纤维改性珊瑚泥裂隙动态演化规律试验研究

土体龟裂在自然界中广泛存在,而裂隙的存在极大地劣化了土体的工程性质。岛礁上工程材料缺乏,如何就地取材,利用珊瑚泥这种潜在的工程材料并进行改性,是亟需解决的关键问题。采用PVA纤维对珊瑚泥龟裂特性进行改善,通过龟裂试验,利用图像处理技术,获得了裂隙参数、分形维数、频率分布以及裂隙发育速率的变化规律,从而得出不同纤维掺量下的珊瑚泥裂隙动态演化规律以及纤维加固效果。结果表明:PVA纤维的掺入,提高了土体的整体性能,并起到桥接作用,能在一定程度上阻碍土体的收缩以及抑制土体裂隙的拓展。此外,还得出了纤维加固土体的裂隙开裂判据,以及揭示了珊瑚泥纤维加固机理。这对珊瑚泥的潜在应用价值具有重要意义。

基于灰度共生矩阵和工业CT扫描的受载含瓦斯煤裂隙动态演化特征

为研究受载含瓦斯煤在三轴压缩作用下的裂隙演化规律,利用受载含瓦斯煤显微工业CT扫描系统,开展了三轴加载条件下受载含瓦斯煤的工业CT扫描测试,获取了受载含瓦斯煤的应力-应变曲线和各变形阶段的CT扫描图形.运用图像分析软件对CT扫描数据进行了三维数字重建,实现了煤样内部裂隙的三维可视化和定量表征,并基于灰度共生矩阵(GLCM)理论分析了受载含瓦斯煤的裂隙动态扩展特征及规律.研究结果表明:瓦斯压力的存在一定程度上弱化了受载含瓦斯煤的力学性质,同时也加速了裂隙的扩展;受载含瓦斯煤二维裂隙先闭合后扩展,峰后快速扩展并形成连通二维裂隙网络;三维裂隙体积和裂隙密度呈现出先减小后增大的变化趋势,总体上可划分为裂隙压密闭合、新裂隙萌生扩展和主裂隙加速扩展贯通3个变化阶段;灰度共生矩阵分析中,对比度先减小后增大,能量和同质性先增大后减小,相关性呈现出单调递减趋势,准确描述了受载含瓦斯煤内部裂隙随应力增加不断变化的总体发展规律.

基于工业CT扫描的瓦斯压力影响下含瓦斯煤裂隙动态演化特征

为探索瓦斯压力影响下的含瓦斯煤裂隙动态演化特征及其规律,利用受载煤岩工业CT扫描系统开展了三轴压缩条件下的含瓦斯煤原位工业CT扫描试验,获取了不同变形阶段的含瓦斯煤原始CT图像和应力-应变曲线等测试结果,通过三维重构技术得到了含瓦斯煤的数字化模型,运用图像分析处理软件对数字化模型进行了裂隙结构的精确提取,实现了含瓦斯煤内部裂隙结构空间形态的可视化展布,并结合分形理论对含瓦斯煤内部裂隙结构进行了定性和定量分析。研究结果表明:围压一定时,不同瓦斯压力下受载含瓦斯煤的全应力-应变曲线变化趋势大致相同,均经历了5个变形阶段,即初始压密阶段、线弹性变形阶段、塑性屈服阶段、峰值破坏阶段和残余变形阶段,含瓦斯煤的峰值强度、弹性模量和残余强度均随瓦斯压力的增大而线性减小;全应力-应变过程中,在瓦斯压力作用下,含瓦斯煤二维裂隙的分形维数和裂隙像素比变化趋势基本一致,呈现出先减少(或不变)后加速增大再增速放缓的变化规律;含瓦斯煤三维裂隙的裂隙率、裂隙密度和三维分形维数变化趋势基本一致,均呈现出缓慢下降、缓慢增长和急剧增长的三阶段式演化规律;破坏失稳后,含瓦斯煤裂隙像素比和二维分形维数随瓦斯压力的增加而线性增大,并且含瓦斯煤的裂隙密度、裂隙率和三维分形维数也随之线性增加;瓦斯气体的存在促进了受载含瓦斯煤的裂隙扩展和贯通,二维裂隙和三维裂隙的数量及网络复杂程度随着瓦斯压力的升高均增大;吸附瓦斯的非力学作用和游离瓦斯的气楔膨胀作用共同导致了含瓦斯煤力学性质的整体弱化。

显微工业CT的受载煤样裂隙动态演化特征与分形规律研究

为观测受载煤样裂隙演化过程,利用受载煤岩工业CT扫描系统对煤样单轴压缩破坏过程进行CT实时扫描实验,将CT扫描图片导入VG Studio MAX图像分析软件进行煤样的三维数字化模型重建,得到煤样内部裂隙空间的分布情况。运用MATLAB软件通过分析和计算得到了煤样内部结构的灰度直方图和裂隙分形维数,综合分析煤样裂隙的动态演化特征和分形规律。研究结果表明:利用灰度直方图和VG Studio MAX软件分析结果能有效地定性和定量描述受载煤样内部裂隙动态发展的总体变化规律;全应力应变过程中,受载煤样的断面裂隙面积、断面裂隙谱峰面积和三维裂隙体积总体上呈先减小后增加的变化趋势,真实客观地反映了煤样内部裂隙结构的动态演化规律,充分体现了外部载荷和变形对裂隙发展的控制作用;裂隙分形维数主要经历了缓慢降低、平稳增加、大幅突增和缓慢升高4个发展阶段,有效刻画了受载煤样内部裂隙的演变发展过程,其变化规律与裂隙动态变化规律保持了良好的一致性,可用于受载煤样失稳破坏的预测。

孔周煤岩体渐进性破坏过程裂隙和应变能演化特征

为探究瓦斯抽采钻孔孔周煤岩体渐进性破坏过程中裂隙和应变能演化特征,设计了完整试样和含孔试样,开展渐进性破坏试验;通过VIC-3D观测系统,获取试样表面变形情况,计算并分析试样表面裂隙动态演化过程,裂隙分布情况及应变能演化特征。研究结果表明:含孔试样抗压强度较低,且钻孔孔周产生较多裂隙,孔上下两侧变形严重,表明在实际钻孔施工过程中,煤岩体抗压强度会大幅下降,钻孔周围产生较多裂隙,从而造成钻孔破坏,甚至塌孔;渐进性破坏过程中,孔周煤岩体表面裂隙发生动态演化,其动态演化过程与加载应力呈对应关系,同时通过对比裂隙张开量和错动量演化特征,判定试样破坏的主要裂隙类型为张开、错动混合型裂隙;在渐进性破坏过程中,孔周煤岩体表面裂隙演化过程与局部化区域变形能密度累积保持对应关系,不同局部化区域的应变能密度演化特征不同,体现出孔周煤岩体在渐进性破坏过程中存在内部能量调整。

基于图像检索技术的受载煤样裂隙演化规律

在煤岩试样破坏过程中进行计算机断层(computed tomography,CT)扫描测试,可实现煤岩试样内部裂隙结构可视化表征,但是在加载过程中,因试样位移变形会引起CT扫描层定位误差,进而影响试验结果准确性。为了解决这一问题,利用图像相似性检索技术,检索出受载试样在不同应力水平下的最相似的CT图像,从而更加准确地描述受载煤样裂隙演化规律。研究结果表明:在三轴压缩破坏过程中,试样应力应变曲线分为5个明显的阶段,即初始压密阶段、线弹性变形阶段、塑性屈服阶段、峰值破坏阶段以及残余变形阶段。基于感知哈希算法的图像检索技术能够准确识别并定位不同应力阶段相似度最高的CT图像,且CT图像相似度随着轴向荷载不断增大而逐渐降低。在整个三轴加载过程中,CT图像的相似度绝对差均值表现出两个明显的变化阶段:缓慢增加阶段和快速增加阶段。分形维数可以定量描述裂隙演化,受载样品破坏过程中分形维数主要经历了缓慢减小、缓慢增大和快速增大3个阶段。