粒径在约8.3~7.0Ma期间有所降低,指示当时亚洲季风可能发生了增强,导致柴达木古湖面积扩大,到达研究站点沉积物的粒度变细。东亚和南亚地区古气候数据合成支持这一推论,由此我们推断亚洲大陆在约8.3~7.0Ma期间气候相对较湿润,是青藏高原隆升的一个直接反应;而7Ma以后气候变干可能反映了大气CO₂含量下降的驱动。轨道尺度研究表明柴达木盆地气候在约8.3~7.0Ma期间发生了较大幅度的变化,支持青藏高原隆升是气候变化放大器的观点。

     

Particle size distribution analysis of sand-sized particles by laser diffraction: an experimental investigation of instrument sensitivity and the effects of particle shape

Laser diffraction is now widely used for particle size distribution analysis of sediments and soils. The technique can be very precise, and offers advantages of speed and cost over many other methods when used to analyse mixtures of sand, silt and clay. This study presents the results of an experimental investigation that examined the sensitivity of the Beckman-Coulter LS230 instrument to mixtures of different grain populations and differences in particle shape. The instrument was found to have high sensitivity to coarse particles in a finer matrix (detection threshold 1–2%), but much lower sensitivity to finer particles in a coarser mixture (detection threshold 12–17%). Experiments using near-spherical ballotini showed that laser analysis provides very similar values to dry sieving for the mean, median and mode, but for a range of natural sand samples values for the mean, median and mode were offset by 8–21%, with an average of ca 15%, compared with sieving. Analysis using a Beckman-Coulter RapidVUE instrument, which provides both size and shape information, provided support for the hypothesis that the differences between laser analysis and sieving are partly attributable to the effects of particle shape. However, an additional factor is the way in which the laser software interprets the optical diffraction data. The software predicts a high degree of log-normality in the size distribution, such that highly skewed, truncated or bimodal samples are poorly represented. Experiments using sieved fractions of ballotini indicated that, even with near-perfectly spherical particles, the particle size distribution predicted by the laser software includes a relatively large percentage of particles outside the sieve class limits.