不同粒径黄砂岩微观−宏观裂纹演化机制研究

为了探讨粒径对黄砂岩微观-宏观裂纹演化机制的影响,系统地开展了不同粒径黄砂岩单轴压缩声发射试验。基于声发射监测技术以及震源机制反演方法,对岩石变形破坏过程中微裂纹演化机制进行了研究,同时利用电镜扫描技术与几何分形理论,对破坏后的砂岩表面裂隙宏观形态及试件断口的微观形貌特征进行了分析。试验结果表明：粒径的大小、胶结物类型的不同均可影响岩石强度,通过室内试验得出随着黄砂岩粒径的逐渐增大,其峰值应力呈逐渐下降的变化趋势;对比不同粒径黄砂岩试件变形破坏过程中的声发射改进 b 值（ bI 值）与平均声发射能率,所有试件峰值破坏前平均声发射能率均存在“激增”与“激降”现象,且声发射 bI 值在砂岩试件达到峰值破坏时下降到最小值,该现象可以作为岩石的失稳破坏前兆特征;随着构岩矿物颗粒粒径的增大,岩石内部微裂纹的破坏模式由张拉型为主导向剪切型为主导进行转变;破坏后岩样表面宏观裂隙的分形维数随着岩石粒径的增加呈现下降的变化趋势,即粒径大小对岩石表面宏观裂隙演化过程具有一定控制作用。     

动荷载和含水率对红砂岩破坏及能耗特性的影响

地下工程岩体爆破开挖过程中,动荷载和地下水对工程岩体的安全稳定具有显著影响。为研究动荷载和含水率对岩体破坏和能耗特性的影响,利用改进的SHPB试验装置,设置4个冲击速度和6个含水率等级,对红砂岩进行动态冲击试验。通过分析不同含水率工况下能量反射率、透射率和耗散率的变化规律,构建红砂岩能耗特性与含水率的经验模型;对破坏试样进行筛分试验,根据破碎分形理论,研究岩石破碎分形维数随含水率的变化规律。结果表明：（1）同一冲击速度下,能量透射率和含水率具有指数函数关系且呈负相关,能量耗散率随含水率先增大后减小且具有二次函数关系;（2）同一含水率下,能量透射率和冲击速度呈负相关,能量耗散率和冲击速度呈正相关;（3）在出现宏观破坏的试样中,红砂岩的破坏程度随含水率的增加而增大,且在含水率为1%处出现拐点,破碎分形维数和含水率具有指数函数关系。     

瓦斯压力影响下煤岩力学性质与冲击能量指数演化规律及机制

深部煤层冲击地压诱发瓦斯涌出、突出事故频繁发生,对井下安全生产带来了巨大威胁,厘清瓦斯对煤岩力学性质、冲击倾向性演化规律是建立有效防治手段的基础。运用物理试验方法,基于自主研发的可视化煤岩流?固耦合试验系统,研究瓦斯压力影响的煤岩吸附、力学性质及碎块分布规律,分析瓦斯影响的煤岩冲击能指数演化特征与机制。结果表明:具有强冲击倾向性煤岩的瓦斯等温吸附曲线符合Langmuir模型,随瓦斯压力升高,煤岩软化特性越发明显,弹性模量、软化模量均呈阶段性降低,瓦斯对二者在煤岩峰值前后具有不同的影响效果且存在临界压力,试样破坏形式呈“脆性张拉→剪切→张拉+塑性流动”过渡,冲击能指数与试样碎块尺度均呈先减小后增大的“V”形变化特征,破碎后具有更多盈余能;含瓦斯煤岩小尺度碎块是灾害发生的客观条件,瓦斯膨胀能为煤体动态失稳提供了额外的能量,增大了冲击地压发生过程的强动力性和破坏性,这种煤岩基质骨架与瓦斯运移的固?流耦合降低了冲击地压发生的临界指标且具有更高的致灾潜能。研究成果与启示为进一步判定深部高瓦斯煤层灾变倾向并建立行之有效的防治手段提供了试验基础和研究思路。      

黔北寒武系牛蹄塘组页岩孔隙分形表征

页岩的孔隙结构是影响页岩气赋存和流动的关键因素,分形维数可以用来定量描述页岩孔隙结构的复杂程度。以黔北地区牛蹄塘组富有机质页岩为例,在扫描电镜、页岩地球化学和矿物组成分析基础上,利用高压压汞和低温氮气吸/脱附法研究了页岩孔隙结构特征参数,利用FHH模型计算了孔隙分形维数,讨论了孔隙结构的影响因素。研究发现：(1)下寒武统牛蹄塘组富有机质页岩石英含量为39.0%～68.4%;黏土矿物含量为11.5%～28.2%;有机碳含量为2.77%～5.81%,平均为3.81%;有机质成熟度高。(2)氮气吸脱附数据显示BET比表面积为11.954～21.744 m²/g,平均为14.572 m²/g;总孔体积为0.018 6～0.025 9 cm³/g,平均为0.021 4 cm³/g;平均孔径范围在4.773～7.025 nm,平均为5.967 nm。微孔对总比表面积贡献大,而中孔和宏孔对孔隙体积贡献大。(3)基于低温氮气吸附数据获得的页岩孔隙分形维数D₁和D₂分布相对...     

单轴压缩下酸腐蚀花岗岩能量演化与分形特征

利用单轴压缩、声发射监测及X射线衍射试验手段分析了不同腐蚀时间花岗岩力学特性,获得了声发射特征参数变化规律,从腐蚀机制角度分析了花岗岩内部结构劣化原因,并对岩样破坏过程中能量演化规律及破碎分形特征进行研究。主要结论如下：随着腐蚀时间增加,单轴抗压强度和弹性模量分别降低了25.6%和38.3%;声发射累计振铃计数降低,高水平声发射振铃计数持续时间缩短;岩样内部结构因矿物成分分解而劣化,而二氧化硅悬浮物又会延缓这一劣化,导致力学参数折减速率与腐蚀时间呈负相关;塑性阶段之前,腐蚀岩样耗散能增长率较大,其内部损伤已经快速发育,耗散能也处于较高水平,在塑性阶段,损伤发育程度低于未腐蚀岩样;耗散能随腐蚀时间增加而降低,但耗散能占比由29.1%升高到35.0%,延性提高;总能量和弹性应变能的峰值、增长速率均随着腐蚀时间增加而减小,内部结构劣化程度增大,岩样吸能能力和储能极限降低;破坏模式由剪切-劈裂破坏转变为剪切破坏,中、小粒径碎块质量占比由44.6%降低到22.8%,破碎分形维数降低了9.5%,破碎程度降低,用于破碎的耗散能也随之降低。     

植被发育斜坡土体干缩裂缝发育规律的实验研究

为了得到斜坡非饱和带土体失水过程中干缩裂缝的发育规律,实验室条件下,将不同粒度组成的四组植被发育斜坡非饱和带土样饱和以后恒温失水,获取裂缝形成和发展过程中形态特征,并计算分析其裂隙率和裂缝盒维数的变化规律;基于Image J软件计算裂缝发育稳定时被裂缝切割形成的块区个数和各块区面积。研究结果表明:在裂缝发育过程中,土样的裂隙率和盒维数呈上升的趋势,且两者呈显著正相关关系,裂隙率总体上符合三阶段变化规律;颗粒组分越粗,裂缝发育越缓慢,其盒维数越小,裂缝形态相对规则;裂缝发展稳定时裂缝块区面积分布范围越广,块区面积越不均匀,裂缝切割土样形成块区个数越少。本文仅主要考虑了土样颗粒组成对裂缝发育的影响,其他影响因素有待进一步试验分析。     

多基线机载合成孔径雷达影像匹配的SANCC法

为了有效利用合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)多基线影像的几何信息和辐射信息,提高匹配精度,提出了一种适用于多基线SAR幅度影像的自适应归一化互相关系数和(sum of adaptive normalized cross-correlation,SANCC)影像匹配方法。该方法首先利用SAR成像参数、平台参数和物方高程范围构建匹配方向线;然后引入Gestalt原理的接近性和相似性原则对窗口内的像素加权,计算获得沿匹配方向线的SANCC值;最后采用winner-take-all(WTA)优化策略获取多基线影像的匹配结果和物方三维信息。利用国产机载SAR系统获取的多基线影像进行匹配试验,结果表明与常规的相关匹配方法相比,该方法可以获得更为密集、精确的匹配点,有效减少了由重复纹理造成的误匹配,并能较好地解决由纹理匮乏导致的匹配难题。     

基于遥感与GIS的中国湖泊形态分析

基于2010年Landsat TM/ETM数据,结合Google Earth影像和其他资料,采用面向对象的分类方法,以30 m的分割尺度对图像进行分割,并通过比值指数、归一化差值水体指数及谱间关系等指数来提取水体信息,将水体分为河渠、湖泊及水库坑塘3类,并对分类结果进行精度验证,最终得到中国湖泊空间分布信息;以此为基础,计算出反映湖泊形态的景观指数(如形状指数、近圆形指数及分维数等),并结合湖泊的面积和湖泊岸线长度来说明湖泊的基本状况及其形状的复杂程度。结果表明:利用面向对象分类方法可以得到较高的分类精度,3种类型水体分类的总精度为93%,湖泊分类精度达到90%以上;在中国内陆,面积大于1.0 km2的自然湖泊2 477个,总面积约77 934.72 km2;在5个湖区中,青藏高原湖区的湖泊面积最大,占湖泊总面积的54.34%,其形状指数和分维数均值为最小,湖泊形态比较简单;东部平原湖区降雨充沛,水系发达,其形状指数和分维数均值最大,湖泊岸线更加曲折,形态复杂多变;通过分析得出,形状指数与分维数有明显的相关性(R2=0.95),湖泊岸线分维数值越高,其形状指数越大,岸线越复杂。     

依初值与无初值单位四元数空间后方交会的比较

针对传统空间后方交会方法的解算结果受外方位元素初值影响较大的问题,该文分别就航空摄影测量及近景摄影测量不同条件下,采用依初值单位四元数空间后方交会解算与无需初值单位四元数空间后方交会解算进行对比分析。实验表明,航空摄影测量条件时,在小倾角情况下,两种方法所得检查像点的点位精度相当;当倾角较大时,依初值解算所得检查像点的总体点位精度高于无需初值解算所得精度;特大倾角时,依初值解算得不到正确结果,而无需初值解算仍有很好适应性。在近景摄影测量条件下,无初值解算有广泛的适应性,且所得的检查像点的总体点位精度高于依初值解算所得精度。     

对偶四元数GPS辅助光束法区域网平差

针对GPS辅助光束法区域网平差中线元素和角元素分而治之引起转动和平移的耦合误差问题,该文提出了一种基于对偶四元数的GPS辅助光束法区域网平差方法。利用对偶四元数统一描述像空间坐标系与WGS84坐标系之间的旋转和平移关系,建立对偶四元数GPS辅助光束法区域网平差模型,实现了区域网影像外方位元素以及待定点WGS84坐标的平差解算。实验结果表明,本算法具有对迭代初值无依赖性、迭代次数少和精度高的优点,为姿态稳定较差的轻小无人机影像的GPS辅助光束法区域网平差提供了一种新的思路。