显微CT扫描南京粉砂空间孔隙结构的精细化表征

孔隙结构是反映土体物理、力学性质变化的本征指标,传统医用CT分辨率尺度不足以辨识表征岩土体细观结构的单个颗粒或孔隙。使用了14μm高空间分辨率的工业显微CT,对砂雨法生成的南京粉砂试样进行了扫描。对CT图像预处理后所得二值数字图像序列进行了三维重构,实现了任意表征单元体(REV)提取,并可对REV采用三维二值矩阵加以表征与定量分析。通过分析断层图像序列,计算出土样整体的体积孔隙率,与实验孔隙率误差仅3.93%。沿试样高度计算表观孔隙率在20.97%~46.77%范围内波动。从试样底部一REV中提取出水平方向、与水平面成60°角以及两正交垂直方向共4个典型切面,对其孔隙定向性进行统计分析,结果表明,水平切面具有最小主定向角,两正交垂直切面中,一个具有最大主定向角,另一具有最小各向异性率,斜切面孔隙呈近似等向分布,无明显定向性。采用孔隙网络模型进行空间孔径定量分析,结果发现,所提取出3个REV的最大孔径分布在629~696μm,最小孔径分布在54~77μm,平均孔径分布在166~185μm,孔径分布在100~200μm范围内最为集中。方法可用于热、水、力等各类因素作用下土体空间孔隙结构的无损定量分析。     

孔隙结构特征及其对岩石力学性能的影响

 以砂岩为研究对象,利用统计学原理和FLAC3D软件重构了三维孔隙模型。在三维孔隙模型的基础上,应用数值模型试验的方法,通过多组孔隙分布特征参数的巴西圆盘劈裂数值模拟试验,分析并探讨了孔隙结构参数(孔隙率、孔径分布和空间位置分布)对孔隙砂岩力学性能的影响。研究结果表明：孔隙率严重地影响着孔隙圆盘模型的破坏状态,孔隙率较小时圆盘以拉伸破坏为主,孔隙率增大时出现拉伸和剪切共同作用的破坏方式。随着孔隙率的增大,圆盘模型的抗拉强度呈指数递减的趋势;随着孔径分布控制参数的减小,圆盘劈裂破坏区域增大且更加分散。当孔隙率较小时孔径分布对抗拉强度有一定的影响;孔隙空间位置的改变对圆盘破坏的影响主要体现在裂纹产生的位置上,没有改变圆盘的破裂方式和裂纹的数目,对圆盘抗拉强度也没有太大的影响。研究结果揭示了孔隙岩石变形破坏的内在机制,为研究孔隙结构参数对岩石物理力学性能的影响提供一定的参考。     

基于CT图像及孔隙网格的岩芯孔渗参数研究

岩石孔隙结构特征是影响储层流体(油、气、水)的储集能力和油气资源开采的主要因素。明确岩石的孔隙结构特征是充分发挥油气产能和提高油气采收率的关键。岩石微观孔隙结构模型重建基于真实岩石微观图像,可以有效再现天然岩石的复杂孔隙结构特征。基于岩芯三维CT图像与图像分割技术,采用Matlab编程求解了岩芯的孔隙度及孔径分布数据。通过编程构建了能够真实反映原始岩样孔隙形态的结构化网格模型,并基于该模型求解了岩样的渗透率数据。计算得到的孔隙度及渗透率数据均与实验结果较好吻合。     

基于CT试验的混凝土裂纹扩展演化研究

针对混凝土宏观性能指标与破坏特性细观参数之间关系的技术难题,采用工业CT对单轴压缩条件下的混凝土试样进行了CT扫描试验;利用图像处理技术对混凝土CT图像进行分析,得到不同加载阶段混凝土孔隙和裂纹的三维细观模型及孔隙率变化规律。运用分形理论建立了CT图像分形维数计算模型,对混凝土CT图像分形特征进行了研究。结果表明:混凝土孔隙体积和分形维数的快速增大是混凝土失稳破坏的预警信息;利用混凝土CT三维重建图像结合分形理论观察研究混凝土裂纹扩展全过程,为有效分析混凝土细观损伤破坏提供了新技术。     

显微CT观测下的煤吸附甲烷过程中的孔隙

采用μCT225kVFCB型高精度显微CT试验系统和自主研制的细观吸附实验装置,进行显微CT观测下的沁水煤田3#煤层煤样的吸附甲烷实验,通过平面图像和三维重建模型分析试样孔隙随吸附压力的变化规律,得到的结论主要有:试样吸附甲烷后,孔隙率平均下降约3%,但随吸附压力的增加,孔隙率下降不明显;经由平面图像观测,吸附后试样孔隙被充填。根据三维重建实验结果,得到试样吸附甲烷后,最大连通团形成的骨架区域明显缩小,并且模型孔隙率相应降低。     

玄武岩三维细观孔隙模型重构与直接拉伸数值试验

由于岩石材料的不透明性和多孔隙特性,通过传统的物理试验或数值模拟很难真实体现其内部三维细观结构.本文基于CT扫描技术、边缘检测算法、滤波算法、三维点阵映射与重构算法,构建了可以表征玄武岩试样内部孔隙结构的三维细观非均匀数值模型.结合并行计算进行直接拉伸数值试验,研究了内部孔隙结构特征对试样破坏机制及抗拉强度的影响.研究结果表明:加载初期在试样孔隙处产生初始裂纹,随着荷载的增加初始裂纹逐渐沿横向扩展最终形成宏观拉伸破坏裂纹,并且孔隙含量和分布位置对试样拉伸断裂的位置具有重要影响.随着孔隙率增高,试样破坏过程中的声发射数目和能量逐渐减小.拉伸破坏模式呈现脆性破坏特征,同时孔隙的存在削弱了试样的抗拉强度.     

饱和破碎泥岩蠕变过程中孔隙变化规律的试验研究

 破碎岩石具有显著的蠕变特性,可引起孔隙连续变化,从而导致渗透特性的连续变化。利用自制的破碎岩体多相耦合蠕变试验装置,研究饱和破碎泥岩蠕变过程中孔隙的变化规律。结果表明,破碎泥岩蠕变过程中孔隙率与时间呈负指数关系,整个过程具有明显的阶段性;荷载相同时,破碎泥岩粒径越小,孔隙率变化也越小,最终稳定下来的孔隙率越大;随着荷载的增大,这种因粒径不同而产生的孔隙率大小差异逐渐缩小;相同粒径下,荷载越大,孔隙率变化越快。     

利用显微X光CT对围压和孔隙水压条件下岩石试样的细微成像及其分析

 为得到岩石试样在各种围压和孔隙水压条件下的成像并分析其变形,利用显微X光CT系统获得具有5 mm高分辨率的三维图像。为此,设计和制造了一个可以对岩石试样同时加围压和孔隙水压的新型压力容器。用此容器,对高20 mm、直径10 mm的Berea砂岩及Noto硅藻泥岩试样施加静水压并使之变形。在各种围压和孔隙水压条件下,每隔15° 测试其径向尺寸。试样的平均直径随着有效围压的增长而单调减小。在此,有效围压被定义为围压和孔隙水压之差。随着有效围压的增加,其直径的变化根据不同的方向而不同,即其变形的各向异性特征得到了证实。Noto硅藻泥岩试样的各向异性比最大,达8%。实验结果表明,此显微X光CT方法可用来测试在各种围压和孔隙水压条件下一般方法很难测得、小或不规整试样的变形。     

基于X射线断层扫描预测岩石单轴抗压强度

岩石单轴抗压强度是地下工程岩体开挖及稳定性分析的重要物理参数,准确快速确定岩石强度对指导工程岩体高效开挖具有现实性和必要性。考虑如何采用X射线断层扫描技术获得岩石单轴抗压强度,开展5组泥岩样的CT断层扫描,识别和提取CT序列图像中岩石不同密度物质的体数据特征,建立特征区域CT累加值和峰值强度的量化关系,提出基于X射线CT图像预测岩石单轴抗压强度的数学方法。研究表明:泥岩基质成分的CT累加值范围为1 760～2 560 HU,强度占比为0.94～0.96;岩石基质成分的CT累加值与峰值应力(σ_c)呈二阶函数关系;CT图像预测岩石强度的核心关键在于提取序列图像中特征区域的CT累加值,可进一步反演计算得出相应的峰值应力;成分单一、均质性和完整性较好的岩石试件,CT图像预测强度可获得相对较为精确的结果。     

基于自适应模糊阈值法的植生混凝土孔隙特征研究

为提升植生混凝土的伪装效果,研究了骨料粒径、孔隙率和水灰比对植生混凝土伪装材料内部孔隙结构的影响机理。首先基于不同骨料粒径及水灰比条件,制备目标孔隙率20%和35%的植生混凝土试件;其次采集试件切割后截面图像数据,利用自适应模糊阈值算法、Otsu阈值算法、Matlab和Image-Pro Plus等对混凝土截面进行图像处理,表明自适应模糊阈值算法图像处理结果能够真实反映混凝土多孔结构特征;最后分析不同骨料粒径、孔隙率和水灰比条件下,混凝土内部各孔径区间范围孔隙结构分布规律。结果表明：骨料粒径对孔隙直径的影响较为显著,骨料粒径越大孔径越大,孔隙率越大或降低水泥用量混凝土越易形成中大型孔隙。     

煤岩结构多尺度各向异性特征的SEM图像分析

 多孔介质微、细观结构的非透明一直是阻碍深入认识深部条件下岩体损伤及煤与瓦斯突出机制的难题。为此,基于小波多分辨分析,提出一种复杂孔隙介质微、细观结构的可视化及多尺度、各向异性的精细描述方法。为验证方法的可行性,对不同地区的6种煤岩试样进行扫描电镜观测;应用小波多尺度变换、图像分割、以及图像重建技术对煤样的SEM图像进行“亚像素”尺度分析;利用小波细节系数重建煤基质的水平、垂直、对角占优的微观孔隙图像;计算微孔的孔喉、孔穴随特征尺度的分布密度,以及微孔与节理的孔隙度与分形维数。用小波多分辨分析方法分割的宏观孔隙具有微米量级,微孔具有纳米尺度。各煤样的宏观裂隙的孔隙度与分维数均大于微观孔隙;孔喉特征尺度分布均具有相似的单峰形式,峰值点决定流体运移的阻力;孔穴的特征尺度分布呈现出单峰、或多峰形态,代表流体的储存能力。研究成果为深入认识复杂孔隙结构对岩体非线性力学行为的影响,提供几何边界、结构参数基于显微图像分析的可行方法。     

岩石颗粒与孔隙系统数字图像识别方法及应用

以砂岩薄片微观图像为例,研究了岩石颗粒与孔隙系统数字图像识别、定量化和统计分析方法。通过多颜色分割和去杂等操作获得二值图像;提出改进的种子算法来封闭特定直径的孔喉,并自动分割和识别不同的孔隙和颗粒;引入了概率统计的方法,实现了由二维颗粒面积计算颗粒系统的三维分选系数;使用概率熵和分形维数分别来描述颗粒和孔隙的定向性和形状复杂度的变化等。在理论研究基础上,研发了孔隙(颗粒)及裂隙图像识别与分析系统(PCAS),通过简单操作即可得到颗粒和孔隙各种几何参数和统计参数。实例中,将PCAS应用于高孔隙度砂岩压密带微观形成机制研究。图像分析结果表明:(1)颗粒和孔隙得到了准确地识别量化,统计参数有效地描述和区分了不同的砂岩微观结构;(2)与V型压密带相比,产生平直型压密带的砂岩具有较大的孔隙度和平均孔隙面积,以及较好的颗粒分选性。研究表明砂岩压密带形态与其微观结构紧密联系,所采用的微观结构识别和分析方法可行。     

基于数码摄影技术的岩体裂隙测量方法初探

基于数码摄影技术的岩体裂隙测量法，是一种与传统测量完全不同的新方法，可以高效率地测量岩体裂隙。基于数字图像处理理论，针对裂隙图像的特点，对这一新方法进行了比较全面地探索，提出了裂隙图像的现场采集方法及其解译路线，重点研究了智能识别方法，并研发了相应的处理软件。按照上述解译路线，应用自编裂隙图像处理软件，对从野外实拍的典型数字裂隙图像进行了试算、分析和总结，初步证明了此解译路线的可行性。     

Effects of dry-wet cycles on three-dimensional pore structure and permeability characteristics of granite residual soil using X-ray micro computed tomography

Due to seasonal climate alterations, the microstructure and permeability of granite residual soil are easily affected by multiple dry-wet cycles. The X-ray micro computed tomography (micro-CT) acted as a non-destructive tool for characterizing the microstructure of soil samples exposed to a range of damage levels induced by dry-wet cycles. Subsequently, the variations of pore distribution and permeability due to dry-wet cycling effects were revealed based on three-dimensional (3D) pore distribution analysis and seepage simulations. According to the results, granite residual soils could be separated into four different components, namely, pores, clay, quartz, and hematite, from micro-CT images. The reconstructed 3D pore models dynamically demonstrated the expanding and connecting patterns of pore structures during dry-wet cycles. The values of porosity and connectivity are positively correlated with the number of dry-wet cycles, which were expressed by exponential and linear functions, respectively. The pore volume probability distribution curves of granite residual soil coincide with the χ² distribution curve, which verifies the effectiveness of the assumption of χ² distribution probability. The pore volume distribution curves suggest that the pores in soils were divided into four types based on their volumes, i.e. micropores, mesopores, macropores, and cracks. From a quantitative and visual perspective, considerable small pores are gradually transformed into cracks with a large volume and a high connectivity. Under the action of dry-wet cycles, the number of seepage flow streamlines which contribute to water permeation in seepage simulation increases distinctly, as well as the permeability and hydraulic conductivity. The calculated hydraulic conductivity is comparable with measured ones with an acceptable error margin in general, verifying the accuracy of seepage simulations based on micro-CT results.     

基于图像数字化技术的裂隙岩体非稳态渗流分析

对于岩体的非均质性和微结构分布，多引用统计学随机抽样方法来描述。引入图像数字化技术来真实客观地反映岩体的主干裂隙、次裂隙及裂隙化区域和较完整岩块的分布，并将其和数值方法相结合，用来分析二维裂隙岩体的非稳定渗流过程。首先，需要获得高清晰度的岩体数字图像及岩体中不同结构对应的不同特征值I，这样通过，值可建立起岩体中不同结构渗透系数的真实分布。其次，将该物理参数分布输入到开发的基于FEMLAB的岩体多物理耦合过程分析程序中，就可真实地反映裂隙岩体的非稳定渗流过程。数值分析结果表明，该方法是可行且有效的，比统计抽样方法有明显的优点，其结果更能反映真实的物理现象。     

基于扫描电镜图像的土体三维视孔隙率定量计算方法

通过扫描电镜来观察土体微观结构是目前研究微观土力学的重要手段。目前,大部分通过SEM图像反映土体孔隙率的研究多采用二维表观孔隙率定性分析,而此时得到是土体的二维表观孔隙率难以反映土体真实的三维孔隙率。因此,建立一种基于二维扫描图像计算三维孔隙率的计算方法具有重要研究意义。基于SEM电镜扫描图像,利用SEM图像处理软件IPP,变换不同的阈值得到不用阈值下的二维表观孔隙率,并且引入二重积分的思想,提出了一种基于SEM扫描电镜二维图像确定土体三维视孔隙率的计算方法。最后对不同种类的土进行了对比试验验证,结果表明本文提出的计算方法能够较好地反映土体真实的三维孔隙率。     

溶蚀孔隙型灰岩岩体宏观力学参数取值研究

灰岩地层具有较好的可靠性和适宜性,并具有较大的各向异性,其分布从大的溶洞、管道、断裂到小的溶蚀裂隙、孔洞等,前者在工程探测及处理措施方面研究已较为成熟,笔者针对溶蚀孔、隙型灰岩的力学参数取值进行了研究,得到了如下结论:溶蚀孔、隙型灰岩岩石抗压强度与孔隙率存在较好的幂函数关系,幂常量接近于-0.5,即y=ax^-0.5,其系数a代表了孔隙率为1%时的岩石抗压强度;基于Hoek-Brown强度准则及岩体孔隙率n,建立岩体参数m_b、S、a与孔隙率n的关系式,并通过孔隙率来描述岩体力学参数(岩体抗压强度R_cm、岩体抗拉强度R_tm、岩体抗剪强度参数c_m和φ_m),简化了通过量化GSI进行力学参数取值的复杂性,避免了量化GSI的主观性和不确定性,在溶蚀孔、隙型灰岩地层具有较好的可靠性和适宜性,对同类场区的工程建设具有一定的指导意义。     

基于表面分形特征的煤岩冲击倾向性评价

对于煤岩体冲击倾向性的评价,目前主要采用煤的冲击能量指数K_E,弹性能量指数W_ET和动态破坏时间D_t三种指标。由于煤岩体的孔隙越发育(也就是孔隙率大、孔隙数量多、结构复杂等),则一般情况下其宏观力学强度就越低,岩体内积聚的能量容易通过塑性变形或破裂消耗掉,冲击倾向性就越低;同时,通过研究煤岩扫描电镜(SEM)图像,计算其孔隙特征参数和分形维数,发现煤岩体具有良好的分形特征,并且孔隙发育程度可以很好地被分形维数所描述,因此引入分形维数D_f来描述煤岩冲击倾向性是合适的,一般来说分形维数越大则冲击倾向性越小。