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一种岩土数字REV尺度近似判据及取样验证方法
发布时间: 2022-02-17
基本信息
合作方式：
技术服务
成果类型：
新技术
行业领域：
高端装备制造产业,制造业
成果介绍
背景技术
岩土REV(Representative Elementary Volume)的存在性及其确定是岩土力学与工程领域的一个基本科学问题，决定了断续/多孔岩土体能否采用连续介质力学理论与方法开展分析研究工作。岩土REV的概念最早由Bear在研究多孔介质土体渗流时提出，后被引入裂隙岩体、数字岩芯及土壤物理等涉及岩土介质的多学科领域。但是，由于岩土介质内部复杂结构“看不见、摸不着”的“黑箱”属性，导致难以对其进行准确表征与直观显示，造成了诸多工程实际问题分析与研究的困难。
近年来，随着CT这一无损探测技术的发展，人们已经可以在一定程度上打开岩土介质内部复杂结构这一“看不见、摸不着”黑箱(黑箱变灰箱)，对其微细观结构进行可视化与定量表征分析(如孔/裂隙、颗粒的几何特征与空间形态)，进而以此为基础进行后续表观物理力学行为研究，揭示对宏观物理力学行为起控制作用的内禀机制。尽管上述研究目前已取得了长足的发展，但仍存在一些问题。比如，CT扫描往往会获取大量的数字图像，数据量巨大，理论上全部用于统计分析更能有效表征岩土介质的微细观结构和宏观特形。但是，受制于计算机的存储和计算能力，全部数据用于后续统计分析以及模拟计算的时间和成本过高而难以实施。因此，有必要从所有数据图像中选择特定感兴趣区域内的表征单元体(REV)简化分析过程，以较小的部分数据较完整地保存所需信息，在表征精度与计算效率、成本之间找到合理的平衡点。综合分析后发现，目前岩土数字REV尺度的确定多采用理论分析、数值模拟或者室内/现场实验确定，多以孔隙率、弹性模量、渗透系数等参数进行约束，不同程度的存在理论复杂、计算成本高、周期长等问题，还没有一种简单、合理并且有效的定量化确定、取样及验证方法。
发明内容
首先使用分形几何理论基本方程分析岩土介质中孔隙数量与其度量尺度孔径，具体包括孔隙圆/球形等效直径或半径信息间的分形标度关系式；其次采用毛细管(束)模型描述岩土多孔介质内部孔隙结构然后使用立方体REV的边长L0代表其尺寸，理论分析几何参数关系，建立与边长L0和最大孔隙半径rmax相关的多参数解析表达式；最后通过对该多参数解析表达式与现有的不同的多孔介质的孔隙大小分布分形维数与孔隙率关系实验数据进行拟合得到边长L0与最大孔隙半径rmax间的近似关系，该近似关系即为岩土数字表征单元体尺度确定的近似判据；
选择所需研究的岩土试样进行CT计算机断层扫描，获得岩土试样不同层位横断面的CT灰度图像，并根据试样尺寸与CT图像像素数量计算单个像素对应的实际物理尺寸L；将CT扫描后的上述岩土试样通过压汞法、氮气吸附法或核磁共振法实验测试获得其孔径分布曲线和最大孔径信息，然后利用岩土数字表征单元体尺度确定的近似判据确定岩土试样数字REV的实际物理尺寸L0-x，将L0-x/L取整处理后得到比例系数M，M即为所研究的岩土试样数字表征单元体所需的CT切片图像数量，为了消除边界效应，设单个CT切片图像选择中心M×M像素大小区域，高度方向选择中心M张CT切片图像所形成的M×M×M体素大小立方体即可认为是该岩土试样的数字表征单元体。
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