利用CT扫描技术进行冻土研究的现状和展望

介绍了CT扫描技术的特点, 回顾了利用CT扫描试验进行冻土研究的历史和现状, 包括研制与CT配套使用的用于冻土的辅助设备、 利用CT数进行冻土内部结构变化分析、 利用CT数定义损伤并进行损伤演化研究、 利用CT图像进行细观结构分析等, 总结了冻土研究领域的代表性成果. 最后, 指出在现有的技术条件下利用CT扫描技术进行冻土研究所遇到的问题、 以及可能的解决办法. 其中, 着重介绍了高质量CT图像的获取、 CT数的变化与冻土试样感兴趣区域内的各组分变化的联系、 冻土CT图像的数字化处理方向. 结果表明: CT扫描技术是现阶段对冻土内部细观结构进行无损检测的最理想有效的技术之一, 借助辅助设备及图像数字化处理, 势必对冻土领域的研究发展起到更大作用.     

基于CT无损扫描技术的冻土内部物质研究现状与分析

CT无损动态扫描技术在土壤领域的成功应用,为冻土内部结构及变化的定量化研究提供了有效手段。通过总结和分析现有关于冻土的基于CT断层扫描图像的研究成果,阐明CT扫描技术在冻土研究中的4个关键环节,即冻土样本的制备、冻土CT图像的获取、冻土CT图像处理及分析,并指出在现有CT技术条件下冻土研究中存在的问题,针对性提出了将先进的图像处理技术与高效的图像分析手段和冻土研究相结合的解决方案,为冻土内部结构的定量研究与分析提供技术指导,进而为CT无损动态扫描技术在冻土领域的广泛应用奠定基础。     

与医用CT配合使用的冻土三轴仪的研制与应用

针对适用于低温环境下的配合医用CT实时扫描的冻土三轴仪的不足,研制了新的冻土三轴仪,介绍了其组成及其研发过程中需要克服的技术难点。利用该装置可以完成低温环境下试样的三轴加卸载试验,配合医用CT机时可实现整个力学过程的实时动态扫描。进行了冻结兰州黄土三轴加载实时CT扫描试验,试验结果表明,新研制仪器的各项参数均能满足冻土试样在三轴压缩和卸载过程中的实时CT扫描条件,也能够得到的不同载荷条件下的高质量细观结构CT图像,文中对试验结果进行了分析和讨论。该装置的成功研制为建立细观结构和宏观力学性质之间的联系提供一种新的技术手段。     

考虑射束硬化的煤岩CT数据阈值分割方法及应用

射束硬化是工业CT应用中的常见现象,射束硬化会导致同一密度组分呈现不同的灰度值,严重影响对各组分的分割及后期重构。为对射束硬化效应影响下的煤岩试样CT扫描数据精确划分,研究了射束硬化影响下的煤岩试样灰度值的分布规律,发现灰度束上灰度值的变化能够真实反映组分密度变化,并从理论上推导证明了这一结论,据此提出了灰度束阈值分割方法。灰度束阈值分割方法是将CT重建后的三维灰度数据体离散为一维的灰度束,根据目标组分种类的数量选择合适的全阈分割方法进行分割,并对其进行多值化,将多值化后的一维数据体重新集合为三维数据,三维数据中不同值代表不同组分,从而将各组分区分。采用灰度束阈值分割方法对6种射束影响下的煤岩组合体扫描数据进行了阈值分割并重构,证明了本方法的有效性。研究结果能够对非均质煤岩及其他材料CT扫描数据精确划分提供参考。     

基于图像检索技术的岩石单轴压缩破坏过程CT描述

基于X射线的CT扫描技术,因其具有多层位、对同一岩石试件可连续、无损扫描等优点,在岩石力学与工程研究中得到了广泛应用。对岩石单轴压缩破坏过程进行实时CT扫描,也是岩石力学研究的重要内容之一。针对三维显微CT试验系统实时监测煤岩单轴压缩破坏过程中,因位移误差会引起扫描层定位不准确,进而影响试验结果这一基本问题,提出了基于图像检索技术的CT扫描图像处理方法。通过对煤岩试样在单轴载荷作用下破坏过程的CT实时监测,并引入基于Manhattan距离的相似性计算方法,检索出岩石试件同一层位在不同应力状态下的相似扫描层。结果表明,采用图像检索的方法,可以有效地减小煤岩在加载破坏过程中位移误差的影响,更好地通过CT图像来描述煤岩在不同应力状态下的微裂纹分布状况和演化规律,从而在细观层次上揭示岩石在单轴压缩条件下破坏的基本规律。     

应用CT扫描研究非饱和砂土中污染物的迁移规律

应用CT扫描技术对两种稳定非饱和状态的砂土试样分层进行扫描,得到不同深度CT扫描层图像,采用Image J图像处理软件将CT图像转化为CT数均值,然后在稳定非饱和试样中分别间断性连续注入污染物KI溶液,测定不同时间间隔CT扫描图像,计算注入污染物先后扫描图像结果的差值,建立CT数均值和污染物迁移之间的关系,研究污染物在非饱和砂土中的运移特征,得出非饱和砂土中污染物浓度随时间和深度的变化规律,对研究其他介质中污染物的迁移具有重要的指导作用。     

不等幅值循环荷载下冻土残余应变研究及其CT分析

基于不等幅值循环荷载作用下低温三轴振动试验资料,研究了冻结粉质粘土在分级往返加荷情况下的残余应变产生条件。根据冻土的残余应变与其温度、振次、含水量等因素的关系曲线,得到了随着温度的降低残余应变值减小、随着振动次数的增加残余应变值增大;含水量的变化对其影响很小的结论。根据冻土试样震融沉前后CT测试数据及扫描图像,定量地分析了土样结构微裂纹发展、密度变化规律,并对冻土特有的震融沉形成机理给予解释。     

冻土三轴剪切过程中细观损伤演化CT动态试验

对冻结粉质粘土在三轴剪切过程中的结构损伤进行了CT技术动态测试。通过对CT图像及CT数的分析发现：在受载之前冻土结构已经存在孔隙、管状孔隙和低密度区等初始缺陷;变形过程中冻土结构的弹性损伤只占总损伤的比例很小,而结构粘塑性损伤的比例则很大;在三轴剪切过程中和蠕变过程一样存在结构损伤的弱化和强化现象,孔洞几何特征的改变和孔洞的长大、联合,颗粒之间的相互错动及滑移是冻土结构粘塑性损伤发展的重要特征。冻土的结构损伤主要发生在冻土屈服之后,这部分损伤不能用CT数的变化来定量计算。     

利用图像数字化技术分析冻结缘特征

以开放系统饱水正冻土为研究对象,作不同土质和不同初始条件下的单向冻结实验。实验结束后立刻对试样做复形膜。随后将复形膜进行图像数字化处理,可反演分析冻结缘和冰分凝形成的时间、厚度、位置及冻结缘导湿系数。结果表明,图像数字化技术具有较高的分析精度和准确性,是一种实用的创新研究方法;在给定的试验条件下,冰分凝速度随试验持续时间呈幂函数形式减小。冰分凝温度在试验初期随冻深快速推移而降低,随后由于冻土段长度     

基于神经网络的页岩微纳米孔隙微结构分析的正则化和最优化方法

页岩气成藏机理与页岩内部孔隙结构紧密相关,对页岩孔隙结构的研究成为页岩气勘探开发技术中至关重要的一环。页岩内部不同结构体组分对X-射线的吸收能谱不一样,这样就导致观测数据是由不同页岩组分衰减不同波段的X-射线构成的。经过对CT图像分割,能够获得页岩微孔结构的图像,尤其是获得有机质中孔隙类别、形状、尺寸、空间分布、连通特性。本文利用同步辐射X射线扫描重构的页岩CT数据,研究并设计基于多能CT图像的神经网络图像分割技术和算法,以期得到页岩体三维结构特征及空间分布,可以为建立有机质种类和无机矿物组成与微纳孔隙特征的联系以及最终实现页岩气的资源储量评估和勘探开发提供技术支持。     

基于CT图像直方图技术的冻结岩石未冻水含量及损伤特性分析

未冻水含量是影响岩石低温冻结过程中热力学性质的重要因素, 是冻土科学研究中的重要问题. 采用CT无损识别技术进行不同温度梯度下岩石CT扫描实验, 获得了20℃、-2℃、-5℃、-10℃、-20℃、-30℃下岩石的CT扫描图像. 以数字图像处理理论为依据, 运用CT图像直方图技术进行不同温度梯度下冻结岩石CT图像解析, 完成了冻结岩石未冻水含量及损伤信息的定量分析. 研究结果表明: -2~-5℃是岩石内未冻水含量急剧减小的温度区间; 当温度降到-10℃时, 岩石内未冻水全部冻结成冰. 根据CT数直方图峰形形状可判别低温环境下冻结岩石的损伤大小及分布均匀性. 论文所提出的冻结岩石CT图像直方图技术为定量分析不同温度梯度下冻结岩石未冻水含量、损伤扩展随温度的变化规律提供了新的方法和思路.     

用于颗粒土微观力学行为试验的微型三轴试验仪

颗粒土的微观力学行为（如土颗粒的运动与破碎等）决定着其宏观应力-应变行为,如应变局部化、应力硬化等。为研究颗粒土的微观力学行为,开发了一台微型三轴试验装置。它的轴向加载系统由伺服控制的步进转动马达与涡轮传动的减速器组成,围压由GDS压力控制器提供,压力室采用高透光率,高强度的轻质材料制成。借助于X射线显微CT及图像处理分析技术,该装置能实现对干砂土微尺寸试样（直径为8 mm,高度为16 mm）在三轴剪切条件下微观特性的无损检测。采用该三轴试验装置对粒径为0.60～1.18 mm 的LBS（Leighton Buzzard sand）试样在1.5 MPa的围压下进行了试验。结果显示,试验装置测得应力-应变曲线合理,显微CT 图像特征清晰,能够用于颗粒土体微观土力学行为的试验研究。     

X射线荧光光谱三十年

X射线荧光光谱分析在20世纪80年代初已是一种成熟的分析方法,是实验室、现场分析主、次量和痕量元素的首选方法之一,在无损分析和原位分析中具有不可替代的地位。文章评述了三十年来X射线荧光光谱分析的进展历程、波长色散X射线荧光光谱仪(WDXRF)、能量色散X射线荧光光谱仪(EDXRF)和现场与原位分析用X射线荧光光谱仪发展过程及显示的特色。介绍了在X射线的全反射和偏振性质基础上相继推出的偏振、微束、全反射等全新的X射线荧光光谱仪及其在众多领域的应用。回顾了基体校正发展历程和以Sherman方程为基础的基本参数法和理论影系数法在定量分析中的应用,并对学术界有关基体校正的物理意义的争论、Sherman方程的局限性以及如何提高基本参数法在常规定量分析和半定量分析结果的准确度的途径进行了探讨。总结了化学计量学与数据处理方法在XRF中的应用研究及进展,指出人工神经网络方法与基本参数法相结合的算法,对于改善基体校正的准确度和稳定性开创了一条新的途径。     

基于CT图像的花岗岩矿物组分与细观结构分析

获取准确的岩石矿物组分与细观结构特征,对从细观层面认识岩石宏观力学性质具有重要意义。CT扫描技术是研究岩石矿物细观结构的有力工具。本文采用高分辨率三维CT扫描系统,获得了花岗岩CT扫描图像;采用阈值分割的方法,综合X射线衍射试验结果确定合理的分割阈值,实现了对花岗岩CT灰度图像的三值化分析;最终获得了花岗岩的主要矿物含量与细观结构特征。研究结果表明:选择合理的分割阈值,可实现花岗岩主要矿物石英、长石、云母的自动识别和定量分析;基于三维重构模型,可获得不同矿物的形状、粒径和空间分布特征。本文方法对定量测试岩石矿物组分和认识其细观结构具有一定的参考意义和价值。     

采用X射线粉晶衍射仪实现岩石薄片中矿物的原位微区分析

采用帕纳科(PANalytical)公司生产的型号为X\pert PRO的X射线粉晶衍射仪,对鄂尔多斯盆地方沸石岩薄片中的方沸石进行原位微区衍射,成功地确定了方沸石的物相。此次实验中,仪器在入射光路,配备点光源和光导毛细管,毛细管直径为100um;衍射光路上则使用了超能探测器(X′Celerator)。实验条件为:加速电压40kV,电流40mA,Cu靶,Ni滤波。将获得的方沸石衍射数据与编号为41-1478标准卡片对比,发现实验结果具有一定程度的定向性。在此基础上,提出微区X射线粉晶衍射方法的样品需满足两个要求:1)矿物颗粒的粒径小于30um;2)在X光束照射的区域内,同种矿物的颗粒要含量集中。该方法与电子探针分析相结合,可以更准确地鉴定矿物。     

季节冻土地区人工冻土墙的冻结特性研究

季节冻土层中的地温呈非线性分布,改变了冻土墙形成时的初始温度条件以及形成后的结构形式。有季节冻土条件下形成深6 m、厚1.4 m的冻土墙较无季节冻土的情况可减少冻结时间15 d,减少冷能消耗60 %,经济上有极大优势。通过数值模拟,得到了能量消耗与时间关系曲线、冻结管热流密度与深度关系曲线、冻土墙的厚度与时间关系曲线、冻土墙的厚度与深度关系曲线等,可见季节冻土层的存在显著提高了冻土墙的厚度发展速度,减少了冻结时间,降低了冷能消耗。模拟了49种工况,对冻结管直径、冻结管间距、冻结时间、冻土墙平均温度、冻土墙厚度等数据进行了非线性回归分析,得到冻土墙厚度与时间成对数函数关系、平均温度与时间成反比例关系的相关表达式,为人工冻结技术的合理运用和推广提供了理论依据。     

冻融环境下黄土体结构损伤的尺度效应

尺度效应在水土科学定义中原是指土壤特征(水分和盐分)的变化对采样网格尺度大小的依赖,某一种采样尺度只能揭示相应的变化规律,某一种空间结构特征只能在一定采样尺度下才能表现出来。指的是在不同的观测尺度(微观、细观、宏观)下黄土体结构损伤的演化规律。冻融循环作用是季节性冻土地区工程发生病害的关键因素,为探究冻融环境下黄土体结构损伤的尺度效应,取延安市黄陵县黄土为研究对象,以初始含水率及冻融循环次数为变量,通过扫描电镜、CT扫描、表观结构试验,探究黄土体在不同初始含水率、不同冻融循环次数下结构损伤微观、细观及宏观表现特征。基于Leica Qwin、Canny算子边缘检测、分形维数、彩虹码伪彩色增强技术、显著性理论对试验结果进行分析,试验表明:随着冻融循环次数的增加试样微结构单元发生了明显变化,具体表现为颗粒尺寸均一化,骨架连接方式发生转变,由面-面接触转变为点-面、点-点接触,粒间连接减弱,细观表现为试样高密度区不断减小、中低密度区不断增多,冻胀力、迁移力不断显现,使得黄土体完整性降低,迁移通道不断发育,造成宏观析冰量不断增大;随着冻融循环次数的增加面孔隙度、分形维数不断增大,冻融循环10次后趋于稳定,试样在冻融环境下内部微、小孔隙不断向中、大孔隙转化;伪彩色增强技术显著提升了CT图像辨识率;造成黄土体结构损伤的因素不只有初始含水率、冻融循环次数,它们之间的交互(耦合)作用也会对土体损伤产生显著性影响。     

热处理砂岩微观结构及力学性质试验研究

采用核磁共振、电镜扫描、X射线衍射、单轴压缩等试验手段对某砂岩试样不同温度下（25～900 ℃）微观结构及力学性质的变化情况进行研究。研究表明：温度对砂岩试样微观结构具有重要影响,试样总孔隙率随温度的升高而升高,在150 ℃以下,由于中、大孔隙的减少,试样渗透性反而降低;当温度超过600 ℃时,中、大孔隙快速增加,试样渗透性能大幅增加;温度升高导致砂岩试样弹性模量减小、峰值应变增大以及孔隙压密阶段变长,宏观表现为脆性降低、塑性明显增强;热处理条件下,除微观结构的变化会导致砂岩试样力学强度改变外,试样矿物成分对其力学强度也具有十分重要的影响;450 ℃以下,由于矿物成分变化较小,试样力学强度主要受到孔隙度增加的影响,表现为强度随温度升高而降低;450～600 ℃,虽然孔隙率继续增长,但由于主要矿物高岭石发生脱水以及与其他离子形成新相矿物,进而导致试样强度没有随着孔隙增加而降低,反而出现一定的增长;超过600 ℃后,孔隙尤其是大孔隙的急剧增加,导致强度重新开始降低。     

冻融作用对土结构性的影响及其导致的强度变化

冻融作用通过改变土的结构性从而改变土的力学性质.以青藏粉质黏土为研究对象,对一定干密度的饱和重塑试样分别进行封闭和开放状态下的冻融试验.通过土样电阻率的改变来反映冻融作用对土中孔隙的影响;对冻融前后的试样分别进行CT扫描,定量分析土样的损伤程度,来反映土颗粒联结的改变.对冻融前后的土样进行不固结、不排水三轴剪切试验,得到其强度参数,并将冻融作用引起的结构变化与强度参数的变化建立联系.研究表明:对试验中采用的土样,经过冻融作用后电阻率增大,反映到强度参数上,冻融作用导致土的内摩擦角增大;CT扫描定量分析发现,经过冻融之后,密度增大,CT损伤量为负值,反映到强度参数上,冻融后黏聚力增加.因此,强度参数的变化与土颗粒的胶结和重排列,粒径重分配以及孔隙大小比例的变化有关.     

冻土冲击韧度与凿碎比能关系的试验研究

冻土的冲击韧度与试块破坏断口的平整度反映了冻土的冲击特性。冻土凿碎比能是表示凿碎单位体积冻土所消耗的功,它反映了冲击破碎冻土的能力。以冻结粘土为试样,利用摆锤式冲击试验仪进行不同温度、不同冲击能量的带缺口的冲击实验,利用凿测器进行了冻土凿碎比能试验。实验结果表明,冻结粘土的冲击韧度随温度降低而增大,随冲击能量的增加而增大。随温度的降低,试样的破坏断口的凹凸不平度增大,其范围在±3mm之间。随着温度的降低,冲击凿入深度越来越浅,冻土的硬度越来越大,钻进程度越来越难。通过回归分析,凿碎比能随着冲击韧度的增加而增大,且在冲击韧度一定的情况下,随着凿入次数的增加,凿碎比能增加的值越来越小,凿碎比能与冲击韧度的相关性较好,表明用冻土的冲击韧度来反映凿碎比能是可行的。