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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 总被引：8，自引：0，他引：8
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。 相似文献
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土的微观结构决定了其物理力学性状,对于土体的微结构研究主要通过对土体的显微图像的定性和定量分析完成。而由于影响土体显微图像成像的因素较多,其往往不能直接用于定量分析,所以需要通过图像处理技术来相对准确地定量表达土体的孔隙和颗粒实际状况。本文利用Matlab,针对土体显微图像的特征,系统提出了Matlab条件下适用于土体显微图像全流程三阶段处理方法:图像预处理、图像分割和优化成像、图像定量统计。通过对比分析处理效果,提出图像不均匀背景消除、对比度调整、图像降噪、图像二值、优化成像、定量分析等方面处理步骤的适用函数和方法,为科研人员进行土体微结构图像定性和定量分析提供技术支持。 相似文献
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注浆技术作为一种有效的岩土工程施工方法,理论研究远落后于工程应用。在简要分析袖阀管注浆原理及注浆机制类型的基础上,采用岩土颗粒流程序,从微观上模拟了单孔条件下不同注浆压力对土体改性效果的影响,认为随注浆压力的提高,土体出现显著的压密效应,拉应力增加且范围扩大,并产生劈裂注浆效应,尤其是注浆孔周围土体,空间置换率较大;同时模拟了多孔状态下浆液扩散、土体压密及劈裂效应产生的过程,认为对于土体改性存在一合理的注浆压力,浆液挤压土体并在土体中产生劈裂缝,在多孔之间贯通、交叉,形成网状浆脉,土体得到整体改性。模拟结果与现场注浆试验取得了较为一致的结果,土体改性效果良好。 相似文献
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传统渗流-应力耦合模型仅考虑土体的各向同性特征,忽略了工程中应力与渗流的非线性影响,导致计算结果与实际情况偏差较大,由此,设计一种岩土基坑开挖过程中的周围土体渗流-应力耦合模型。搭建测试装置,利用瞬态试验法测定岩土基坑周围土体渗透率,分析岩土基坑周围土体基质块微观结构,得到土体变形方程并求解;从宏观角度分析土体应力,得到应力边界的面力结构,构建土体渗流-应力耦合模型。根据实际情况设定工程边界条件,选择某建筑工程中岩土基坑作为分析实例,测试结果表明,该模型计算结果与实际情况的误差低于0.2 m,可以为岩土基坑开挖提供参考。 相似文献
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土体的结构性研究是土力学研究中的前沿课题之一.工程土体在宏观上所表现出来的非连续、不均匀、各向异性和非确定性等复杂性特征, 从根本上取决于土体微观结构的非连续性和非确定性.可以说土体的复杂性是其介质结构与组分非线性的直接体现.因而, 对土体结构及其模型的研究, 成为土力学的核心问题之一.科学建立土体演化的结构控制模型, 进而建立基于土体微观结构演化机制的土力学模型和本构关系是土力学理论发展的新方向.从土体微观结构研究的进展出发, 探讨了土体结构演化机制和结构模型的特点, 进而指出土力学理论建模的新思路. 相似文献
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土体的微观结构是决定其工程特性的重要内在因素,但对于砂土而言,如何制备适合微观分析的样品以及快速准确量化结构参数一直面临诸多挑战。为此,提出一种真空冷冻干燥?注胶相结合的砂土样品制备技术,该技术可在有效去除土样水分的同时保持样品原状结构不被扰动,并可用于后续加工处理。针对不同粒度的砂土样品,分别使用扫描电子显微镜和光学显微镜对制备的试样进行观察,基于自主研发的土体微观结构定量分析系统SMAS对拍摄的照片进行精细量化分析,提出了由土颗粒数量、颗粒周长、表观孔隙率、形状系数、等效直径、分形维数和形态比等参数构成的量度指标体系对砂土样品微观结构特征进行定量评价。研究结果表明：提出的真空冷冻干燥?注胶相结合的砂土样品制备技术具有操作简单、稳定可靠等特点,能有效维持砂土的原状结构;比较而言,扫描电镜更适用于粉细砂的微观结构分析,而光学显微镜更适用于中粗砂的微观结构分析;SMAS能有效识别微观结构图像中的土颗粒及孔隙,为定量分析砂土或其他土体的微观结构特征提供了高效的工具。 相似文献
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长春季节性冻土地区土体微观结构与水分迁移的关系 总被引：1，自引：0，他引：1
利用扫描电子显微镜(SEM)技术,从土体微观结构特征出发,对长春—吉林公路某路段季节冻土的粒度成分、结构单元体成分、孔隙特征及结构特征进行了定量分析,并对其与水分迁移的关系进行了讨论。从SEM图像定量分析中可以看出,研究路段的土体,其微观颗粒——结构单元体、孔隙的定向性均较差,粒内微小孔隙发育,土体尽管在粘粒含量较高的情况下,也表现出孔隙主要在1~2μm内分布,即毛细孔隙极发育,说明样品具有各向同性的特点,即在外界条件相同的情况下水分迁移的通道在水平和垂直方向上具有相同的性质。 相似文献
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水泥改良冻土在融化压缩下的微观孔隙演变特征研究,对了解水泥改良冻土的过程具有重要意义。将水泥改良后的冻土进行融化压缩实验,通过冷冻干燥法对试验后的土样进行电镜样品制取并获取其微观特征图像。对试验土样进行比重测试,得到土样真实的三维孔隙比。最后以真实孔隙比作参考,确定图像分割所选取的灰度值并提取其孔隙特征。结合融化压缩试验结果,对水泥改良冻土的孔隙数量、面积、定向角及丰度值随改良土压缩量的变化关系进行了分析。研究结果表明:经过水泥改良后的冻土,大孔隙结构强度增大明显;随着水泥掺量及养护龄期的增加,孔隙比与孔隙面积变大,压缩量变小;随着土体压缩量的增大,孔隙的定向角分布逐渐由均匀状向锯齿状发展;土样压缩过程中,丰度值大于0.5的孔隙发生压缩明显,孔隙逐渐趋于细长状,并且随着压缩量的增大,孔隙丰度值的分布越来越趋于正态分布。孔隙微观结构演变研究为阐释水泥改良冻土宏观力学特性增强的机制提供了科学依据。 相似文献
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为了深入了解延安新区马兰黄土的粒间作用,揭示其湿陷机理。首先利用扫描电子显微镜观察了黄土的微观结构特征,并且利用IPP图像处理软件对黄土颗粒定量分析,论证了PFC2D软件模拟黄土粒间作用的可行性。然后,基于离散元理论,利用颗粒流PFC2D程序模拟了延安新区不同埋深原状黄土颗粒的分布情况及颗粒间相互作用,以一种直观的方法再现了天然黄土的微观结构特征。对比分析了不同深度黄土颗粒分布及接触力分布与湿陷性的关系。结果表明:骨架颗粒间的作用决定了土体的结构强度,尤其以团粒结构的接触力为主。随着深度的增加,黄土骨架颗粒由点接触方式逐渐过渡到团粒重叠接触,粒间接触力明显增强。PFC2D模拟方法为黄土湿陷性成因机理研究提供了新的思路。 相似文献
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砂土颗粒级配是影响砂土工程性质的重要参数之一，传统的颗分试验方法由于试验原理不同而具有不同的适用范
围。为更加方便、准确地获取砂土颗粒级配，提出了一种基于数字图像处理技术来获取SEM照片中的砂颗粒粒径参数及级
配特征的新方法。将准备好的砂土样品打磨成薄片放在扫描电镜下拍照，然后利用Photoshop软件对照片进行拼接，并采用
自主研发的SMAS数字图像分析系统对拼接好的照片进行定量分析处理，获取样品的微观结构参数，将获得的“土颗粒等
效直径”和“土颗粒面积”分别等效为实际土颗粒粒径和土颗粒质量，进而换算得到砂土的颗粒级配曲线；然后将通过数
字图像技术获得的砂土颗粒级配曲线与通过传统筛分法和激光粒度分析法得到的颗粒级配曲线进行对比，验证了提出的数
字图像处理方法的有效性和可靠性，同时分析了两种方法之间存在的差异及其原因，并对数字图像处理方法和传统颗分方
法各自的优缺点进行了讨论。 相似文献
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砂土颗粒级配是影响砂土工程性质的重要参数之一,传统的颗分试验方法由于试验原理不同而具有不同的适用范
围。为更加方便、准确地获取砂土颗粒级配,提出了一种基于数字图像处理技术来获取SEM照片中的砂颗粒粒径参数及级
配特征的新方法。将准备好的砂土样品打磨成薄片放在扫描电镜下拍照,然后利用Photoshop软件对照片进行拼接,并采用
自主研发的SMAS数字图像分析系统对拼接好的照片进行定量分析处理,获取样品的微观结构参数,将获得的“土颗粒等
效直径”和“土颗粒面积”分别等效为实际土颗粒粒径和土颗粒质量,进而换算得到砂土的颗粒级配曲线;然后将通过数
字图像技术获得的砂土颗粒级配曲线与通过传统筛分法和激光粒度分析法得到的颗粒级配曲线进行对比,验证了提出的数
字图像处理方法的有效性和可靠性,同时分析了两种方法之间存在的差异及其原因,并对数字图像处理方法和传统颗分方
法各自的优缺点进行了讨论。 相似文献
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循环应力比和振动频率对盐渍土微观结构影响分析 总被引：1，自引：1，他引：0
以青海省察尔汗地区盐渍土为研究对象, 借助扫描电子显微镜（SEM）设备和颗粒孔隙及裂隙图像识别与分析系统（PCAS）, 应用图像分割原理和分形理论, 对交通循环荷载作用下的盐渍土微观结构进行研究, 探讨不同循环应力比和不同振动频率下孔隙分布特征及其微观机制。结果表明： 循环应力比R由0.375增加到0.75, 临界破坏动应变由2.32%增高到3.17%, 动载循环次数相应减少; 振动频率f由0.5 Hz增加到2.0 Hz, 临界破坏动应变由2.82%减小到2.48%, 动载循环次数相应增多; 盐渍土孔隙参数随循环应力比的增大, 孔隙尺度分维值Dv 增长了0.12, 概率熵Hm 减小了0.017, 孔隙的形态分形维数D减小了0.27, 平均形状系数F增加了0.14, 变化规律较明显; 随振动频率的增大, Dv 增长了0.014, Hm 减小了0.002, D变化了0.06, F变化了0.003, 变化规律不明显; 在动荷载作用下, 试样的孔隙空间排列与宏观上的褶皱鼓状变形具有一致性。通过未加载试样与加载后试样的微观结构参数变化对比, 从循环应力比和振动频率对盐渍土微观孔隙特征的影响到宏观变形的相互作用机制进行了系统分析。 相似文献
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在地质环境下,岩石表现出众多复杂的工程特性和现象,且都与其内部微细结构的形态和变化有关。定量给出岩石细观结构特征参数并研究其与宏观力学作用之间的关系,能够进一步了解岩石的力学变形特性。对某水电站引水隧洞围岩大理岩试样破坏断裂断口采用电镜扫描,得到断口处的SEM大量信息,然后利用计算机图像处理分析技术,借助模式识别理论,以微细结构要素的信息提取和量化为主要的研究内容,探讨了岩石微细结构与宏观力学行为的关系。通过定量的岩石细观结构试验研究,从细观尺度了解岩石破坏机制具有重要意义,对分析和评价岩石的工程性质及其对工程建设的适应性也有着明显的现实性。 相似文献
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为探究石灰掺量对黄土强度的影响规律及其微观机制,采用不同比例的生石灰对黄土进行改良。开展了直剪试验、压汞试验及扫描电镜测试,定性和定量分析素黄土及不同石灰掺量改良黄土的强度特性和微观结构变化规律,并对石灰改良黄土的微观机理进行较为深入的分析。结果表明:石灰改良黄土的抗剪强度参数随着石灰掺量的增大出现先增大再减小的变化规律,在石灰掺量约为8%时,其黏聚力和内摩擦角达到最大值;石灰的掺入使黄土骨架颗粒之间及其表面附着的胶结物逐渐增多,孔隙被胶结物质填充,土体中的不稳定孔隙逐渐减少,整体性增强;但当石灰掺量过大时,多余的石灰会堆积于团粒之间,影响团粒之间的胶结。石灰改良黄土强度提高的原因是石灰水化反应生成的胶结物质增强了土颗粒之间的胶结程度,增大颗粒间的相互摩擦,使土体结构更加稳定,提高土体强度;石灰掺量过高时,改良黄土抗剪强度降低是因为过量的石灰影响了土颗粒之间的胶结作用。研究成果既是对黄土强度特性及微观结构理论研究的丰富与充实,又可以为改良黄土工程设计的相关参数选取提供参考依据。 相似文献
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