基于数字图像的土、岩和混凝土内部结构定量分析和力学数值计算的研究进展

土、岩及混凝土是一种内部结构极其复杂的材料,内部细观组成和结构决定了它们在外力作用下内部应力和应变等物理场的分布状态,在很大程度上控制了它们的宏观力学响应和破坏机理和过程。自1995年以来,数字图像处理技术作为一种材料细观空间结构及几何形态的精确量测和数字表述手段快速地被应用于沥青混凝土、水泥混凝土、土和岩体材料细观结构定量分析中来。本文在研究相关文献的基础上,分析和研究了数字图像技术在土、岩及混凝土内部结构定量分析和力学数值计算中的发展过程和研究成果,内容包括:单个骨料颗粒形态特征定量分析;土、岩和混凝土内部结构定量分析;岩体结构定量分析中的应用;基于数字图像处理的土、岩和混凝土细观结构力学计算。在此基础上,本文进一步对数字图像技术在岩土领域中的应用进展及未来的发展趋势进行了探讨,认为数字图像作为一种空间分布测量手段和数字表述方法使得它具有巨大的潜力,特别是在岩土领域的纵深发展过程中,它可能实现考虑细微观结构性的岩土力学和工程分析和预测的、新的方法和理论。     

数字地质调查系统中1︰2.5万实际材料图-1︰5万编稿原图制作新方法研究

信息化建设被誉为新时代地质工作转型升级的两大引擎之一,1︰5万地质图空间数据库是信息化建设的重要数据支撑,承担着从地质调查向服务应用转变的纽带作用,因此高质量、高效率的完成地质图空间数据库建设就显得十分重要.地质图空间数据库建设过程中1︰2.5万实际材料图与1︰5万编稿原图的制作是重点,在传统的建库流程中,存在诸如地质界线、地质面属性容易错填、漏填、地质体标注重叠、裁剪后需再次合并等问题,影响了工作效率.本文依托地质图空间数据库建设的实际经验分享建库的新方法,并对操作技巧与质量监控进行了详细介绍.该方法既能解决传统方法的不足,又能保证数据质量,提高建库效率.     

碳酸钙纳米孔隙中凝聚水数学模型及实验研究

岩石纳米孔隙中的凝聚水与许多水文地质工程地质问题关系密切：干旱区凝聚水是维持当地生态平衡的重要水资源,石雕石刻文物保护中凝聚水问题是需要考虑的关键因素之一,页岩气工程中页岩纳米孔隙中的凝聚水对页岩气的聚集和流动有重要影响,全球碳循环问题中凝聚水会影响C02与碳酸盐岩的作用。本文给出了单位体积岩石形成的凝聚水的质量与温度、相对湿度、孔隙度、颗粒大小之间数学关系式。在这一关系式中,通过分离压理论计算吸附水,通过开尔文方程考虑了毛细作用。把解析计算结果与三个平行样四个不同湿度下的凝聚水量实验值对比,对所提出的数学表达式进行了验证。实验时选取直径500 nm的碳酸钙球形颗粒,采用夯实的办法加工成样,把样品置于恒温恒湿环境中令水汽在孔隙中凝聚,定期对样品称重计算凝聚水质量,直到凝聚过程达到平衡。     

近40年黄河流域资源环境格局变化分析与地质工作建议

为保护黄河流域矿区生态环境,以府谷县庙哈孤矿区安山煤矿125203工作面为背景,采用数值模拟实验、相似材料模拟实验和理论分析相结合的手段,基于工作面过双沟地形开采时地表裂缝发育位置、发育形态等参数,总结出开采诱发地表裂缝发育规律。通过理论分析,建立了浅埋煤层过双沟地形开采地表裂缝发育相对位置函数T及其判别条件,讨论了双沟地形沟谷参数与地表裂缝发育相对位置之间的关系。研究表明,工作面过支沟G1时,共发育地表裂缝4条,最大裂缝宽度23 cm,最大错台11 cm,裂缝发育超前于工作面推进;过主沟G2时共发育地表裂缝7条,最大裂缝宽度79 cm,最大错台45 cm,裂缝发育滞后于工作面推进。裂缝发育相对位置受地质条件、沟深、坡度和沟谷跨度等因素共同影响。地表裂缝发育相对位置函数与裂缝超前(滞后)距离、裂缝宽度和错台以及单沟裂缝总条数密切相关。双沟相互影响程度与工作面推进方向有关。研究结果可为浅埋煤层沟谷下开采地表裂缝发育研究提供一定的理论依据。     

基于正交设计的岩石相似材料配比研究及底摩擦物理模型试验应用

在铁精砂胶材料基础上,加入黏土作为增塑剂,应用正交设计法,以黏土/(骨料+黏土)、(铁粉+重晶石粉)/骨料、铁粉/(铁粉+重晶石粉)及石膏/混合料为4个因素,每个因素设置5个水平,共25组材料配比方案,开展相关试验测定了各组材料的密度、抗压强度、抗拉强度、弹性模量、泊松比、内摩擦角及黏聚力等参数指标,并研究了参数与影响因素之间的变化规律。基于上述分析,配制了两种不同岩石相似材料,并开展了相关底摩擦模型试验。研究结果表明:(1)根据配比方案所配制的相似材料物理力学参数分布范围广,可满足不同岩性相似材料的配制需求;(2)各个因素对相似材料物理力学参数影响效果规律性强,便于通过调节配比模拟不同岩石材料;(3)应用配比方案对两种岩性差异较大的岩石相似材料进行配制,其物理力学参数与原岩具有较高的吻合度;(4)基于所配相似材料开展的反倾边坡底摩擦模型试验具有很好的试验效果。     

岩质边坡表层黏性客土抗裂特性试验研究

客土喷播是当前对于裸露岩质边坡生态修复的一种常用技术。然而,边坡表层黏性客土在干旱的气候条件下,内部水分大量流失将容易产生干缩、开裂现象,进而影响坡面的整体稳定性,以及表面植被的生长。本文针对边坡表层黏性客土开裂问题,通过改变土体厚度,以及制备不同聚氨酯（PU）浓度的高分子复合黏性客土,开展一系列室内蒸发试验,以分析土体表面裂隙发育特征,并结合数字图像处理技术（PCAS）,对裂隙网络的几何形态进行定量分析,进一步探究土体厚度和高分子添加剂浓度对其裂隙发育的影响。     

填料对地热井固井材料导热性能的影响

在地热井固井水泥中加入导热填料能够明显改善水泥石导热性能,提升地热井取热效果。在总结导热路径理论和紧密堆积理论的基础上,通过试验研究不同填料种类、粒径及掺量对固井水泥导热性能的影响。试验结果表明：较其他种类填料,石墨对水泥石导热性能提升效果最好;石墨粒径越大对应水泥石导热系数越高。不同粒径的石墨混合,较单一粒径石墨对水泥石导热性能的提升效果更好,其最优混合配比为：石墨粒径为150 μm与100 μm,质量比为2：1。随着石墨掺量增加,固井材料的导热系数逐渐增大,但流动度和48 h抗压强度逐渐降低。参照固井相关规范,提出固井材料中石墨掺量应控制在9%左右为宜。研究成果为地热井高导热固井材料的制备提供借鉴。移动阅读     

高温高压条件下纳米材料强度的测试和分析方法

基于高温高压同步辐射X射线衍射和飞行时间中子衍射实验,我们提出了一种通过衍射研究纳米材料本征力学性能的方法.实验通过高压压缩实验对纳米晶和微米晶Ni的变形行为进行了对比研究;二者在不同压力下的晶胞体积数据表明,纳米晶Ni具有明显的弹性软化现象,体弹模量比微米晶Ni减小约10%.研究结果表明,纳米晶Ni的整体抗压缩性减小是由于该材料纳米晶壳层呈现为张应力状态,具有较低的抗压缩性,这与分子动力学模拟结果一致.基于该方法,通过定量分析衍射峰的宽化和偏移,我们可以获得晶粒之间的高应力聚集区所产生的"微观/局部"屈服,以及整个样品在应力下所产生的"宏观/整体"屈服.我们的应变/应力图形分析方法还可以研究材料的屈服强度、高温高压条件下的晶粒破碎/长大、加工硬化/软化,以及多晶体中的固有残余/表面应变.本文提出的方法可以用于岩石矿物的高温高压流变强度的定量测定,为研究岩石圈以及地幔物质的蠕变对流提供了高科技的研究手段.     

微焦点CT在含能材料密度测试中的应用研究

本文利用微焦点体积CT(μVCT)技术和同步测试方法,研究含能材料体密度与体积CT灰度值的相互关系,探讨相近密度范围内含能材料试件的密度测试方法。采用该方法可以分辨出样件间0.1%的密度差;在样件密度变化范围为2.5%时,试件体密度-体积CT灰度值的线性相关系数达到0.999。     

测定一块岩石成岩压力的可能性

用一种超低弹性模量(约为0.01MPa)且具有光弹性的软材料铸模的自重卸荷实验证明了固体材料对它的固化压力具有“记忆”的属性。根据成岩地质体在开挖条件下实测位移场特征和用具有“记忆”性能的相似材料所做的开挖模拟实验结果分析,岩石很可能也具有这种属性。这就为测定岩石成岩压力的可能性提供了重要的理论依据。