基于数字图像的非均质岩土工程材料的数值分析方法

提出了一种基于数字图像的非均质岩土工程结构的二维数值分析方法。以花岗岩为例,先将岩石的表面图像导入计算机中;然后采用基于彩色空间的数字图像技术将组成花岗岩的几种主要材料:长石、石英和黑云母一一分辨出来并再现岩石的细观结构;再通过一个简单的线性转换,将图像细观结构转换为矢量细观结构;最后,岩石的矢量细观结构可以与数值计算方法--有限元法或有限差分法结合,从而实现非均质岩石材料的力学分析。采用有限差分法FLAC程序来分析岩石的破坏过程。传统室内试验数值模拟表明材料的细观结构对应力分布和破坏模式有着明显的影响,基于数字图像的数值分析方法可以真实地实现岩土工程材料的非均质分析。     

基于真实细观结构的岩土工程材料三维数值分析方法

提出基于真实细观结构的岩土工程材料三维数值分析方法。运用数字图像技术，将岩土工程材料的表面图像转换为材料的真实矢量细观结构。然后通过一种简单变换，将该矢量结构转换为单层的三维结构。最后采用研磨及扫描循环系统，逐步扫描并生成每一层材料的表面细观结构，将这些沿深度方向连续的细观结构逐层逐层叠加起来，从而形成了整个试件的三维真实细观结构。该细观结构可以与传统数值计算方法耦合来分析非均质岩土工程材料的力学性能。以香港花岗岩为例，采用有限差分法软件FLAC^3D，分析岩石在单轴受压情况下的三维应力分布及裂纹的产生及扩展过程。计算结果显示真实细观结构能显著影响材料的力学性能及破裂模式。     

基于CT技术的混凝土三维有限元模型构建

提出了一种基于CT数字图像技术的混凝土材料三维有限元模型构建的新方法.首先,采用医用CT扫描系统,对混凝土试样进行逐层扫描,生成材料的内部细观结构图像,利用CT图像的三维重构技术,将得到的剖面细观图像逐层叠加,形成三维细观结构图像;然后,将该图像映射到有限元程序中进行三维网格剖分,建立真实状态下的混凝土细观数值分析模型;在此基础上,对钢纤维混凝土进行了劈裂试验.结果表明,这种基于CT技术的数字图像三维有限元模型构建方法可真实地反应混凝土材料的内部结构与材料的固有力学特性,其数值分析结果与物理试验结果吻合,是数值分析领域中的一种新的尝试与创新.     

冻结岩石细观结构及温度场数值模拟研究

冻结岩石是一种内部结构及其复杂的岩土工程材料,热学特性与其细观结构密不可分.随着计算机技术的飞速发展,数字图像处理技术已经越来越多地应用于岩土工程领域.利用数字图像处理技术建立冻结岩石的细观结构模型,精确地描述页岩内部的空间结构及细观介质分布的几何形态.利用几何矢量转换技术,将细观结构模型转换为有限元物理模型,分析了负温条件下非均质冻结岩石冻融循环过程中的温度场分布规律.数值模拟结果表明:岩石的细观结构决定了冻融岩石温度场的分布形态,对岩石冻融损伤破坏过程产生不可忽视的影响.文章所提出的方法可实现考虑冻融岩石细观结构的冻土热、力学特性的定量分析.     

岩土细观介质空间分布数字表述和相关力学数值 分析的方法、应用和进展

介绍和总结近十多年来研究实际岩土细观介质空间分布的方法，以及基于实际细观介质空间分布数学表述而建立的力学数值计算网格自动生成的方法和应用，该项研究可为解决岩土力学主流方法常遇到的岩土模型与参数给小准和本构关系模型种类繁多这两个重要问题提供可行途径。该可行途径主要包括采用数字图像技术来对岩土材料内部细观不同介质的空间分布进行精确测量和数值表述以及采用相应的数值计算方法。研究结果表明，数字图像技术可以用来准确量测和表述岩土内部各种介质的实际空间分布，这些空间分和数据可以用来建立岩土内部不同细观介质的空间分布和相应数值计算网格，并通过与现有的数值计算方法如有限元法或有限差分法相结合来实现考虑真实岩土材料不同种细观介质及其空间分布的力学数值分析和预测。进一步探讨如何应用该方法来建立微观-细观-宏观不同尺度耦合的真实岩土力学分析和预测方法与理论。SCI论文检索结果表明，所提出的方法和途径是岩土力学相关研究和探索的最新进展。     

基于真实细观模型的再生混凝土破坏数值研究

在细观层次上视再生混凝土为非均匀六相复合材料,综合数字图像处理技术、几何矢量转换技术与有限元网格自动生成方法,提出了再生混凝土的细观有限元分析方法.根据再生混凝土各相材料的力学特性,利用自动动态增量非线性分析软件对单轴拉伸、单轴压缩作用下再生混凝土试件的细观损伤过程及宏观力学性能进行了模拟分析.在验证了所建立再生混凝土真实细观模型合理性的基础上,通过变参数分析,讨论不同天然骨料、界面过渡区和新老硬化砂浆的力学性能对再生混凝土宏观力学性能的影响.结果表明:真实骨料细观模型能更真实地模拟再生混凝土在荷载作用下的损伤破坏过程,其模拟结果与试验结果吻合较好;天然骨料力学特性对再生混凝土的破坏过程和破损路径有较大影响,天然骨料弹性模量越大,应力集中现象越明显;再生混凝土强度随新砂浆强度增大而增大,老砂浆力学性能对再生混凝土宏观力学性能的影响弱于新砂浆;再生混凝土的界面过渡区处存在拉应力和剪应力集中现象.     

基于数字图像的岩石非均匀性表征技术及初步应用

依据数字图像处理理论,研发出一种基于数字图像的岩石非均匀性表征技术。该技术描述的非均匀性更接近于岩石的真实非均匀性,并将其映射到有限元网格中,与原有的岩石破裂过程分析系统（RFPA）相结合,建立一种更能准确反映岩石细观结构的数值模型,从而弥补传统数值方法所采用统计理论表征岩石非均匀特性的不足。通过对2种常规试验（单轴压缩和单轴直接拉伸）的数值模拟,再现花岗岩试件在荷载作用下的真实破裂过程。数值模拟结果表明：岩石的细观结构对岩石的力学性能和破坏过程有重要影响。该方法为进一步研究岩石、混凝土等非均质材料的力学特性和破坏机制提供一种新的手段。     

全级配混凝土二维细观模型的自动生成

将COMSOL软件与MATLAB软件有机结合,提出基于数值图像处理技术和骨料嵌入判别准则的混凝土细观数字模拟方法,实现了全级配混凝土二维细观几何模型和有限元模型的自动生成.骨料的生成主要依据混凝土级配中的骨料粒径分布,骨料的投放以骨料颗粒不相互嵌入为原则.为了验证该方法的有效性,采用4种形状的粗骨料试件进行模拟.结果表明:对于骨料含量高的全级配混凝土细观模拟试件,无论是骨料投放还是有限元网格自动剖分,此方法均可获得较高效率.     

岩土材料破损过程的细观数值模拟

探究岩士材料破损机制必须考虑其非均质性。岩土破损力学将岩土材料抽象成由胶结元和摩擦元组成的二元结构体，在细观尺度上分别把胶结元看成理想弹脆性的和把摩擦元看成理想弹塑性的材料，通过受荷过程中胶结元破损并逐渐向摩擦元转化来模拟岩土材料的破损过程，最后给出平面应变单轴受压应力状态下的数值算例。数值算例结果表明，基于岩土二元介质概念的细观有限元方法可较好地模拟岩土材料的破损过程和变形特性。     

土石混合体细观结构及力学特性数值模拟研究

土石混合体是一种非常复杂的不连续介质。随着数字图像处理理论的飞速发展,数字图像处理技术已经成功地应用于多种学科领域。通过利用数字图像处理技术建立土石混合体细观结构“概念模型”,并对其内部块体分布的结构特征进行统计分析研究,研究结果表明土石混合体的“混乱”状态只是其外在表现,其内部块体的分布具有良好的统计自相似性特点。利用几何矢量转换技术,将二元数字图像下土石混合体的概念模型转换为有限元软件可以接受的矢量格式,从而为土石混合体细观结构数值模拟提供基础。土石混合体大尺度直接剪切试验的数值模拟结果表明,土石混合体中的块石对其内部应力场具有明显的影响,从而影响了其相应的变形破坏形式。提出了内部塑性区扩展可能存在的3种模式。     

Study on the mesostructure and mesomechanical characteristics of the soil–rock mixture using digital image processing based finite element method

The soil–rock mixture (SRM) is a kind of inhomogeneous geomaterial, which poses difficulties of in situ sample acquisition and in laboratory geomaterial tests; hence, the study of the SRM's mechanical properties is still at an early stage. In this paper, the technique of digital image processing based on the finite element method (DIP-FEM) is introduced to study SRMs in the Leaping Tiger Gorge Reservoir Area, China. Based on the DIP, the mesostructural characteristics of the SRM are analyzed statistically. The mesostructural concept model of SRM that can actually represent the inhomogeneity of SRM is built. By using geometry vectorizaiton transformation, the mesostructural model of SRM in the binary image format has been translated into a vector format (such as DWG or DXF format) which can be imported into the finite element software. By using the finite element method, two large-scale direct shear tests of inhomogeneous SRM and homogeneous soil are simulated. The numerical results indicate that the existence of “rock” blocks in SRM will greatly influence the distribution and the failure models of the internal stress field. As a result, three kinds of failure models of the SRM are put forward.     

基于DSCM-FEMU的岩石力学参数反演研究

将数字散斑相关方法(DSCM)与有限元模型修正方法(FEMU)相结合,建立了岩石力学参数反演流程。首先,通过数字散斑相关方法,获取实验中岩石试件受载条件下的应变场;其次,利用有限元模拟方法,获取数值模型中的应力场;最后,构建最小二乘目标函数,并且通过不断更新有限元模型中给定的力学参数进行优化计算。当目标函数收敛时,得到与实验结果最匹配的力学参数。研究结果表明:(1)数字散斑相关方法与有限元模型修正法相结合,可以实现材料的力学参数反演;(2)得到以实验应变场、有限元应力场、材料弹性模量和泊松比组成的参数优化目标函数;(3)以三点弯曲实验为例,反演得到花岗岩的弹性模量和泊松比。     

基于数码摄影技术的岩体裂隙测量方法初探

基于数码摄影技术的岩体裂隙测量法，是一种与传统测量完全不同的新方法，可以高效率地测量岩体裂隙。基于数字图像处理理论，针对裂隙图像的特点，对这一新方法进行了比较全面地探索，提出了裂隙图像的现场采集方法及其解译路线，重点研究了智能识别方法，并研发了相应的处理软件。按照上述解译路线，应用自编裂隙图像处理软件，对从野外实拍的典型数字裂隙图像进行了试算、分析和总结，初步证明了此解译路线的可行性。     

Digital image-based numerical modeling method for prediction of inhomogeneous rock failure

This paper presents a two-dimensional digital image-based numerical modeling method for prediction of inhomogeneous rock failure behavior under loadings. Actual inhomogeneities of granitic rocks are extracted from color images of the granite cross-sections. They are represented as the internal spatial distribution of three main granite minerals (quartz, feldspar and biotite). The actual mineral spatial distribution on granite cross-section is then incorporated into conventional numerical software packages to examine the rock failures under loading. Some digital image processing algorithms are presented to isolate and identify the main internal minerals and their distribution from color digital images. A simple method is proposed to transform the actual image data into vector data for generation of finite meshes or grids. The vector data are used directly as uniform square element meshes or grids that can be inputted into the existing software packages. The finite difference software package FLAC is used as an example for the present investigation. The conventional Mohr–Coulomb and tensile stress failure criteria are used to examine the failure behavior of a circular granite cross-section under the conventional Brazilian indirect tensile test loading conditions. The numerical results indicate that the vertical tensile crack initiates in a biotite located near the geometrical center of the granite cross-section and the actual spatial distribution of the three minerals plays an important role in modifying the propagation pattern of the tensile crack from its theoretical position at the central vertical diameter of a homogeneous circular cross-section. The numerically predicted failure load and tensile strength values for inhomogeneous granite are much lower than the expected values.     

岩土材料的离散元分析

采用离散元软件PFC3D和超颗粒单元进行岩石破碎研究．对球形岩石颗粒的单轴压缩状态和力链分布进行了分析．获得了岩石颗粒在初始状态,压缩状态的球颗粒分布形态和力链轨迹和岩石破碎的迹线分布。这种方法直观有效的分析了岩石破碎的过程．且通过有限元分析达到两相验证的结果．为深入研究岩土材料的离散特性提供了参考与支持。     

基于数字图像处理的冻融页岩温度场的数值分析方法

利用数字图像处理技术与有限元软件ANSYS相结合的方法对冻融岩石CT图像进行处理,获得岩石细观结构图像,分析冻融岩石的温度场分布规律。结果表明,数字图像处理技术可以准确地描述岩石损伤的空间分布,最大限度地挖掘利用岩石CT图像所隐含的信息。岩石细观结构图像与有限元法的结合可实现考虑岩石细观介质及其空间分布的冻融温度场的有限元模拟,岩石的细观结构决定了冻融岩石温度场的分布规律,其对岩石冻融损伤破坏过程有重要影响。提出的冻融岩石温度场研究方法可从细观尺度探索寒区岩石工程冻害产生的原因,为解决寒区岩石工程冻胀、融沉问题提供新的方法。