基于CT扫描试验的珊瑚骨架灰岩孔隙结构特征研究

为了探究分布于某岛礁珊瑚骨架灰岩的微观孔隙结构特征及其定性定量分析,选取6块有代表性的珊瑚骨架灰岩岩样,开展CT扫描试验,建立珊瑚骨架灰岩三维立体数字模型,获得三维数据体并开展孔隙结构特征的研究。结果表明:6块岩样整体孔隙率均值仅为3.30%,孔隙发育程度较小;岩样逐层面孔隙率有较大程度波动,面孔隙率较小,但其标准差却较大,体现了岩样较强的非均质性;对岩样三维模型中所提取的孔隙进行标记筛分,同时对孔隙体积与数量进行概率统计,结果表明珊瑚骨架灰岩中大孔隙数量虽少,但体积占比很大,存在极个别超大孔隙;通过球棒模型分析可知,配位数主要分布区间为0~2,说明珊瑚骨架灰岩的孔隙连通性较差,主要以独立孔隙和单连通孔隙为主,孔隙在x/y/z方向均无连通性,不存在潜在的流体运移通道。

基于CT扫描试验的水泥稳定基层拱胀机理探究

水泥稳定基层作为新疆地区路面结构中的主要基层类型,很好地适应了新疆干旱少雨的气候与日益增加的交通量需求。然而,随着半刚性基层应用范围的扩大,路面基层拱胀逐渐成为新疆环沙漠易盐渍化地区沥青路面的常见病害。针对这一问题,本文借助工业CT扫描试验研究了水泥稳定基层拱胀机理,其成果为新疆地区的水泥稳定基层防拱胀结构设计、施工及养护管理提供了科学的理论依据。

基于CT单向压缩试验的冻结重塑兰州黄土损伤耗散势研究

首先分析了冻土损伤的物理本质,然后在改进了的与CT试验机配套使用的三轴试验仪基础上,进行了一系列的单向压缩试验过程的CT扫描,获得了冻结重塑兰州黄土试样的屈服应变、损伤应变临界值、破坏应变临界值;发现如果用塑性应变表示损伤阈值,则温度越低、试样的损伤阈值越大;最后通过CT数定义损伤变量,获得了冻结重塑兰州黄土的损伤演化规律和损伤耗散势函数。

基于高精度μCT扫描的重塑黄土试样均匀性分析

研究重塑黄土试样实验室内的制备效果,为工程活动提供准确的指标参数。以压实与击实2种制样方法所制备的三轴重塑黄土试样为对象,通过高精度μCT扫描试验,借助VGStudioMAX2.2图像处理软件,实现了土样微结构的三维重建,量化分析试样结构、孔隙三维信息以及孔隙分布情况,并通过三轴剪切试验简要分析了孔隙均匀性和围压对极限强度的影响。结果表明:①分层压实易造成重塑样内部结构的严重破坏,而不同工序下的分层击实试样孔隙分布极不均匀;一次压实试样较击实试样体积主频率孔径降低了40μm,且不同区域的孔隙率差值<3%。②土体内孔隙率分布差距越大,其极限强度越小。重塑样孔隙空间分布影响测得的黄土特性,故宜采用一次压实法制重备塑黄土样。

基于CT扫描的巴东组易滑岩组微观结构劣化研究

岩石内部微观结构的劣化是导致巴东组软硬互层岩体物理力学性质发生劣化的基础,研究巴东组易滑岩组在干湿循环作用下岩石微观结构的劣化过程对三峡库区内地质灾害的防治与安全运营有着重要的理论意义与应用价值。以三峡库区典型易滑岩组巴东组第二段红色系列的粉砂质泥岩和砂岩为研究对象,针对不同干湿循环次数(0次、1次、3次、6次和10次)作用下的粉砂质泥岩和砂岩试样,开展了岩石内部微观结构的CT扫描试验和岩石饱和吸水率计算,利用后处理软件对扫描结果进行三维数字模型重建并对重建模型的二维平面和三维立体结果进行定性描述与定量分析,包括二维平面图像的灰度值和裂纹分析以及三维图像整体的岩石空隙率分析等。结果表明:干湿循环作用对巴东组粉砂质泥岩和砂岩内部微观结构的影响有明显区别,对粉砂质泥岩内部微观结构的影响较大,而对砂岩内部微观结构的影响较小,随着干湿循环次数的增加,砂岩内部微观结构没有发生明显的变化,而粉砂质泥岩内部微观结构逐渐松散,空隙逐渐扩张甚至相互联结发育产生明显的贯通裂纹;无论巴东组粉砂质泥岩还是砂岩,干湿循环对岩石内部微观结构的劣化作用均呈现前期显著、后期较小的规律,即岩石内部微观结构对干湿循环作用劣化效应的敏感性随干湿循环次数的增加而降低。

基于CT试验的矽卡岩冻融细观损伤扩展机理

利用岩石CT扫描技术对冻融循环作用下的矽卡岩试样进行扫描,得到了不同冻融循环次数下矽卡岩的冻融损伤结构劣化特征。运用数字图像处理技术对矽卡岩的损伤结构劣化特征进行提取,初步分析了冻融循环过程中矽卡岩内部裂隙损伤的演化过程。根据岩石损伤力学,选取以图像像素点数量所表示的损伤变量,建立了矽卡岩损伤变量与冻融循环次数间的关系曲线,以此对矽卡岩的细观损伤扩展机理进行了定量研究。研究结果表明:随着冻融循环次数的增加,矽卡岩损伤变量呈现先降后增的变化规律;受冻融条件影响,矽卡岩细观损伤劣化程度也随之增大。

基于CT扫描的黄土孔隙结构特征研究

孔隙特征作为反映黄土微观结构的重要特征之一,直接影响黄土的水敏性、渗透性和强度等物理力学性质。为了研究水力耦合作用下黄土微观孔隙结构特征,使用CT技术对天然原状、原状饱和与重塑黄土的初始结构以及不固结不排水剪切试验后的土体结构进行了扫描,通过建立黄土三维结构模型,分析了剪切试验前后孔隙结构的演变特征。结果表明:饱和与重塑作用使天然原状黄土的大孔隙减少,剪切作用使天然原状黄土和重塑黄土发生剪切破坏,原状饱和黄土发生压缩破坏,局部孔隙率增加。天然原状黄土与原状饱和黄土在剪切前后均表现为微孔和小孔数量较多,其孔隙倾角主要分布在50°~90°之间,解释了黄土亚稳态结构形成的主要原因。扰动作用使重塑黄土的孔隙尺寸分布均匀,且重塑黄土与原状饱和黄土在水力作用下更易失稳屈服。揭示了黄土剪切变形破坏的微观结构主要表现为粒间胶结物的溶解、孔隙的坍塌与填充以及颗粒旋转、破碎和滑移。试验结果可为黄土剪切强度降低和湿陷机理研究提供依据。

基于CT扫描的砂岩主次裂纹扩展特征及影响因素研究

为了研究岩石在压应力条件下主次裂纹的萌生及扩展规律,对砂岩在单轴压缩条件下的破裂过程进行CT扫描试验,分析了砂岩中主次裂纹的形貌特征;同时,定量探讨了砂岩在不同变形阶段主裂纹的表面积和体积以及次生裂纹的分形维数,并运用Image pro plus 6.0和Image J软件计算了砂岩在不同高度位置主次裂纹的长度和数量,研究了主次裂纹的扩展及其影响因素。研究结果表明,主导砂岩破裂的是萌生于砂岩表面两种不同方向的主裂纹,主裂纹表面积和体积的增长速率随着荷载水平的增加而不同。在主裂纹的周围产生了许多次生裂纹,次生裂纹的分形维数随着荷载水平的增加而非线性增加。不同荷载水平下,砂岩在不同高度位置的主次裂纹长度和数量变化各不相同。在砂岩破坏前,影响砂岩主次裂纹扩展的主要因素是主裂纹的长度,在砂岩破坏后,影响砂岩主次裂纹扩展的主要因素是次生裂纹的长度。该结论对未来岩石破坏失稳的预测分析奠定了理论基础。

软岩注浆力学改性试验研究

以注浆理论研究为指导,提出了一种新型注浆材料并阐述软岩力学改性原理,对软岩注浆前后采用工程实测及显微CT扫描试验的方法,分别从宏观、微观的角度并结合工程实践诠释软岩力学改性成效。

巴东组紫红色泥岩干湿循环强度弱化特性的试验研究

三峡库区发育有大量三叠系巴东组第四段紫红色泥岩(T 2 b 4,简称为巴东组紫红色泥岩),受库水位升降的影响其强度易弱化而影响库岸边坡的稳定性,开展三峡库区巴东组紫红色泥岩强度弱化特性的研究可为相关工程地质条件的评价提供参考。首先,依次开展了干湿循环试验和三轴压缩试验,分析巴东组紫红色泥岩的强度弱化特性,并通过CT扫描试验观察试样表面与内部的细观损伤特性;其次,基于CT扫描重构模型,开展了考虑试样内部初始损伤的三轴压缩条件下数值模拟试验;最后,基于岩石的变形特征,提出考虑岩石变开过程压密阶段的能量消耗的一种新的能量耗散模型。试验结果表明:0~10 kPa预应力下的干湿循环试验只对试样表面粗糙度有轻微的影响;干湿循环条件下,试样的峰值强度和残余强度与干湿循环次数呈负线性相关;基于CT扫描重构模型的试样三轴压缩数值模拟试验结果与室内三轴压缩试验结果具有较好的一致性,能体现试样内部的初始损伤特性,更符合实际;改进后的能量耗散模型适合于分析考虑岩石压密阶段的变形过程。

干燥失水条件下膨胀土的细观裂隙演化特征研究

干燥失水现象是引起膨胀土裂隙萌生和扩展的关键性因素,裂隙的演化过程对土体结构完整性和地基的长期稳定与安全具有重要影响。为了研究膨胀土干缩裂隙的演化特点,对原状土试样开展显微CT扫描试验,结合图像分析技术获取了土体细观裂隙的二维/三维图像与特征参数,从定性和定量角度分析了干缩裂隙的演化规律。结果表明:三维重构后的数字模型还原了膨胀土在干燥过程中的体积收缩特征,与试样实测的体积有较好的一致性;从显微CT图像中可以提取细观裂隙的量化指标,如裂隙率、裂隙数量、裂隙体积与裂隙结构特征参数等;随着含水率从24.0%下降至12.0%,膨胀土的裂隙率、裂隙体积呈增大趋势,裂隙数量呈减小趋势;根据裂隙的体积和几何形态特征将其分为连通裂隙和独立裂隙,干燥过程中连通裂隙的体积占比显著提高,独立裂隙数量不断减少;球棒模型有效地模拟了膨胀土裂隙的几何形态特征,在干燥失水过程中等效孔隙半径、喉道半径、喉道长度与孔喉配位数均有增大趋势,裂隙连通性显著增强;SEM图像表明细观裂隙的连通与黏土颗粒排列形式、粒间孔隙发育程度等存在重要关联。

化学腐蚀下砂岩三轴细观损伤机理及损伤变量分析

利用 CT 识别技术对化学腐蚀下的砂岩进行了三轴加载全过程的即时扫描试验,得到了在不同级荷载作用下砂岩的压密、微裂纹萌生、扩展和破裂的 CT 图像和 CT 数,分析了砂岩损伤演化的细观机理。同时,建立了一个基于化学腐蚀影响和 CT 数的损伤变量模型。

高温重复荷载作用下复合纤维沥青混合料细微观结构分析

为研究高温重复荷载作用对复合纤维沥青混合料细微观结构的影响,基于加速加载试验,对掺加三种复合纤维和不掺加纤维的沥青混合料车辙变化规律进行研究。采用CT扫描试验,对加速加载前后各组沥青混合料的平均空隙体积和粗集料水平倾角的变化规律进行研究。结果表明:相比于不掺加纤维的沥青混合料,掺加复合纤维后,沥青混合料的抗车辙能力显著提升,其中掺加复合纤维Ⅲ的沥青混合料车辙深度减少了61%;掺加三种复合纤维后,沥青混合料平均空隙体积有所降低,粗集料水平倾角有所增加,在高温重复荷载作用下,复合纤维能够显著减缓沥青混合料平均空隙体积的增加幅度,增幅在13%以内,同时减缓粗集料水平倾角的降低幅度,降低值在6.6°以内;沥青混合料车辙深度与加速加载前平均空隙体积、粗集料倾角变化均存在较好的线性相关性。

岩石初始损伤及其对单轴抗压强度的影响研究

为获取岩土初始受损程度对岩石力学性质的影响,采用CT扫描技术对软岩(黏土岩)和硬岩(大理岩)的初始受损程度及其对单轴抗压强度的影响进行了研究。软岩受损是通过不同的保护条件使岩石受到损伤,硬岩受损是通过取样方式的不同致使岩样受损。CT扫描试验研究表明混凝土保护条件下受损软岩岩样的CT平均数最高,天然敞露条件下的次之,干湿循环条件下的最低,CT平均数高的对应的岩石单轴抗压强度就越高,CT平均数低的对应岩石单轴抗压强度也越低,受损程度不同的软岩CT平均数呈现一定的规律性。采用无损取样的硬岩岩样初始损伤的程度明显比常规取样的硬岩岩样初始损伤程度低。硬岩岩石的初始受损程度影响其抗压强度,无损取样的大理岩CT数和单轴抗压强度值均高于常规取样的大理岩的CT数和单轴抗压强度值。

振动荷载作用下冻土结构弱化机理研究

基于低温动三轴试验及CT扫描试验对不同围压、负温下冻结粉质黏土的弱化机理进行了分析研究,利用冻结粉质黏土动三轴试验前、后的CT扫描试验数据与图像,定量分析了冻土的密度、结构及损伤度等方面的变化及动三轴试验前、后CT数增量、方差增量与围压、负温之间的关系。分析了在振动荷载作用下冻土内部孔隙、裂隙扩展过程,从附加损伤的角度证实了临界围压值的存在,明确了冻结粉质黏土结构弱化的根本原因是孔隙冰的压融和微裂隙的发育。

火灾高温对混凝土残余强度和微观结构的影响

为了研究混凝土力学性能和微结构的耐火性特征,对混凝土试件进行不同高温的加热作用,然后开展相应的三轴压缩试验和CT扫描试验。结果表明,随着加热温度增加,混凝土试样的三轴试验峰值强度逐渐减小;在相同温度下,试件的残余峰值强度随固结围压增大呈线性上升趋势;根据CT扫描试验获得的混凝土二维/三维图像发现混凝土的孔隙度和平均孔隙半径随着温度增大而逐渐上升;混凝土的残余强度随温度升高存在明显劣化效应,其原因是作用于混凝土试件的温度越高,混凝土内部高温裂解效应越明显,导致孔隙体积增加,从而使得热裂解后的残余强度相对降低。本试验研究结果为深入认识粉煤灰混凝土耐火性的特征提供了参考。

渗透环境下受腐蚀裂隙岩石各区域密度变化特征

在外部荷载作用下,岩体不同区域物理力学性质有不同的响应。通过CT扫描实验,对渗透及无渗透环境下受化学腐蚀预制裂隙岩样在三轴压缩下不同区域密度变化特征进行了研究。结果表明:渗透环境下各区域CT数相对于初始扫描状态CT数的减小程度远大于无渗透环境,说明由于渗透水压力作用,加剧了岩石密度劣化程度。微裂隙压密阶段岩样的压密主要发生在裂尖所在层面,在裂尖所在层面处微裂隙压密又主要发生在岩样中心区域,无渗透环境下该现象比渗透环境突出得多。在无渗透环境下,上、下裂尖所在扫描层CT数变化率远大于其它各扫描层;而渗透环境下上、下裂尖所在扫描层变化规律则与其它各扫描层相似,表明渗透水压力对各区域均产生明显的破坏影响作用。

帕色河粉砂岩的三轴强度特性及微观结构研究

为了研究帕色河水库的坝基粉砂岩强度和微观结构特点,对不同粒级的砂岩开展三轴剪切试验和CT扫描试验,旨在获取不同粒级砂岩的强度特征和微结构特征。结果表明,不同粒级砂岩的三轴剪切试验结果有明显差异,细砂岩试样的强度最大,中粒砂岩次之,粗粒砂岩最小,即粉砂岩强度存在“粒度效应”;相同粒级的砂岩抗剪强度与固结围压值存在较好的线性关系;由CT扫描试验获得砂岩孔隙的二维截面图像,对图像信息进行统计,发现孔隙度和平均孔隙半径随着颗粒粒径的增大而增加;砂岩强度存在“粒度效应”的原因是:随着砂岩颗粒粒径的减小,其内部的孔隙数量和尺寸均减小,粉砂岩的致密程度有所增加从而使得其强度特性相对提高。

冻结掺砾黏土应力-应变特性及破坏应变能密度研究

掺砾黏土是指由黏土和砾石组成的土石混合料,随着众多寒区工程相继投入建设,对其低温力学特性进行研究具有重要意义。首先对常温压实掺砾黏土开展CT扫描试验,得到不同掺砾量试样的骨架和孔隙结构分布特征,随后针对冻结掺砾黏土开展系列无侧限抗压强度试验,研究温度、掺砾量、含水率、加载速率对其应力-应变特性和破坏应变能密度的影响。试验结果表明:冻结掺砾黏土呈现出典型的脆性破坏特征,其破坏特征受温度、掺砾量、含水率和加载速率影响显著;冻结掺砾黏土的破坏应变能密度随温度的升高和掺砾量的增大均降低,随加载速率的增加而非线性增大,并且随含水率的增加呈现出先增加后减小的变化趋势,即存在一个“临界含水率”使得其抵抗破坏能力最强。