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.     

基于数字地形模型土微结构三维孔隙度的计算方法

为了充分利用SEM图像中蕴含的三维信息,反映土样内部孔隙特性,提出了利用数字地形模型(DTM)计算三维孔隙度的方法,该方法无需选取阀值对图像进行分割,避免了由于阀值选取引起的统计误差。利用该方法计算了天津港某杂货码头不同深度土样的孔隙度,并与压汞法、土工实验方法和基于图像二维孔隙度的计算结果进行了对比分析,结果表明:以住图像二维孔隙度只反映了孔隙结构一个剖面的孔隙度,与其他方法结果相差较大,而DTM法计算结果与压汞法、土工实验方法所得的结果相近,反映了土样的三维孔隙度的实际情况。该方法对进一步研究土样内部三维结构具有一定的参考价值。     

软土路基微结构扫描电镜图像的分形

根据分形模型的构造方法,提出了用于描述软土孔隙变化的孔隙度分维、孔隙分布分维和孔隙边缘形状分维,并以珠江三角洲地区某高速公路软土路基加固为例,用分形维数对土体扫描电镜(SEM)图像进行分析。研究发现,加固后3种分形维数均有不同程度降低,表明加固后孔隙的分布面积减小,结构单元体之间排列紧密,孔隙尺寸分布趋于均匀,孔隙边缘形状变得规整光滑。结果表明,软土中孔隙分布及形状具有分形特征,不同的分形维数,可以从不同角度反映土体的加固效果及力学特性变化。     

基于CT图像单轴受载煤样损伤计算

针对CT图像的特点,分别从像素与体素两种尺度定义了表面孔隙率与体孔隙率.利用数字地形模型方法计算表面孔隙率,给出了基于工业CT灰度图像体孔隙率的计算方法.对煤样单轴加载下不同阶段的CT图像进行分析,获得了煤样表面孔隙率与体孔隙率随应力变化关系曲线.两种孔隙率都能较好地反映煤样内部损伤变化,表面孔隙率反映的是像素级的孔隙,体孔隙率反映了像素内部的孔隙,更能体现CT图像的特点.     

绝缘阻挡放电等离子体弦向温度分布研究

绝缘阻挡等离子体的形成过程伴随着热量的交换过程,高压高频电源作用在电极上反复电离空气,相互作用区的弦向温度分布也是一个重要的实验参数。本文利用非致冷红外热像仪对影响等离子体区域的弦向温度分布的因素、等离子体形成的加热过程和消失的散热过程进行了研究,首次在实验上得到了绝缘阻挡放电等离子体弦向温度的高斯分布。实验结果对提高等离子体诱导出的空气流速,进而实现高速流动控制具有重要的指导意义。     

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.     

基于光栅测量原理的矿压传感器与监测系统的开发

本文介绍了基于光栅测量技术研制的矿压传感器及建立的新型矿山压力监测系统,实现对巷道围岩变形与压力的实时自动监测,为井下安全预警提供技术保障。     

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.     

小波分析在动态实验数据处理中的应用

小波分析目前在信号处理领域中正得到广泛的应用.为研究小波分析在动态实验数据处理中的应用,利用MATLAB小波分析工具箱,对工程中的两组动态试验数据进行了处理:分析了动力排水固结法模型实验中孔隙水压力的长消规律和受压试件红外温度变化奇异点与试件的破坏关系问题.分析表明,只要选择了合适的小波函数,将小波分析用于动态数据处理将具有较大的优势,而MATLAB的小波工具箱使得小波分析的应用更加便利.图4,参12.