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     

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。     

碎石颗粒形态特征及其与堆积特性的关系

颗粒形态对碎石集料宏观力学性质有显著影响,准确描述其形态特征是从微细观层面研究材料宏观力学行为的基础性工作。针对颗粒形状、棱角、纹理3个尺度的形态特征,探讨了基于颗粒几何尺寸的量化表征参数;分析了不同粒组碎石颗粒形态特征表征参数的分布规律;结合单粒组颗粒堆积试验,讨论了颗粒形态特征与堆积孔隙率的关系。有以下结论：（1）提出的以周长为核心表征的颗粒形态特征量化参数,对颗粒形态以及形状、棱角、纹理3个尺度形态特征具有较好甄选能力;（2）基于每个粒组1 000个颗粒样本统计分析表明,描述颗粒形态及形状、棱角、纹理特征的参数均符合对数正态分布;（3）颗粒集合体的综合棱角、纹理指数与松堆和密堆条件下的孔隙率具有较好的映射关系,颗粒棱角与纹理是影响堆积孔隙率的主控因素。     

碎石颗粒形状测量与评定的初步研究

颗粒形状是影响碎石料密实特性及力学、渗流特性的因素之一。选取粒径为2～5 mm和5～10 mm的两组灰岩碎石颗粒样本作为研究对象,采用影像测量仪和特制夹具,获取不同旋转角度下的颗粒轮廓影像;使用图形处理软件获得颗粒几何尺寸测值;计算获得各旋转角度下常用颗粒形状评定参数值,运用其平均值进行统计分析,避免了依据单一角度测值评定伴随的人为因素影响。结果表明,灰岩碎石颗粒与标准圆有较大差异, 且粒径大者差异性更明显;两组样本颗粒形状参数均服从偏态分布;长宽比、扁平度和球形度能够更敏感地反映颗粒偏离球形颗粒的程度,而长宽比和球形度便于获取,因而更具优势。     

Evaluation of image analysis methods used for quantification of particle angularity

Angularity is an important parameter in the characterization of particle morphology that is used to interpret the transport history of particles in sedimentary deposits. In the past, visual classification using silhouette charts was widely used to determine particle angularity, but this approach is subjective and time‐consuming. With advances in modern image analysis techniques and low‐cost software packages, it is possible to rapidly quantify particle angularity more objectively than using visual classification methods. This study re‐examines the performance of three existing image analysis methods and one new image analysis procedure, applied to six rock and sediment samples that were visually different in angularity. To facilitate comparison between the angularity results, measurements were reduced to rankings for each aggregate sample. These results show that the four image analysis methods rank the angularity of the samples differently, and that none rank the mean angularity index in the same order as the angularity ranking using visual classification. Therefore, further research is needed to develop an image analysis method that can quantify the angularity of sedimentary particles more precisely.     

Influence of particle shape and angularity on the behaviour of granular materials: a numerical analysis

This paper analyses the influence of grain shape and angularity on the behaviour of granular materials from a two‐dimensional analysis by means of a discrete element method (Contact Dynamics). Different shapes of grains have been studied (circular, isotropic polygonal and elongated polygonal shapes) as well as different initial states (density) and directions of loading with respect to the initial fabric. Simulations of biaxial tests clearly show that the behaviour of samples with isotropic particles can be dissociated from that of samples with anisotropic particles. Indeed, for isotropic particles, angularity just tends to strengthen the behaviour of samples and slow down either local or global phenomena. One of the main results concerns the existence of a critical state for isotropic grains characterized by an angle of friction at the critical state, a critical void ratio and also a critical anisotropy. This critical state seems meaningless for elongated grains and the behaviour of samples generated with such particles is highly dependent on the direction of loading with respect to the initial fabric. The study of local variables related to fabric and particle orientation gives more information. In particular, the coincidence of the principal axes of the fabric tensor with those of the stress tensor is sudden for isotropic particles. On the contrary, this process is gradually initiated for elongated particles. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.     

准噶尔盆地阜东斜坡区侏罗系沉积特征

通过对准噶尔盆地阜东斜坡区侏罗系的沉积背景,沉积岩成分,结构、构造及岩性序列等综合研究表明,该区侏罗系具有较好的旋回性,可划分为６个沉积层序和两个构造层序,侏罗系沉积物具有较低的成分成熟度和中等结构成熟度,粒度概率图及沉积构造均显示其具有牵引流沉积特征及三角洲沉积序列。在研究区侏罗系发育南、北两大特源区及方向的水系,据此可识别出辫状河,辫状河三角洲、曲流河、正常三角洲、滑塌浊积扇和湖泊等多种沉积体     

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。     

泥石流堆积物的粒度分布及其分形结构

泥石流堆积物主要由砾石、砂砾、粉粒和粘粒组成,组成泥石流堆积物的颗粒级配变幅很大,从直径大于数十米的巨砾到肉眼难以看见的几微米的胶体微粒均有分布,大小颗粒粒径之比可达106—107。泥石流堆积物颗粒具有明显的自相似性和无标度区间。本文以小江流域多处泥石流堆积物为研究对象,采用图解法全面分析了泥石流堆积物的粒度组成特征,根据分形理论计算了泥石流堆积物颗粒的分维值,对泥石流堆积物的分形特征进行探讨,并与泥石流堆积物粒度特征相联系,发现分维很好的反映了泥石流堆积物颗粒组成及其粒度分布特征。将泥石流堆积物颗粒分维与泥石流的粘性、形成年代等性质相联系,以找出它们彼此之间的关系。     

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。     

基于粒度参数特征对黄河后套平原段岩芯沉积环境的分析

基于现代地表不同沉积环境组成物质的粒度组合特征,采用粒度特征的多种图解方法建立了沉积物粒度特征与沉积环境之间的对应关系,进而对黄河后套平原段2个深约20 m的钻孔岩芯进行了沉积相的解译。研究结果表明,晚第四纪该区钻孔沉积环境经历了多次相变,但仍以河床相为主,分别占到68%和57%,说明黄河在该区存在多个沉积旋回,摆动频繁;而沙漠相仅在钻孔DKZ04顶部出现,指示了磴口以西乌兰布和北缘连续的沙漠景观出现的时代较晚,可能是2 000年以来受黄河河道向南迁移废弃导致的湖泊干涸和荒漠化以及大规模人类活动导致的土地荒漠化共同作用而形成的。     

地表的分形测量及其大地构造学意义

以湖北红安地区为例,采用投影覆盖法(projectivecoveringmethod)对地表进行了二维分形测量,结果表明,地表面积具有双分形(bifractal)关系,即具有小尺度的结构分形(texturalfractal)和大尺度的构造分形(structuralfractal),分叉点(breakpoint)的尺度为3610m,分维值都在2～3之间且结构分维值大于其构造分维值。可见,地表形态具有分形性质,分维值可以指示地表形态的复杂程度。构造分维值可作为构造活动强度的一个指标,可为大地构造单元的划分提供定量依据。复杂地表形态主要是由构造活动(内营力作用)和各种复杂表生地质作用(外营力作用)引起的,前者主要控制大尺度的地形起伏,后者则塑造小尺度的地表形态。地表分维值可以指示地表的发育成熟度,该地区小尺度的结构分维值大于大尺度的构造分维值表明其处于地表形态的发育晚期。此外,地表的分形尺度可以来用确定构造活动尺度,从而指导构造地质与找矿勘探研究。     

赵凹油田安棚区核三下段的沉积模式

在对赵凹油田安棚深层系核（核桃园组）三下段砂体的研究中，从岩性特征，结构和成分成熟,沉只构造及古生物特征等方面总经了该区沉积的相标志，结合研究区的沉积背景，笔者认为该区沉积环境为扇三角洲相，并进一步划分了亚相和同相，提出了研究区扇三角洲相的沉积模式，并对扇三角洲砂体的类型进行了研究。该区发育扇三角洲前缘亚相和前扇三角洲两种亚相，近岸水道和远岸水道微相比较发育；距离物源较近，沉积物搬运距离短，沉积物粒度较粗，结构成熟度和成分成熟度较低，水动力较强，在砾岩和粗砂岩中发育有块状层理，平行层理和交错层理，砂体类型对储集层物性有明显的控制作用。     

东营凹陷永55区块沙四上亚段深水浊积扇沉积与油气

深水浊积扇是东营凹陷北部陡坡带永55区块沙四上亚段最发育的沉积相,也是最有利的砂砾岩储层。在岩心观察基础上,通过薄片鉴定、粒度分析等测试手段,综合地质、物探和测井资料,对永55区块砂砾岩体储层的沉积特征进行了研究。结果表明,本区深水浊积扇沉积具有如下特征：(1)岩石成分成熟度和结构成熟度均较低;(2)碎屑物质以递变悬浮搬运为主;(3)沉积构造具有典型的重力流成因特征;(4)岩心中见典型鲍马沉积序列。建立了深水浊积扇退积型沉积模式,并进一步细分为内扇、中扇和外扇3个亚相及4个微相。位于中扇的辫状沟道砂体物性好,可以构成优质储层,较深湖暗色泥岩为主要的烃源岩和盖层,本区生、储、盖发育齐全,有着良好的勘探开发前景。     

Fractal analysis of magnetite grains — implications for interpreting deformation mechanism

In the present study, the grain size (d) and shape of 225 magnetite grains, that crystallized at T>600°C in a syntectonic granite (Godhra Granite, India) are evaluated and implications of data to decipher deformation mechanism of magnetite are discussed. Fractal (ruler) dimension (D) analysis of magnetite grains is performed and it is demonstrated that they show fractal behaviour. Smaller magnetite grains tend to be more serrated than the larger ones, which is manifested in the higher fractal (ruler) dimension (D) of the former. Assuming a natural strain rate ranging between 10⁻¹⁰ s⁻¹ and 10⁻¹⁴ s⁻¹, the grain size data fall dominantly in the dislocation creep field of the existing deformation mechanism map of magnetite for 630°C. However, SEM-EBSD studies reveal that subgrains are absent in the magnetite grains and they did not undergo dislocation creep. Thus it is inferred that the shape of magnetite grains was not controlled by dislocation creep. It is concluded that the higher serration and increased fractal dimension of finer magnetite grains implies the importance of diffusion creep as an important deformation mechanism at high-T for magnetite in polymineralic rocks.