深埋隧洞开挖损伤区的检测及特征分析

隧洞开挖以后围岩会出现损伤,并在洞周形成开挖损伤区,在损伤区范围内声波波速会出现衰减。针对锦屏二级水电站3#引水隧洞在隧道掘进机（TBM）开挖过程中可能形成的损伤区,首先利用数值方法探讨了损伤区的分布特征,通过监测特征点在开挖过程中的应力路径,确定了特征点的应力状态和可能出现声波波速衰减的部位。在此基础上确定了对声波钻孔的布置方案,并利用单孔声波检测方法确定了损伤区深度。为了实现颗粒流程序PFC对损伤区的模拟,通过三轴压缩试验确定了PFC的细观参数。最后利用PFC描述了损伤区的分布,分析了损伤局部化特征和损伤程度的变化。结果表明PFC的模拟结果和检测结果具有较好的一致性,能够实现对损伤区特征的准确描述。研究成果对损伤区的检测和支护优化设计具有指导意义。     

冻结红砂岩单轴损伤破坏CT实时试验研究

为探究冻结岩石的宏观力学特性及损伤演化机理,对20、?5、?10 ℃红砂岩进行单轴加载CT实时扫描,获得各扫描层的CT扫描图像。利用Matlab自编程序生成灰度直方图和二值图像,基于CT数H值正比于密度的关系定义岩样扫描层的安全区、损伤区、破坏区,结合温度效应、水的软化作用及冰的冻胀力对岩样的影响,定量地研究冻结岩石的损伤破坏演化规律。试验研究表明,(1) 温度由20 ℃降至?5、?10 ℃时未冻水含量减少而冻结冰含量增加,岩样强度增大、抗变形能力提高、整体稳定性提高,CT图像呈现出岩样裂纹尺寸发展减慢、损坏程度减弱的规律;(2) 不同温度下岩石单轴加载的损伤演化经历了裂隙萌生、闭合、延伸、汇集及形成宏观主裂纹的阶段,岩样变形增大发生破坏;(3) 由于端部效应,中间较两端扫描层的损伤程度高,外侧较内侧扫描层先发生损伤,损伤边缘化并向内部扩展。     

水分迁移对冻土细观结构的影响

冻结作用导致土体中产生了水分迁移,从而改变了土体密度,进而改变了土体结构性及其物理力学性质。利用CT设备,对冻融前后的土样进行CT细观试验,通过CT数变化定量分析土样的损伤程度,反映冻土结构的变化。结果表明：冻结过程中同时发生了裂纹的张开与闭合,冰透镜体位置裂纹数量在冻结后明显增加。冻结区土样在水分迁移并结晶的作用下被切割成多个多边形,造成土样孔隙增大,导致CT数减小,损伤量增大。融土区土体在冻胀力作用下产生了一定的固结,使得其密度增大,CT数增大,损伤量表现为负值。上部荷载对土体损伤有抑制作用,而冻融作用却加剧了土体损伤。     

含裂隙水脆性材料单轴压缩CT分析

采用CT机配套的自制专用注水加载装置,对含裂隙水压的单裂纹试件进行了单轴压缩破坏的CT（Computerized Tomography）实时试验,对试件被压密→新损伤区产生→裂纹扩展的全过程进行了模拟,得到了各阶段清晰的CT图象及CT数。通过分析,提出了类节理岩体脆性材料的损伤演化率和损伤门槛值概念,并对水压的影响进行了探讨,从细观和三维上初步掌握了类节理岩体脆性材料的损伤演化特性。     

原状黄土CT试验中应力-应变关系的研究

采用三轴CT实时试验对原状黄土在三轴剪切试验过程中的应力-应变进行了研究。分析了Q2和Q3黄土的应力-应变曲线,提出了原状黄土的初始损伤应力、应变门槛值的确定方法。基于试验结果,指出Q2黄土在低围压下较Q3黄土更易发生损伤,且其发生损伤的应变门槛值较Q3黄土低。在此基础上,提出了用CT数所定义的损伤变量公式,拟合得出损伤变量与轴向应变及偏应力的关系式。     

日照市区花岗岩残积土工程地质特性研究

残积土作为一种特殊土,其工程地质性质往往因母岩类型、地质环境及风化条件的不同差异很大。该文通过对野外资料、室内试验及原位测试等手段所获得的大量数据的整理分析,对日照市区花岗岩残积土的工程地质性质进行了初步研究,论述了日照市区花岗岩残积土的成因、分布、工程地质性质以及工程建设中残积土利用的问题。在残积土物理、力学性质试验的基础上,结合当地的工程实践经验,提出了花岗岩残积土的压缩模量（Es）、地基承载力特征值（fak）等物理力学指标的建议值,为日照市城市建设的发展提供了一定的地质依据。     

瞬变电磁与跨孔CT成像探测岩溶分布及形态特征的应用

文章以山东省济南西南裸露—覆盖型岩溶山区为研究对象,根据钻探资料,将区内岩溶发育形态分为小型溶洞与溶孔,并利用瞬变电磁法、电磁波CT成像两种物探方法,探讨岩溶分布、形态特征与地球物理场的关系。对比瞬变电磁剖面与钻探揭露的岩溶发育段,确定出120 Ω·m作为解译岩溶发育区的分界值,以此圈定岩溶分布区域,之后实施钻孔进行验证,符合性较好;在验证孔及附近钻孔进行电磁波CT成像探测,进一步验证并刻画两孔间的岩溶发育特征。两种物探方法中,电磁波CT的探测数据离散程度较高;两种岩溶发育形态中,小型溶洞的地球物理参数离散程度较大,同时小型溶洞发育区视电阻率平均值较小,视吸收系数平均值较大。      

一种大直径扩底桩端阻力和侧阻力的确定方法

确定大直径扩底桩承载力的最直接的方法是静力载荷试验。但由于加载的困难和试验费用高等原因,静力载荷试验往往不可行。目前进行大直径扩底桩设计时通常借用建筑桩基技术规范的经验参数法,对大直径灌注桩端阻力值和侧阻力值折减确定,容易造成大直径扩底灌注桩的承载能力得不到充分发挥。结合大直径扩底桩的规范编写,对收集的完整试桩资料进行统计分析,并参考《建筑桩基技术规范》及北京、天津、浙江、福建、广东等地方给出的经验值,最终按不同扩底直径给出了端阻承载力特征值和侧阻承载力特征值的经验值表,并与各试桩的承载力实测值以及按桩基规范确定的承载力特征值进行比较,结果表明,本文建议的大直径扩底桩端阻力特征值和侧阻力特征值具有一定的可靠性和较大的适用性。     

三峡库区侏罗系泥岩CT损伤特性试验研究

结合CT-三轴试验研究了三峡库区侏罗系泥岩破坏过程中的细观损伤特性。获得了泥岩受破坏时的实时CT图像、CT数均值及方差等结果。通过CT图像中泥岩内部的主裂纹区域和非主裂纹区域在变形破坏过程中出现的特征,采用截面整体分析和选取区域分析相结合的方法探讨了岩样各变形阶段的损伤演化规律。研究表明:宏观裂纹一般最早出现在到达屈服点后,形成于红层泥岩承载能力较弱的区域,即原生孔隙、微裂纹较集中的区域,根据岩石内部区域CT数的变化规律可以判断裂纹的出现阶段和损伤程度。基于此,提出将不同围压下泥岩在屈服点的应变值作为岩石损伤的门槛应变值,低于该应变值时,侏罗系泥岩无明显损伤,高于该应变值时,损伤加剧。     

基于CT扫描的煤岩孔裂隙表征

煤岩中孔隙与裂隙的结构、形态等特征直接影响煤层气在煤层中的聚集和运移。为对煤岩中孔裂隙类型及孔裂隙的空间分布进行表征,选取宁武盆地中煤阶煤岩,利用微CT扫描技术对煤岩进行扫描获得CT图像,运用FDK算法重建煤岩的灰度图像并基于宏观孔隙度值对灰度图像进行二值化分割,对CT图像中的微裂纹目标进行了识别;利用CT扫描获得的图像依据煤岩中基质、孔裂隙及矿物组分均表现出不同的CT值分布,实现了煤岩中孔裂隙的三维建模,对煤岩中孔裂隙的尺度以及空间分布进行综合表征。研究成果为后期研究煤岩中气体吸附-解吸-渗流的多尺度过程奠定了基础。      

基于计算机X射线断层术与扫描电镜图像的黄土微结构定量分析

以湿陷性黄土的电镜扫描（SEM）和三轴CT扫描试验为基础,针对CT图像分辨率较低、难以实现土微结构精确量化的缺陷,通过对不同放大倍数的SEM图像进行图像分析,并从其中选择标准训练样本,利用训练样本对CT图像进行监督分类,从而达到定量化分析土的微结构的目的。通过比较CT图像基于自身灰度分级和基于SEM训练样本两种不同方法进行监督分类,结果表明基于SEM训练样本的CT图像监督分类,可以更好地量化监测黄土大孔隙、团粒、黏土集粒和矿物颗粒在固结剪切过程中的变化规律,从而为土的微结构研究提供了新的视角。     

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。     

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.     

Digital measurement of 2D and 3D cracks in sandstones through improved pseudo color image enhancement and 3D reconstruction method

An integrated approach of improved pseudo color image enhancement (IPCE) method and three-dimensional (3D) reconstruction technology is proposed. The evolution characteristics of two-dimensional (2D) and 3D spatial cracks in X-ray computed tomography (CT) images of sandstones subjected to triaxial compression with confining pressure of 10, 20, and 30 MPa are investigated. The equations of crack width, length, and dip angle are established based on the proposed digital damage ratio. Based on the pseudo color images, point cloud maps with roughness and spatial images of cracks are investigated. The numerical results show that this proposed method is effective to study and understand the fracturing properties of rocks.     

In situ X-ray micro-CT for investigation of damage evolution in black shale under uniaxial compression

Crack damage evolution of shale is crucial to the hydraulic fracturing treatment and engineering stability. Although many effects have been done on the macroscopic characteristics of shale, yet the microscopic failure mechanism is not well understood. A uniaxial compressive test on black shale was conducted under topographic monitoring using in situ X-ray micro-tomography (µCT). A series of high-resolution reconstruction images were obtained by carrying out CT scans at six key points throughout the test to obtain the internal structure of shale sample. In addition, the CT values for the purpose of crack damage evolution in shale were identified. Clear 2D/3D CT images, CT value analysis and image segmentation analysis reveal that the sample experiences compression, damage, cracking, crack propagation, and collapse stages. Crack geometry and distribution in the shale sample is visualized by rendered CT images, and a combined tension and shear failure mode is observed from the fracture rose diagram. This work suggests that formation and propagation of fractures are influenced by the stratified structure and weak cementation medium between layers.     

Physical and numerical investigation of a cemented granular assembly of steel spheres

In this paper, steel spheres embedded in a cement matrix were studied using numerical and physical ISRM testing procedures. A challenge in discrete element simulations is to select appropriate micro‐mechanical models and parameters, to recover the observed macro‐mechanical behavior. An ideal experiment on cohesive granular assemblies constructed identical to numerical ones would validate these micro models for a set of measured micro‐parameters. The first part of the paper summarizes the previous studies in this area, outlines such experimental methodology and depicts the steps followed for the preparation and the testing of cemented granular assemblies together with the derivation of micro‐parameters. The second part discusses the results of numerical and physical ISRM standard tests including uniaxial and triaxial compression, Brazilian tensile and shear box tests. Physical samples were prepared using steel balls bonded with Portland cement, cured under controlled laboratory conditions and tested in compression, tension and shearing. Acoustic emissions were monitored in uniaxial tests to characterize the damage thresholds relative to volumetric strains. Numerical simulations were conducted with PFC 3D using micro‐mechanical parameters derived from physical testing. Parametric sensitivity studies were carried out to look into the dependency of macroscopic responses on the parameters. The results from both numerical and physical tests showed good correspondence in macroscopic behavior i.e. peak strength, stages of damage, mode of failures. However, the numerical simulations reflected a stiffer mechanical response than physical assemblies. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

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VGG模型的岩石薄片图像识别

岩石薄片图像的复杂性和多解性,导致岩石薄片分类难度较大。尝试将深度学习方法应用于岩石薄片图像分类。实验选取了安山岩、白云岩、花岗岩等6种常见岩石种类的薄片图像,每类1000张图像作为实验数据,建立了岩石薄片分类的VGG模型,经过9万次训练后,测试集识别准确率达到了82%。对实验结果进行了分析,发现相似组成成分的岩石图像容易混淆,如白云岩与鲕粒灰岩均属于碳酸盐岩,容易相互误判。在安山岩特征图中提取出了斜长石斑晶和微晶及隐晶质或玻璃质基质,在鲕粒灰岩特征图中提取了鲕粒及填隙物中的亮晶方解石,也验证了方法的可靠性。