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。     

岩土工程材料的数字图像有限元分析

综合数字图像处理理论、几何矢量转换技术与有限元网格自动生成原理，提出了岩土工程材料的数字图像有限元分析方法。以岩土工程材料的图像为研究对象，先采用数字图像算法扶得材料的真实细观结构；然后，通过几何矢量转换技术将二元图像的细观结构转化为矢量化的细规结构；在矢量化细观结构的綦础上，再利用网格自动生成技术生成材料细观结构的有限元网格；最后，采用传统的有限元计算理论，对细观结构中的不同材料赋予相应的材料参数，从而实现了岩土工程材料的非均质力学分析，真实地反映了岩土工程材料的力学性能。以花岗岩为例，详细阐明了实现数字图像数值分析方法的整个过程。Brazilian试验的数值模拟表明，材料的细观结构对Brazilian圆盘中轴线上拉应力的分布有着明显的影响，数字图像数值分析方法可真实地实现材料的非均质研究。     

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.     

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。     

基于相场法的花岗岩弹塑性损伤模型及其细观力学行为研究

花岗岩的细观非均质性对其损伤破坏行为有着重要影响。基于热力学原理和力与能量平衡方程,在经典相场模型框架内引入适合岩石类材料的非关联塑性本构关系,构建弹塑性相场模型,通过与解析解和试验数据对比,验证了其正确性和可靠性。在此基础上,采用数字图像处理建立符合真实细观结构的花岗岩非均质数值模型,并对其三轴压缩试验进行数值模拟,在细观尺度预测其宏观力学行为以及分析岩石裂纹扩展机制。研究结果表明：通过与试验数据和传统弹脆性相场模拟结果对比,建立的基于花岗岩真实细观结构的弹塑性相场模型可以很好地捕捉其宏观非线性力学行为;花岗岩的内部裂纹的起裂、扩展以及局部应力场的分布会受到矿物颗粒的力学性质、几何形状及分布的影响。该研究方法为今后研究岩石多尺度损伤破坏问题提供一种简单有效的途径,对评价地下工程中围岩力学性质有着重要的工程实践意义。     

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。     

岩石类非均质脆性材料破坏过程的数值模拟

用梁–颗粒模型BPM2模拟了岩石的破坏过程。梁–颗粒模型是在离散单元法基础上,结合有限单元法提出的用于模拟岩石类材料破坏过程的数值模型。在模型中,采用3种类型梁单元随机分布来模拟岩石类材料力学参数的空间变异性,并通过自动生成的非均质材料模型对岩石类材料的破坏机理进行了研究。岩石类非均质脆性材料在单轴受压状态下破坏过程细观数值模拟结果显示,岩石材料宏观破坏是由于其内部细观裂纹产生、扩展、贯通的结果。与实际矿柱破坏形态的对比分析表明,梁–颗粒模型是计算和模拟岩石类脆性材料破坏问题的有力工具。     

裂隙花岗岩各向异性蠕变特性研究

 由于岩石的非均质性、裂隙的存在以及所处地质环境的复杂性,岩样在蠕变破坏过程中通常表现出各向异性的特点。为了描述岩石的这种各向异性蠕变性质,在经典弹黏塑性理论的基础上,提出黏塑性流动系数张量表达式,建立岩石各向异性弹黏塑性蠕变模型,将该模型嵌入到三维弹塑性细胞自动机模型中,开发岩石蠕变过程分析的三维弹黏塑性细胞自动机模拟系统(EPCA3D-EVP),建立非均质岩石蠕变破坏过程的分析方法,该方法通过常规三轴数值试验来确定细观单元的强度和变形参数,通过蠕变试验确定其黏塑性流动系数,克服岩石力学模拟中“数据有限”的瓶颈问题,并通过对甘肃北山核废物地下处置候选场址的裂隙花岗岩三轴蠕变试验验证该模型和分析方法的正确性,合理地描述裂隙花岗岩在渗流–应力作用下产生各向异性的宏观现象。     

细观结构的非均质性对花岗岩强度及变形影响的颗粒流模拟

基于等效晶质模型建模方法,利用颗粒流软件PFC2D实现对花岗岩细观结构的重建,开展了一系列不同围压下的花岗岩常规三轴压缩试验研究。揭示了晶体粒径分布所造成的细观结构上的非均质性和Mohr–Coulomb强度准则和Hoek–Brown强度准则中各参数的关系以及对岩石脆性的影响。研究结果表明,非均质性对岩样受压加载情况下的应力–应变曲线具有显著的影响。随着非均质因子增加,岩石由均质变为非均质,弹性模量逐渐减小,泊松比增加。随着非均质性因子的增加,岩石抗压强度减小、内聚力增加、内摩擦角减小。对同一类花岗岩而言,Mohr–Coulomb强度准则和Hoek–Brown强度准则中各参数的取值并非恒定,而是一定程度上依赖于内部的细观结构。当岩石细观结构变化时,两种强度准则中的参数也随之改变。细观结构的非均质性对岩石的脆性指标影响较大,随着非均质性因子的增加,岩石脆性指标减小。     

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.     

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.     

基于iS3平台的岩体隧道信息精细化采集、分析与服务

由于岩体工程的复杂性和隐蔽性,传统的建模和分析方法难以满足较高精度的要求。针对此问题,在基础设施智慧服务系统(i S3)平台框架内,将一系列岩体隧道工程中高精度采集与分析方法及技术进行了改进和高度集成,形成一套针对岩体隧道的精细化采集、分析与服务系统,并应用于工程实践。其中,在信息采集方面,采用三维数字照相与三维激光扫描技术,对岩体表面及节理面的几何信息进行高精度的采集与重构。在此基础上,自动化地生成岩体的数字模型,然后针对不同数值方法,使用三维网格剖分或块体切割技术,将数值分析所需要的数据,集成到依据工程信息自动生成的数字模型中,实现岩体隧道的数字数值一体化。在数值分析方面,采用基于三维非线性破坏准则的有限元连续分析模块,或者集成了三维关键块体分析与非连续变形分析(DDA)的非连续分析模块,可以针对不同的工程条件及需要,进行精细化的三维连续或非连续数值分析。将以上设备及软件模块,在i S3平台上从集成为高度一体化的系统,开发工程管理、信息展示、安全分析及辅助设计等功能,以精细化、定量化分析结果为依据,实现精细化和远程化的工程辅助决策与服务,并在多个岩体隧道工程中进行了应用。     

基于BIM技术的岩溶发育区岩质高陡边坡稳定性分析

为解决岩溶发育区岩质高陡边坡研究中特殊地质情况无法可视化表达,以及在复杂地质情况下边坡稳定性分析的数值模拟模型与实际情况不匹配、分析结果不够精确等问题,提出了利用BIM技术对岩溶发育区岩质高陡边坡进行建模并通过多种有限元方法进行对比验证及分析的解决方案。以桂林市兴安至阳朔公路延长线工程K5+420～K5+740段为工程背景,通过地质勘察、钻孔电视、赤平投影和取样试验得到岩土体强度参数等数据,采用钻孔建模与剖面建模相结合的混合建模方法,创建该段边坡BIM三维数字地质模型,将精细化的BIM模型通过布尔运算剖切最不利剖面,无损导入有限元分析软件,并通过有限元分析方法以及摩根斯坦-普拉斯法对该段边坡工程从自然工况到支护加固工况的稳定性及失稳过程进行分析,提高了计算效率和精度。分析了边坡在各种工况下的安全系数、位移及应变云图,查明了边坡在自然工况下易失稳破坏的原因,并进行了支护后再验算。结果表明:在复杂地质情况下构建三维地质模型并结合有限元分析方法进行边坡稳定性分析,其安全系数达到稳定标准; 该研究提高了边坡工程效率,并为边坡工程的设计及施工提供了技术支持和科学依据。     

非均匀性岩石破坏过程的三维损伤软化模型与数值模拟

通过建立岩石三维细观损伤软化力学模型,结合统计技术考虑岩石细观非均匀性,编制了岩石破裂过程分析软件RFPA3D,模拟了单轴压缩下不同细观残余强度下的三维应力场变形场分布以及破坏形态,分析了细观结构非均匀性和残余强度对岩石损伤软化过程和宏观力学性能的影响。结果表明,岩石损伤破裂过程中应力–应变关系、残余变形特征和峰值强度不仅与结构相关,而且与细观损伤软化模型、细观非均匀性和残余强度紧密相关。     

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.     

Predicting excavation methods and rock support: a case study from the Himalayan region of India

The Tapovan Vishnugad hydropower project (4 × 130 MW) in the Himalayan region of India, has been used as a case study to compare the problems and cost-effectiveness of a TBM or drill and blast excavation of the headrace tunnel and to assess the rock support measures for the powerhouse cavern. The NTH time and cost prognosis model indicated that the TBM would give a better weekly advance rate and unit excavation cost for the headrace tunnel. The Phase 2 finite element numerical modeling tool and the Hoek–Brown failure criterion were used to analyse the stresses and displacements likely to be experienced in the underground excavations. The rock support determined was compared with that indicated using the Q-method. The work has shown that numerical modeling can prove very useful in supplementing the results, provided the input parameters are accurate and take into account both direct measurements and judgment based on experience of the actual ground conditions.