膨胀土裂隙定量化基本指标研究

采用计算机图像处理技术,对室内干湿循环试验获得的膨胀土试样的表面裂隙进行定量化分析,研究了裂隙网络的几何结构和形态特征随循环次数的变化规律。基于聚类分析和逐步回归法,从定量描述膨胀土表面裂隙的指标中筛选出了表征其裂隙发育程度的基本指标,利用偏最小二乘回归法建立了基本指标和土体黏聚力的关系式。结果表明:1膨胀土表面裂隙率与分形维数呈正相关性,裂隙条数和总长度受节点个数控制,区块个数反映了区块面积的变化规律,裂隙率在总体上说明了土体的体积变化,平均长度则反映了表面裂隙的连通性;2裂隙的节点个数、块区个数、裂隙率和裂隙平均长度是描述其形态结构和几何特征的基本指标,可以用来描述裂隙的发育程度。     

基于岩体不连续面三维分形维岩体质量评价研究

岩体内部不连续面分布具有随机性、不规则性,但又具有统计自相似性。基于三维随机不连续面网络模拟技术,对岩体结构统计均质区内的不连续面进行计算机模拟,并应用分形理论计算岩体不连续面分布的分形维数。岩体不连续面分布分维数具有尺寸效应,随着岩体尺寸增大分维数减小,到一定程度趋于稳定。这一稳定的分维值称之为表征分维数,用此值描述不连续面分布特征。将岩体不连续面分布的表征分维数与按传统岩体分类标准所得岩体质量等级进行对比,提出以岩体不连续面分布表征分维数为指标的岩体质量分类方法。在岩体分类基础上,提出基于表征分维数的岩体等效抗剪强度指标的折减计算。     

膨胀土裂隙的平面描述分析

通过室外数码成像,记录了不同含水量下原状膨胀土表面裂隙的开展状态,基于MATLAB软件用二值化像素统计的方法对膨胀土表面裂隙率与含水量的关系进行了量化,并且在二值化图像的基础上,基于AutoLISP程序对原状膨胀土表面裂隙的分形维数进行自动化统计。分析结果表明,膨胀土表面裂隙率和分形维数与含水量的关系基本呈线性关系,单位含水量变化引起裂隙率和分维的不同变化特征可对膨胀土胀缩性做出相应区分;二值化像素和分形维数统计的方法均可对原状膨胀土表面裂隙进行描述分析,为进一步研究膨胀土的裂隙性提供了有效途径。     

裂隙岩体非饱和渗流的分形模型

基于毛细吸持理论和Sierpinski空间的假定,建立了用分维数表示的毛细压力-有效饱和度及毛细压力-相对渗透系数关系的裂隙岩体非饱和渗流分形模型。根据Monte-Carlo模拟技术由平硐资料生成三维裂隙网络,利用盒维数方法计算裂隙岩体体积分维数。探讨了分维数与裂隙渗透率的关系。结合糯扎渡水利工程实例,将模型计算结果与Brook-Corey模型对比,结果表明相对渗透率主要受最大裂隙开度的影响,当裂隙开度范围不大时,分形模型可较好描述岩体裂隙的毛细压力与有效饱和度的关系。当裂隙开度范围较大时, ,忽略最大裂隙开度,模型可以等价于Brook-Corey模型。     

结构面剪切强度参数三维分形估算

现有结构面剪切强度参数经验估算公式多建立在结构面形态二维描述基础上,对结构面形态的三维特征考虑不够。作者自行研制了结构面形态三维量测设备,对结构面表面形态进行三维量测,将量测结果与分形理论相结合,采用分形维数表征结构面三维形态特征。在对大量硬性结构面剪切试验结果及表面形态描述结果进行统计分析的基础上,提出将JRC-JCS估算公式中的JRC用分形维数的表达式替换,进而建立了基于结构面表面形态三维分形表述的剪切强度估算公式:τ=σntg[(6.12D-13.53)lg ((JCS)/σ_n)+φb]。实际应用结果表明,改进后的估算方法能得到令人满意的结构面剪切强度参数。     

季节冻土区路基土粒度成分的分形特征

以长春-四平一级公路、长春-松原一级公路及长春北某公路3处路基土样为研究对象,通过大量的室内试验数据,结合分形理论,讨论路基土粒度成分的分形结构,计算分形维数,并将分维数作为描述土粒度成分的指标,探讨其与土体冻胀的形式、冻胀量大小的关系。研究表明：分维数较大时易形成分凝冻胀,冻胀量较大;分维数较小时易形成原位冻胀,冻胀量较小。分维数与土的物理力学性质的回归关系表明,分维在一定程度上表征土的工程地质特征。     

塔里木盆地中部地区奥陶纪碳酸盐岩裂缝与断裂的分形特征

统计分析表明塔里木中部地区奥陶系碳酸盐岩岩心裂缝与断裂具有良好的分形特征.裂缝分维值的大小首先受裂缝密度的控制,其次受裂缝分布特征的影响.断裂的分维值受断裂的发育程度及其形态的影响.分维数是描述储层裂缝与断裂发育程度的一个有效的定量参数.     

煤岩结构与煤体裂隙分布特征的研究

通过对河东煤田太原组8#煤层的19个煤样进行煤岩结构划分、裂隙微观分形特征和裂隙密度测量,研究了煤岩结构与裂隙分布特征的关系。结果表明:不同煤岩类型条带中,裂隙密度具有较大的差异,镜亮煤条带是裂隙分布的主要部位;镜煤条带中裂隙的密度和分维数与条带厚度、相邻条带煤岩类型有关;全煤样裂隙密度和裂隙分维数与煤岩结构类型有密切关系。煤岩结构的研究在预测煤层的渗透性方面有重要意义。      

非饱和土的水分特征曲线的分形模型

水分特征曲线的分形模型以分为三类：土颗粒分布的分形模型、土体孔隙表面的分形模型和土体孔隙分布的分形模型。根据土孔隙分布的分形模型，提出了水分特征曲线的通用表达式。水分特征曲线的通用表达不仅能很好地预测近饱和状态和干土状态时的水分特征曲线，也能用相同的分维估算水分特征曲线的脱水曲线和吸水曲线。     

基于三维裂隙网络的裂隙岩体表征单元体研究

岩体表征单元体（REV）的研究一直是岩土工程中的重要问题。裂隙岩体REV是其内部复杂结构在尺寸效应上的体现,归因于岩体内裂隙系统的随机性。在三维网络模型的基础上通过计算体积节理数建立了确定岩体REV的方法。这种方法考虑了岩体内裂隙的三维空间密度的特征,采用体积节理数这一参数的收敛状况确定岩体REV的大小。建立了实际岩体的模拟裂隙系统,用一定大小的立方体来分割裂隙系统,统计不同立方体内的体积节理数,并将均值作为最终裂隙岩体的参数。将此参数作为裂隙岩体的属性,通过判别其收敛状况获得了岩体REV的尺寸。考虑了岩体不连续面的特征,建立了REV的分析模型,得出工程岩体的REV的尺寸是裂隙平均迹长的4倍的结论。     

Geometric parameters and REV of a crack network in soil

Cracks are common in natural and engineered soils and provide preferential pathways for water infiltration into the soil. Statistical properties of crack geometries are important inputs for analyzing preferential flows in discrete random crack networks. This paper reports the outcome of a field study conducted on a compacted, cracked soil ground at a steady moisture condition. The objectives of the field study were to investigate the crack patterns and probability distributions of the geometric parameters of cracks and to determine the representative elementary volume (REV) of the crack network. The desiccation cracks at the survey site formed an inter-connected columnar structure. The traces of the cracks on the soil surface formed a primary structure consisting of inter-connected crack polygons and a secondary structure comprising of isolated cracks. The locations and orientations of the desiccation cracks followed a uniform distribution, differing from the distribution of fracture sets often observed in fractured rocks. The lengths and apertures of the cracks followed a lognormal distribution as expected. The REV size for the cracked soil was found to be approximately five times the mean crack length, above which the variation in crack porosity in relation to domain size was negligible.     

2017 - 2018年冬季乌梁素海湖冰表面裂缝形态分析

在2017 - 2018年冬季使用无人机对乌梁素海湖冰的冰面裂缝进行了航拍, 采用改进的自适应阈值分割方法进行图像二值化处理, 提取了冰裂缝的密度和分形维数。分析结果显示： 在固定区域的冰裂缝分形维数在1.35 ~ 1.50间变化, 冰裂缝数量随时间增加, 其分形维数也随之线性增大; 在冰生长期间, 冰厚度与冰裂缝分形维数也呈现出明显的线性关系（相关系数R²=0.75）。冰面不同区域的冰裂缝密度和分形维数在0.017 ~ 0.079、 1.38 ~ 1.64间变化, 且两者之间存在显著的对数相关性（相关系数R²>0.96）, 不同日期航拍数据拟合结果近似相等, 说明冰裂缝密度越大, 对应的分形维数越大。作为表征冰面形态特征的一种物理指标, 建立得到的冰裂缝分形维数与冰厚、 裂缝密度的相关关系, 对未来利用冰面裂缝形态监测冰层的生消过程可提供科学的参考。     

粗粒料级配缩尺后最大干密度试验研究

对某级配粗粒料,采用剔除法、等量替代法、相似级配法和混合法等4种不同缩尺方法,依据规范要求进行缩尺。缩尺后替代级配料的最大颗粒粒径分别为20、40、60 mm。对各替代级配料采用振动台法进行了最大干密度试验,基于试验成果,结合分形理论,提出了一种将最大干密度与级配及细粒含量之间关系归一化的方法,并拟合了最大干密度与试验前级配的分形维数、小于5 mm颗粒的含量及最大粒径之间的关系,据此可推求出原型级配料的最大干密度,探讨了缩尺方法对替代料试验前后粒径分布曲线变化幅度的影响,总结出颗粒破碎分形维数与试验前级配的分形维数、小于5 mm颗粒含量及最大粒径之间的关系式,据此可推求出填筑后原型级配料的颗粒破碎分形维数。     

花岗岩电镜扫描图像二值化阈值对分形维数影响的研究

电镜扫描应用于岩土工程研究,能观察到岩石的细观结构,从另一个视角揭示岩石力学机理。分形维数是对岩石表面不规则、非线性裂纹裂隙的定量描述,是一个重要的参数指标。本文首先通过花岗岩电镜扫描实验,获得了花岗岩细观图像;其次研究不同二值化阈值下的图像和分形维数,结果显示分形维数随二值化阈值增大而减小;最后,对比迭代法、双峰法和Otsu法三种求最佳二值化阈值方法,表明Otsu法简单易行,得到的图像能反映岩石表面细节,求出的分形维数具有参考对比价值。因此将Otsu法图像二值化阈值得到的分形维数作为对比参考的标准,对岩石细观研究具有重要的参考价值。     

裂隙网络分维及其与渗透率的关系

在前人裂隙网络水实验室试验的基础上,依据分形理论对裂隙网络复杂系统进行简单的统计分析,获得定量描述这一复杂体系的特征值——分维,并查明它与裂隙网络渗透率之间的关系。从计算结果可以看出,裂隙网络(指有效裂隙网络)的分维值与渗透率之间存在明显的正相关关系,这有可能为裂隙网络渗透率的定量评价提供一个简单而又实用的方法。      

基于分形理论的粗粒料级配缩尺方法研究

按规范要求的剔除法、等量替代法、相似级配法、混合法等4种缩尺方法,对某粗粒料原型级配进行缩尺,得到15条试验模拟级配,相应的最大颗粒粒径分别为60、40、20 mm。对原型级配和缩尺后模拟级配,进行了最大干密度试验,引入粒径分形维数,研究粒径分形维数与级配缩尺方法、最大干密度的变化规律。分析认为,粒径分形维数是一个能综合反映级配的量化评价指标,可准确反映不同缩尺方法后的试验模拟级配;级配缩尺方法本身对最大干密度有较大的影响,相似级配法的最大干密度值与原型级配的最接近,等量替代法的差异性最大;粒径分形维数与最大干密度具有较好的线性归一化,利用归一化规律,可准确推求原型级配的最大干密度值,有较好的工程应用价值。     

深部开采上覆岩层采动裂隙网络演化的分形特征研究

借助相似模拟材料模型试验,模拟了在深部开采条件下上覆岩层采动岩体裂隙分布状态,运用分形几何理论研究了采动岩体裂隙网络分形维数随开采宽度、采场矿山压力、岩层沉降的动态演化规律,并分析了断层对采动岩体裂隙网络分布演化的影响以及采动岩体裂隙网络在三带的分布特征。结果表明：随开采宽度增加,采动岩体裂隙网络分形维数呈现总体增大趋势,在断层影响下表现出降维特点;分形维数与超前工作面压力和岩层沉降均具有非线性关系;三带采动岩体裂隙网络均具自相似性,冒落带、裂隙带、弯曲带分形维数比为1.082 3:1.139 4:1。     

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。     

压缩荷载下泥岩裂缝演化规律的CT试验研究

裂缝的演化与空间展布规律是影响泥岩盖层密闭效果的关键因素。为研究泥岩失稳破坏过程中裂纹的萌生、扩展和汇集贯通等演化规律,针对龙马溪组泥岩进行了单轴压缩下的同步CT扫描试验,通过裂纹面积的变化特征及裂纹结构的分形特性,探讨了不同加载水平下裂纹的演化规律,从细观尺度揭示了泥岩裂纹演化与宏观变形特性的关系。研究结果表明：泥岩CT图像灰度频率及裂纹面积的变化均可反映裂纹的演化特征。荷载水平（即当前荷载与峰值荷载之比）为0～20%时,裂纹面积迅速增加,裂纹开始萌生,但由于受到闭合效应的抑制,相对并不活跃;荷载水平（当前荷载与峰值荷载之比）为20%～65%时,裂纹面积变化不大,裂纹萌生效应和闭合效应同时进行,且作用大致相抵,泥岩进入稳定承压阶段;荷载水平为65%～85%时,裂纹面积陡然增加,裂纹进入扩展及汇集贯通阶段,而荷载水平为65%时的突然跳跃,表明裂纹从萌生闭合到扩展过渡具有突发性和瞬时性。随着荷载的继续增加,泥岩内部结构呈复杂化、混乱化的变化趋势,且裂纹从外向内逐渐贯通。裂纹分形维数呈现的增长―下降―再增长―再下降的波状变化规律,是裂纹萌生、闭合、扩展和归并等相互转化的结果。     

基于SEM图像的既有地基红黏土颗粒微观结构及分形特征研究

采用IPP（Image-Pro Plus）图像分析软件对贵州省贵阳市某工厂三种既有地基红黏土SEM图像的信息进行提取和处理,定性描述和定量分析土体的微观结构,并引入分形理论分析SEM图像,提出在IPP软件中获取颗粒三维分形维数的计算方法。结果表明:（1）抗剪强度参数随微观颗粒数、颗粒形态比的增大而增大,随颗粒平均面积的增大而减小;（2）颗粒分布及形态均具有明显的分形特征,分形维数介于2~3之间,抗剪强度参数均随颗粒分布及形态分维值的增大而增大;（3）与构建三维模型的方法相比,利用IPP软件计算土颗粒三维分形维数的方法具有可行性,简单易操作,结果可靠。