基于3D打印技术的岩体复杂结构与应力场的可视化方法

准确表征与直观显示岩体复杂的内部结构与应力场是解决诸多地下工程问题的基础和关键.本文运用CT成像、三维重构和3D打印技术制备了包含复杂裂隙的天然煤岩模型,借助三维应力冻结和光弹技术,直观定量地显示了单轴压缩载荷作用下复杂裂隙煤岩内部的应力场分布特征.研究表明:通过3D打印技术制备的煤岩模型具有与天然煤岩一致的裂隙结构特征;3D模型的单轴抗压强度、弹性模量和泊松比等力学性能指标接近于天然裂隙煤岩;在不连续裂隙周边的高应力分布区域以及应力级差等方面,3D模型的实验结果与数值模拟结果具有较好的一致性;该方法能够直观定量地显示不连续不规则裂隙对煤岩的强度、变形以及应力集中区的影响.3D模型打印与应力冻结技术相结合为实现地下岩体内部复杂结构与三维应力场分布的定量表征与可视化,以及印证数值模拟结果提供了新途径.     

CT孔隙岩石内部三维变形场数字实验

为研究数字体图像相关法(Digital volume correlation,DVC)测量孔隙类岩石内部三维变形场的可行性,利用X射线CT扫描获取孔隙岩石(中砂岩,红砂岩和油砂岩)的数字体图像,采用虚加变形的数字实验方法得到变形体图像,由DVC法得出测量值并进行比较分析.研究表明:孔隙类岩石内部结构可以作为散斑结构,应用DVC法计算内部变形,不同的结构特征,影响着DVC法的精度与准确度;油砂岩内部结构作为散斑结构时,具有较高的精度,其次是红砂岩,中砂岩;给出了评价三维散斑结构的指标-平均灰度梯度,平均灰度梯度值越大,相应的以该散斑结构进行DVC法计算时,所得精度与准确度也高;采用数字实验的分析孔隙岩石内部结构对DVC法计算精度的影响是一种简单易行的方法,其结果有助于实验方案的制定.     

应力波作用下岩石类孔隙介质变形破坏与能量耗散机制的数值模拟研究

通过CT扫描、X射线衍射和物理实验等方法获取了天然砂岩的孔隙结构参数、矿物组成和物理力学性质，研制了具有与天然砂岩相同的孔隙结构特征和基体性质、但孔隙率不同的岩石类孔隙介质的物理模型．利用孔隙介质物理模型的CT扫描图像和MIMICS构建了具有不同孔隙率的孔隙结构三维有限元模型．通过设定应力波动理论假设的条件模拟了孔隙介质SHPB冲击破坏过程，分析了波动应力作用下岩石类孔隙介质的动力学响应、应力传递模式和变形破坏机制．研究表明：利用孔隙介质三维有限元模型可以直观定量地分析应力波传播过程中岩石类介质内部孔隙和基体的应力、应变状态及变形破坏机制．一定压强和波速的应力波传播过程中，孔隙率低于15％的岩石介质内部的孔隙未发生明显变形，变形主要体现为孔隙周边基体的微塑性（剪切变形）和开裂（横向拉应变），以及孔隙周边开裂区域的相互连通．剪应力使基体单元产生微塑性，拉应力使基体单元开裂．孔隙周边基体单元的破坏及相互贯通主要是由于基体单元的横向拉应力或拉应变超过材料的极限值．模拟得到的孔隙介质的应力波传播规律、变形与破坏模式以及能量耗散性质与物理模型的实验结果相吻合．本文研究为解析岩石类孔隙介质的复杂多变动力学响应的内在机制、应力传递模式、变形破坏与致灾机理提供了参考．     

果树树冠遮阴模型的改进

【目的】农林复合系统林下太阳辐射作为间作作物光合作用的能量来源,直接影响着间作作物的生态过程和生产力水平。研究果农间作系统内果树的遮阴范围和遮阴强度对果农间作系统配置及间作距离的确定具有重要的意义。【方法】遵循平行光线下的相似性原理,将果树按其树体缩小50倍,根据实测苹果树体形状制作不同龄级的苹果树3D模型,利用树体模型在研究区进行了果树遮阴范围的测定试验。将实测得到的树冠遮阴范围与依据太阳高度角和太阳方位角推算出的单株苹果树冠遮阴范围进行对比分析,对树冠遮阴范围表达式各参数进行优化。【结果】通过实测树冠遮阴范围与模型得出的树冠范围的对比分析,结果表明实测图与模型推算图相比,存在偏移和缩小。此现象主要是由于模型推算图仅考虑太阳方位角和太阳高度角对果树遮阴范围的影响,但是,当太阳光线接触果树冠层后会出现偏移未被考虑。因此,对现有的果树遮阴模型进行优化,经优化后的修正方位角和修正高度角推算得出的修正树冠遮阴范围,与实测遮阴范围的重合率均达到94%。【结论】改进后的树冠遮光数学模型能够较准确地模拟实际树冠的遮阴范围。     

基于CT成像和数字体图像相关法的岩石内部变形场量测方法的研究进展

在采矿工程、边坡工程、隧道工程、水利水电工程及新兴的岩体工程如深埋油气储库、地下核废料处置库、地热开发等生产开发过程中,岩石是主要工程对象.直观观测与定量表征应力场、渗流场和温度场等多物理场耦合作用下岩石内部非连续结构演化始终是岩石力学重要和具有挑战性的研究内容.高精度微CT能够在微细观甚至纳米尺度上观测岩石内部结构,通过与数字体图像相关法结合,可实现岩石内部变形场的透明可视化与定量解析,为岩石的非连续结构与多物理场效应的透明解析和推演提供了新的有效途径.本文回顾了近年来微焦点CT在岩石内部结构检测、数字岩心和内部变形场量测方面的应用,详细阐述了CT原位扫描实验与数字体图像相关法的原理及主要进展,分析了岩石微细观结构对应变场测量精度的影响及数字体图像相关法在岩石内部变形测量中的典型应用,探讨了数字体图像相关法测量岩石内部变形场面临的挑战.     

矿井监控图像的分形编码

针对井下光照度低,监控图像对比度低,平滑区域较多这一特点,为了提高煤矿井下监控图像的分形压缩编码的效率,采用了基于平滑块处理的分形编码算法。在进行分形编码时,预先设定图像D块及R块的方差阈值,将方差小于其阈值的所有D块剔除在码本之外,对于方差小于其阈值的所有R块不进行搜索匹配,而是直接赋以均值。实验研究结果表明:基于平滑块处理的分形编码算法比基本分形编码算法更有效。该算法的实现提高了分形编码的效率,有助于解决煤矿井下监控图像的低比特率传输问题。     

基于断裂力学与损伤力学的岩石强度理论研究进展

随着对岩石本质特征认识的不断深入,岩石强度理论的研究逐渐由经典强度理论向断裂强度理论、损伤强度理论发展.文中对经典岩石强度理论的研究进行了简要回顾,总结了基于断裂力学以及损伤力学分析的岩石强度理论研究进展.     

用硫酸亚铁浸出同时沉淀铁矾法处理低品位锰矿

研究了用硫酸亚铁浸出同时沉淀黄钠铁矾的方法处理低品位软锰矿的过程．在该过程中,软锰矿中的ＭｎＯ２被还原成ＭｎＳＯ４同时ＦｅＳＯ４被氧化并以黄钠铁矾的形态沉淀．沉淀产生的酸可直接用于ＭｎＯ２浸出．考察了硫酸、硫酸亚铁和硫酸钠的加入量及温度等参数对锰浸出和沉铁效率的影响．讨论了过程动力学．实验结果表明,锰浸出率和沉铁效率（质量分数）在最佳条件下可分别达到９６％和９２％．     

基于灰度CT 图像的岩石孔隙分形维数计算

研究刻画岩石类材料中的孔隙结构特征对于揭示岩石的各种力学行为具有重要意义,为此将分形理论与数字图像处理技术相结合, 针对工业CT 扫描得到的岩石切片图像进行了分析, 从中提取研究了岩石的孔隙结构特点, 讨论了孔隙率和分形维数之间的关系. 岩石CT 图像中各像元的灰度值是对应岩石微元中各物质衰减系数的综合反映, 可以反映出岩石中各种尺度孔隙的影响. 结合实验测定的孔隙率, 采用逆分析的方法可以确定出分割阈值的大小, 从而得到岩石孔隙结构的二值化图像, 为进一步研究孔隙拓扑结构提供基础. 随着孔隙率的增大, 孔隙结构的分形维数也变大. 而且在孔隙率相同的情况下, 孔隙结构的分形维数也不尽相同. 孔隙结构越复杂, 其分形维数越大. 实验证实, 基于灰度CT 图像的岩石孔隙分形维数是岩石孔隙率等参数的有效补充, 可以更好地表征岩石孔隙结构的分形特征.     

岩土材料CT图像的数字图像相关法

为探索实现数字图像相关法对岩土材料CT图像的分析计算,借助可进行原位单轴压缩的CT扫描实验系统,实时记录了石膏试样在不同应力水平下的CT图像,比较了采用不同相关系数、不同子区大小进行图像相关计算时的搜索匹配精度.针对子区线性小变形特点,利用最小二乘拟合得到位移场表达式,求导得到应变场,提高了应变计算的精度.分析结果反映了岩土材料内部非均匀变形的特征,揭示了单轴压缩下张拉破坏的特征.研究结果表明:采用数字图像相关法可以利用岩土材料CT图像求得其内部变形场.研究结论为提高求解效率和精度提供了参考.