基于GIS的固化污泥微观结构的三维孔隙率及分形维数的计算方法

采用GIS技术对固化污泥的SEM图像进行三维定性与定量微观结构分析。研究结果表明:从固化污泥的3D Scene图像中获取的信息量远远大于SEM图像的信息量,能更真实地反映固化污泥微观结构表面起伏情况;通过GIS技术可以计算三维孔隙率和三维分形维数等微观参数,以及其三维孔隙率和三维分形维数的计算方法是合理的。     

基于蒙特卡罗方法的软土微观结构随机几何模型

 软土微观结构的仿真几何模型是进行软土微观数值模拟的前提和基础。根据常规土工试验获得的土样孔隙比和各粒组含量百分比,采用蒙特卡罗方法生成一定数量的随机多边形单元代表软土微观结构中的各类结构单元体和孔隙,然后通过把它们随机分布到给定大小的区域中,建立了软土微观结构的随机几何模型。把上述方法应用到广东省某高速公路工程软土土样的微观结构仿真建模中,结果表明所建立的仿真几何模型与土样实际微观结构图像具有一定的相似度,验证了文中方法的可行性。     

固化污泥的压实特性及微观机理研究

固化污泥进入填埋场需要压实,为探求一种经济有效的方法将其填埋,需要对压实过程中微观结构特征的变化进行研究,揭示污泥固化土的压实机理。对以水泥为固化材料的污泥进行击实试验,通过真空冷冻干燥技术制样,进行扫描电镜试验;借助GIS技术实现了SEM图像的三维可视化及三维孔隙率的定量计算,分析击实过程中微观孔隙的变化规律。结果表明,固化污泥的干密度随着击实功的增加先增加后趋于稳定、孔隙率先减小后趋于稳定。三维可视化模型实现了土体颗粒表面起伏形态的三维显示。对比结果显示三维孔隙率的变化情况,较好地描述了固化污泥击实过程中孔隙体积的变化,可以依据三维孔隙率的变化选取一个经济击实功。研究成果为污泥固化土这种特殊性质土体的基本力学性质研究提供基础参数,并为其实际填埋施工工艺选择提供理论依据。     

不同固结压力下膨胀土微观结构的演化过程研究

文章利用扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)对不同固结应力下膨胀土试样进行微观成像,基于ArcGIS数字图像处理技术分析原状土、重塑土、石灰改良土在不同固结应力下的孔隙比、三维分形维数、圆形度及形状系数的演化规律。图像分析结果表明,在三维空间基于灰度值法可以较好地分析不同固结应力下土体孔隙比的变化规律;在一定固结应力范围内,随着压力的增加,土体微观结构单元体的分形维数与固结应力存在较好的线性关系;随着固结应力的增加,单元体的熵、圆形度、形状系数先增加再减小。该研究结果揭示了土体微观结构与宏观固结应力之间存在的相关关系;同时通过不同的土体试样微观结构参数演化过程,说明了石灰对膨胀土改良的效果。     

考虑共同作用时深基坑支护研究

针对软土地基的特性,提出了考虑土体抗力释放与结构模型随施工过程改变的计算模型,方法实质是将部分释放掉的抗力作为增量荷载的一部分,通过计算实现其在土弹簧中的重新分布,更加真实地反映软土基础支护实际情况.工程实例计算结果表明通过考虑土体抗力释放与结构模型改变更合理地反映土、桩、支撑之间的共同作用,其计算结果接近实测值.     

工业CT三维图像的表面平滑方法

针对工业CT图像含有噪声过多导致得到的工业部件的三维图像表面有毛刺和部分不连续的问题,将三维鲁棒Chen-Vese算法和基于水平集的非局部表面恢复算法结合用于工业CT三维图像的表面平滑处理.首先,利用三维鲁棒Chen-Vese算法对工业部件的灰度体数据进行三维图像分割,得到用水平集函数表示的工业部件的三维图像表面;然后,采用基于水平集的非局部表面恢复算法对工业部件的三维图像表面进行平滑.实验结果表明,利用该方法获得的工业部件的三维图像表面,在边界得到保护的同时减少了大量的噪声,而且在表面有毛刺和部分不连续的地方进行了重造,图像整体变得更为平滑,此可为工业CT三维图像的可视化软件的逆向设计和改造提供高质量的三维图像,减少了后期处理的计算量和存储量.     

考虑加筋体三维变形的桩承式路堤沉降计算方法

已有研究发现,外界荷载作用下加筋体将产生三维变形,且变形形状近似于椭圆抛物面.根据加筋体的三维变形特点推导了加筋体的三维变形表达式,并据此推导了加筋体的应变、加筋体上作用的竖向应力以及加筋体拉力的求解公式.将加筋体变形三维效应的解析方法应用于桩承式路堤中,分别分析了桩为正方形与梅花形布置情况下土拱破坏发生在拱顶与桩帽时,作用在路堤底部四桩中心处的竖向应力.进而推求了桩承式加筋路堤中同时考虑土拱效应、加筋体作用以及软土承载作用的简化计算方法.该简化计算方法可求解获得桩承式加筋路堤中软土表面最大沉降、软土表面作用的竖向应力,以及路堤中竖向应力沿深度的分布规律.将该简化计算方法应用于桩承式路堤的2个工程实例中,计算了软土表面中心处的沉降,并分析了桩间距的变化对软土表面最大沉降的影响.通过对比发现:采用简化方法计算出的结果与现场监测结果的误差分别为19.5%与13.0%,从而验证了该简化计算方法的正确性.从计算结果中同时可以看出:软土表面最大沉降随桩间距的增大基本呈线性增大的趋势,当桩间距增大75%时,软土表面最大沉降增大约86%～95%.     

固结蠕变下软土微观结构参数的定量分析

为了探究土的微观结构特性和更加准确的描述土的变形过程,从微观上分析珠三角地区软土的固结蠕变,对软土的微观结构特征、孔隙个数和直径、孔隙和颗粒丰度、孔隙定向频率等方面进行了定量分析,对代表性广州番禺地区的土样试验结果表明:原状土样的微观结构主要是以蜂窝状和基质状结构为主,土体颗粒接触方式主要为点-点接触和点-面接触;当施加轴向固结荷载时土体的结构发生变化,轴向荷载较大时,土体的微观结构以紧密的骨架状和紊流状结构为主,土体颗粒的接触方式以面-面接触为主。软土在蠕变过程中,土体颗粒和孔隙大小的变化都遵循大孔隙优先改变原则,颗粒和孔隙的边界变得圆滑且形状趋向于扁圆形。蠕变后,颗粒和孔隙的个数有明显增加,直径都有明显减少,孔隙丰度值和复杂度有所降低。原土的分形维数高于土体蠕变变形后的分形维数。当固结应力增大时,土中孔隙的分形维数不断减小,大孔隙不断减少,大颗粒破损,小颗粒被挤入大孔隙中,颗粒和孔隙朝着均匀化方向发展。     

海积软土固结变形的结构性模型研究

土结构性模型是21世纪土力学学科的核心问题。基于海积软土一维固结蠕变的宏观力学性状与微观结构定量分析相结合的方法,提出了软土在外荷作用下微观结构的演变模式,由此建议了一个含结构参数的固结变形本构关系。用试验资料和工程实例进行了初步验证,表明所建模型可以预测多级加载条件下海积软土的变形规律。     

基于三维表面纹理合成的流场可视化

本文提出了一种基于三维表面纹理合成的流场可视化方法。不同于传统的基于二维静态纹理的流场可视化,该方法在流场中添加了光照信息,可以得到任意光照和视角条件下的流场图像,从而使得可视化结果更加直观、真实。采用方向性三维表面纹理来表示流场的矢量信息,并结合3I重光照方法实现了任意光照和视角条件下的流场可视化。     

过程模拟法重建三维数字岩芯的准确性评价

由于利用X 射线CT 扫描获得反映真实岩石微观结构的三维数字岩芯过于昂贵和费时,因此,正确评价利用岩芯二维薄片图像重建三维数字岩芯的准确性具有重要理论和应用价值。采用过程模拟法,依据岩芯的二维薄片图像,通过模拟真实岩石的形成过程沉积过程,压实过程和成岩作用重建了三维数字岩芯,并且应用局部孔隙度分布函数和平均渗流概率函数进行了重建三维数字岩芯的准确性评价。结果表明：过程模拟法重建的三维数字岩芯与真实岩芯具有相同的均匀性和连通性,且重建三维数字岩芯与真实数字岩芯都是各向同性的。重建的三维数字岩芯不仅可以用来表征真实岩芯的孔隙结构,而且也可以作为其他岩石物理属性模拟的基础。     

杭州饱和软土固结过程微观结构试验研究

软土的工程特性很大程度上取决于土体内部的孔隙特征及其变化规律,为探讨软土固结过程中压缩性及其微观结构变化机理,对杭州结构性黏土进行室内固结试验,通过液氮真空冷冻干燥技术制备微观土样,借助扫描电镜试验获取微观结构图像,用计算机图像处理软件定量分析土体孔隙特征随着固结压力的变化规律,并讨论微观结构参数与土体压缩性的相关机制。结果表明:固结压力将显著改变软土的孔隙尺度、分布、排列、形态等特征,随着固结压力的增加,孔隙数先增加后减少、微小孔隙的比例增加、均一化程度提高、定向性增强、复杂程度降低;土体微观结构参数与压缩系数随着固结压力的变化规律有很好的相关性,均在固结前期显著变化,在固结后期变化趋于平缓;用土的微观结构变化解释和验证宏观试验土体的物理力学特性是可行的。     

基于二维灰度图像的规则形体三维重建

对二维灰度图像恢复形体的三维形状问题做了深入研究,提出了一种基于单幅图像,利用几何对称特性进行规则形体重构的方法,即从一幅二维灰度图像中提取规则形体作为研究对象,通过角点检测方法获取其有效特征信息,根据相关特征信息构造对称面或者对称轴,结合形体的几何特性实现规则形体表面的三维重建.实验证明,该方法可以根据形体的二维灰度图像方便有效地重建出其三维形状.     

3D粗糙表面的数字化表征与接触特性分析

为了研究粗糙表面的复杂接触力学行为,提出了一种关于微观两粗糙表面接触的有限元分析方法.通过3D粗糙表面的数字化表征方法,获得了具有不同统计特征的高斯或非高斯粗糙表面,在此基础上,通过自下而上的三维建模与六面体网格划分,构建了两粗糙表面接触的精细有限元分析模型.在不同法向载荷的作用下,分析了微观结合面的变形、接触压力、真实接触面积等接触特征及其加载卸载特性,揭示了结合面的力学行为规律,为微观粗糙表面的性能预测提供了一种有效的途径.     

三维表面微观形貌建模与微通道流动特性仿真

针对金属表面功能结构的多尺度数字化设计问题,基于机械加工表面微观形貌中存在的自仿射分形特性,探索了将Weierstrass-Mandelbrot分形与三维参数曲面相合成的数学方法.该方法能够将表面功能结构的微观粗糙形貌与宏观模型相集成,从而有效支持表面功能结构的多尺度形貌建模.以犁削成形的V型毛细微通道的微流体特性为仿...     

顾及矿区地貌特征的开采沉陷三维可视化实现方法

针对已有开采沉陷三维可视化方法中不能考虑矿区地貌特征的不足,通过在开采沉陷预计程序中增加高程修正计算功能,对矿区地表高程进行下沉修正计算,并借助Surfer实现了顾及矿区地貌特征的开采沉陷三维可视化。该方法操作和实现简单,实现了对矿区地表塌陷后真实状况的三维可视化预计。实例应用表明,相比已有开采沉陷三维可视化方法,利用该方法生成的三维表面,更能够形象直观地表现矿区地表塌陷后的移动和变形状况,为方便进行开采沉陷防灾减灾工程的设计提供了依据。     

路径优化装置的研发

根据最小Steiner树理论和表面活性剂溶液的物化特性,提出一种解决系统全局最短路径规划的可视化方法,将溶液的表面张力问题通过平行板简化为二维的最短路径规划问题并研发出相应的可视化试验装置.结果表明,该方法可形成系统最短路径的可视化方案并自动生成最小Steiner树,简化了求解非线性规划的数学难题,本方法成本低廉、操作简便、结构简单,有广泛的应用前景.     

基于Kriging方法的天然地基承载力三维模拟及分析

简要介绍了Kriging方法的基本原理及变异函数的模拟, 并从三维结构模型的体元离散、实验数据搜集与探究、空间变异结构分析以及插值方法应用等方面详细阐述承载力三维实体建模的基本思路。提出以三维地质实体建模技术同Kriging方法相结合的策略分析并模拟天然地基土承载力的空间分布规律, 并以三维可视化技术对其进行刻画和表达。以北京某区域为例, 利用该区887个实验样品数据, 采用Kriging插值与三维实体模型结合的方法, 构建了研究区承载力三维实体模型, 并将模拟结果与传统二维Kriging方法建模结果进行了对比分析。结果表明, Kriging插值与三维实体模型结合的方法不但精度高, 而且直观、准确的三维可视化表现方式为专家的决策提供了便利。     

不同有机质含量水泥加固土微观结构分析

为了研究有机质对水泥加固土微观结构的影响,采用水泥作为固化剂对不同有机质含量的软土进行加固,并利用扫描电子显微镜采集了达到养护期的各试样的微观结构照片,同时利用WD-5图像处理系统对微观结构图像进行处理,提取各试样结构单元体和孔隙的大小、形态及定向性等结构要素作为评价指标.分析了各结构参数随土中有机质含量的变化规律.结果表明:有机质含量越高,试样中等效直径较大的单元体含量越少,小单元体含量相对增加;大孔隙含量相对增加,小孔隙含量相对减少.试样结构单元体及孔隙的形态特征及定向性与有机质含量没有明显的相关关系.该成果对有机质影响水泥加固软土效果的研究具有一定的参考价值.     

基于轮廓线的任意形体三维重建

由二维灰度图像恢复形体的三维形状已经成为计算机视觉领域的一个研究热点.对该问题进行了深入的研究,提出了一种基于单幅图像,利用轮廓线进行形体三维重构的方法.该方法从一幅二维灰度图像的断层剖面中使用行扫描线法提取带有孔洞的轮廓线,并且根据一定的准则对其进行分层处理,采用曲率法对各相邻层轮廓线中的分层轮廓线进行匹配,结合最小对角线优化策略完成三角面片拼接,最终实现任意形体表面的三维重建.实验证明,该方法可以根据形体的二维灰度图像方便有效地重建出其三维形状.