基于数字图像与数值计算的节理岩体锚固效应研究

为了研究锚杆对裂隙岩体的加固作用,通过自主研发的数字图像相关(DIC)试验技术和离散元(DEM)数值计算方法,对预置裂隙岩体试样锚固前后进行测试。从细观层次量化分析了加载过程中两类岩体(未锚固和锚固岩体)裂隙的起裂、扩展等特征,对比了数字图像测量的位移场,应变场和裂隙张开度(COD)以及数值计算得到的裂隙发育数量,区域分布和扩展方向。结果表明:基于DIC测量软件,可精确进行岩体非接触的无损测量,并且能够监测出岩体锚固这种内部隐蔽的过程;加固岩体的锚杆与裂隙交叉位置出现应变集中成核现象,定量地说明了岩体加固对裂隙的抑制作用;同时还得出岩体加固可以改变裂隙扩展类型和主裂隙发育方向。     

双重裂隙系统渗流模型研究

根据岩体裂隙系统发育规律及其渗流特征，提出双重裂隙系统渗流原理，将裂隙网络渗流理论模型变成能详细描述主次裂隙系统渗流机制的裂隙岩体渗流实用模型，为解决工程中的岩体裂隙渗流分析提供了新方法。     

基于图像数字化技术的裂隙岩体非稳态渗流分析

对于岩体的非均质性和微结构分布，多引用统计学随机抽样方法来描述。引入图像数字化技术来真实客观地反映岩体的主干裂隙、次裂隙及裂隙化区域和较完整岩块的分布，并将其和数值方法相结合，用来分析二维裂隙岩体的非稳定渗流过程。首先，需要获得高清晰度的岩体数字图像及岩体中不同结构对应的不同特征值I，这样通过，值可建立起岩体中不同结构渗透系数的真实分布。其次，将该物理参数分布输入到开发的基于FEMLAB的岩体多物理耦合过程分析程序中，就可真实地反映裂隙岩体的非稳定渗流过程。数值分析结果表明，该方法是可行且有效的，比统计抽样方法有明显的优点，其结果更能反映真实的物理现象。     

层状裂隙岩体蠕变柔量估计的合理方法

基于Taylor模型方法和粘弹性断裂力学理论，推导了层状裂隙岩体的单轴、剪切以及体积蠕变柔量，并合理考虑了裂隙相互作用效应的影响，分析了层状裂隙岩体单轴蠕变和剪切蠕变的各向异性。计算分析指出，裂隙岩体的单轴蠕变柔量随裂隙密度参数的增加而增大，随裂隙倾角的增加而减小。考虑裂隙相互作用效应时，层状裂隙岩体的蠕变柔量明显大于不考虑裂隙相互作用的情况。该方法为通过室内岩石流变实验了解实际工程中裂隙岩体的蠕变特性提供了一种可能。     

应变敏感的裂隙及裂隙岩体水力传导特性研究

通过将岩体单裂隙视为非关联理想弹塑性体，导出单裂隙在压剪荷载作用下，其机械开度和水力传导度的解析模型，并采用已有相关试验研究成果对解析模型进行验证。在此基础上，通过将岩体概化为含一组或多组优势裂隙的等效连续介质，给出一种描述裂隙岩体在复杂加载条件下考虑非线性变形特征及滑动剪胀特性的等效非关联理想弹塑性本构模型。基于该模型，给出裂隙岩体在扰动条件下应变敏感的渗透张量的计算方法，该计算方法不仅考虑裂隙的法向压缩变形，而且反映材料非线性及峰后剪胀效应对裂隙岩体渗透特性的影响。该模型通过引入滑动剪胀角和非关联理想塑性，较为逼真地反映了真实裂隙及裂隙岩体峰后的剪胀特性、变形行为和水力传导度变化特征。通过数值算例，研究了裂隙岩体在力学加载及开挖条件下渗透特性的演化规律。     

用弹性波速计算正交各向异性岩体的裂隙张量

初步尝试了运用弹性波速确定岩体的裂隙张量；首先将岩体视为正交各向异性介质，基于裂隙岩体的应变体积平均，从裂隙引起的间断位移出发，导出裂隙张量与由裂隙引起的柔度张量增量之间的关系；然后根据正交各向异性岩体的波动理论，建立了岩体裂隙张量、等效弹性参数和弹性波速三者之间的相关关系。根据这些关系，给出了二阶、四阶裂隙张量的弹性波速计算过程。含裂缝水泥砂浆试件的试验结果表明，采用本文计算方法获得的裂隙张量基本能反映出裂隙的分布情况。     

二维裂隙岩体渗流传热的离散裂隙网络模型数值计算方法

 针对裂隙岩体渗流传热问题,用解析方法,比较2种不同岩石基质与裂隙水界面热交换假设下的计算结果,对一般裂隙岩体,2种假设下的计算结果相同。基于离散裂隙网络模型的思想,在商业有限元软件COMSOL中实现一种计算已知裂隙网络的裂隙岩体渗流和传热过程的数值方法,该方法可以同时计算岩石基质与裂隙中的渗流和传热过程及二者间的交换,并与解析解比较进行验证。用该方法对一随机生成的二维裂隙岩体进行计算,得到的出口温度曲线,可以反映裂隙岩体渗流传热的早期热突破和长尾效应等特点,并分析岩石基质渗透率、热传导系数的不同取值对裂隙岩体渗流和传热过程的影响。     

断续裂隙岩体模型试验的研究进展

对断续裂隙岩体的破坏过程与机理进行了综述,包括含单条预制裂隙岩体、含双条预制裂隙岩体以及含三条预制裂隙岩体试样的裂隙在受外力作用下的贯通过程及岩体整体破坏过程的研究。     

基于图像处理技术的岩体裂隙定量识别方法研究

传统的岩体裂隙特征提取方法较难及时准确地对裂隙特征进行提取,现有数字化处理方式缺乏系统性。笔者提出一种基于图像处理技术的岩体裂隙定量识别与表征方法,在小波分析基础上建立了自动阈值分割算法,对图像裂隙区域进行分割处理。在对图像进行裂隙区域分割处理后,采用区域生长法计算裂隙面积。采用边界跟踪算法提取边缘轮廓,并利用Zhang-Suen细化算法计算裂隙骨架。在此基础上利用动量法拟合骨架切线,并计算切线的法向向量,利用三角函数转化来计算裂隙倾角,结合DDA画线算法对裂隙宽度信息进行提取并计算裂隙宽度。研究结果表明：基于小波分析建立的自动阈值分割算法,在对裂隙区域的分割效果、阈值选取及计算速度上均优于传统的Otsu算法。在裂隙特征值的提取计算上,该方法不仅保证了骨架的平滑度,而且提高骨架的拟合程度,相比于传统方法,该方法计算更加简单,计算量更小。     

基于数字图像识别的岩土体裂隙形态参数分析方法

为了准确高效地测量岩土体裂隙的各形态参数,结合计算机数字图像处理技术,提出一整套裂隙图像计算机识别和定量分析方法。通过对含有裂隙的图像进行二值化、桥接、去杂、智能识别等操作,获取裂隙网络节点以及各裂隙的主干,进而提取裂隙的宽度、长度、方向等裂隙形态参数,实现了裂隙图像的计算机定量分析。在此基础上提出一种评价裂隙网络连通性的方法。基于该技术思路开发的岩土体裂隙图像处理系统(CIAS)被成功应用于土体干缩裂隙图像的识别和形态定量分析研究中。研究表明,该方法可以更加科学、高效地提取岩土裂隙形态参数,为裂隙的定量分析和评价提供了可靠依据。     

基于岩体结构面影像的窗口调查方法

岩体结构面信息直观、量化的描述一直是岩体力学和工程地质领域发展的一个重要方向.由于现场调查容易受到环境因素的干扰,加之现场量测经验的不同,往往导致结构面调查结果不尽相同.本文以传统人工调查方法为基础,结合数字近景摄影测量技术,基于数字图像处理理论及空间摄影测量理论,针对裂隙图像的特点,按现场控制—数字摄影一坐标解译—产...     

基于图像分析的节理岩体单轴压缩损伤演化研究

 为定量地研究节理岩体的损伤演化规律,对岩体石膏模型试件单轴压缩试验过程中拍摄的表面数字图像进行处理分析。编制Matlab程序,实现单个裂纹的识别、裂纹长度和方位角、总裂纹面积分数和总裂纹分形维数的计算。对节理倾角和节理连通率这2个参数组合变化下的试件表面裂纹图像的分析结果为：(1) 试件表面总裂纹面积分数和总裂纹分形维数变化规律基本相似,在各节理连通率和各节理倾角下,2个参量都随轴向应变的增加而增大;(2) 可将试件分为两大组,节理倾角为0°,15°,75°,90°试件(劈裂破坏为主)和节理倾角为30°,45°,60°的试件(剪切破坏为主),第1组试件表面的总裂纹面积分数和总裂纹分形维数值都高于第2组试件;(3) 具有相同节理连通率的试件,在试验开始点不同节理倾角的总裂纹面积分数基本相同,在峰值荷载点和试验结束点的总裂纹面积分数随节理倾角的变化曲线基本呈V型(最小值在节理倾角为45°处,最大值在节理倾角为0°处);(4) 表面裂纹在试验开始时和加载过程中的各向异性分布特征,可以用裂纹面积分数沿裂纹方位角的分布图来表征。研究结果表明,表面裂纹图像分析可以有效地定量研究节理岩体试件的各向异性损伤演化特征。     

A semi-automated methodology for discontinuity trace detection in digital images of rock mass exposures

The in situ measurement of discontinuity geometry at rock mass exposures is a slow process, it can be hazardous, and often a large proportion of the exposure is inaccessible. Photogrammetry is a safer method with which to measure discontinuity geometry, and by removing the issues of inaccessibility it provides greater access to the exposure. The use of digital images — rather than customary analogue photographic images — for photogrammetry retains these benefits, while offering the prospect of an automated, and hence fast, method of discontinuity detection and discontinuity geometry analysis.This paper presents a methodology for semi-automated discontinuity trace detection in greyscale digital images of rock mass exposures. The methodology detects discontinuity traces as individual objects, which is a necessary precursor to automated discontinuity geometry analysis. The methodology initially considers a rock mass exposure digital image as a discrete surface, the elevation of which is given by pixel brightness levels. By doing so, a discontinuity trace can be likened to a topographic ravine and therefore some pixels within a discontinuity trace can be found by locating the so-called ‘ravine pixels’. A series of digital image processing techniques are then applied to group and transform these ravine pixels into linear structures that are more suited to computer decision-making, and this results in what we call ravine-line segments. A novel method is presented that links these ravine-line segments together to achieve discontinuity trace detection. The method considers three criteria during the linking process to help ensure acceptable discontinuity detection. These criteria involve the nature of the image search, the angles used to control the shape of a discontinuity trace, and the brightness of the pixels in the rock mass exposure image. Case studies show the discontinuity trace maps that result when the methodology is applied to several rock mass exposure images, and a comparison is made between a discontinuity trace map produced by the methodology and several drawn by hand.     

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。     

北山预选区新场地段岩体节理几何特征及评价

 准确分析和评价BS17,BS18和BS19钻孔周边岩体节理几何特征,是我国高放废物处置北山预选区新场地段场址筛选及适宜性评价的重点内容和关键步骤之一。通过现场调查、数理统计和概率分析等方法,对该地区的岩体节理几何特性进行研究,结果表明：(1) 各钻孔均发育4个节理优势组,尤以NE向和NW向最发育;(2) 节理倾角以陡倾角的剪节理为主,节理产状服从正态分布函数,节理间距可用负指数函数进行有效拟合;(3) 节理平均间距宽,迹长长,中点面密度小。基于岩体节理在高放废物处置库工程安全运行中的重要性。采用 法对岩体节理发育特征进行综合评价,发现新场地段3个钻孔周围岩体节理发育程度轻微、区域差异性小、岩体完整性好,断层对其两侧岩体的节理发育有促进作用,研究结果可为北山预选区处置库场址筛选和场址适宜性评价提供必要的数据支持。     

透明岩体相似物理模拟试验新方法研究

在传统岩土工程模型试验中,物理模型通常由不透明材料制备而成,变形的直接观测仅限于模型表面,而模型内部变形只能通过局部的、间接的方法进行有限观测,致使全面细致的岩体变形破裂过程及其复杂力学行为研究受到很大局限。借鉴已有一定研究基础的透明土试验的思路与方法,以软岩相似物理模拟为突破口,针对透明相似材料的透明度、强度、相似性和变形量测等几个关键难题,系统研发了透明岩体模型的制作方法、试验加载系统、数字散斑照相量测等关键技术。通过透明岩体基本物理力学实验和相似物理模型试验研究,1提出了透明岩体试样的制备方法,获得了试样透明度较为理想的硅粉、液体石蜡以及正十三烷的配比参数,研制了一种适合模拟软岩物理力学性质与变形破裂特征的透明相似物理试验材料。2通过透明岩体试样内置人工测点和散斑面,分别采用激光切面和白光照射,提出了两种较为有效的透明岩体内部变形的数字照相观测方法。3建立了透明岩体相似物理模拟试验新方法,包括透明岩体组成材料的选择、试样制作的材料配比、制作过程要素控制、模型内测点和散斑面设置、数字照相量测以及配套加载物理试验系统等。     

岩体节理内压致裂解析研究

岩体节理内常充满水或软弱填充物，节理受内压荷载扩展破坏是岩土工程界关心的问题。将该问题等效为节理面受一对型拉力作用的问题，采用节理线附近分析方法，从平衡方程和岩桥材料的破坏准则出发进行求解，得出了节理内压大小与节理扩展长度之间的解析关系。     

Flow analysis of jointed rock masses based on excavation-induced transmissivity change of rough joints

Underground excavation can induce significant deformation of pre-existing joints in rock mass. Due to the sliding and opening of the joints, consequent changes in the flow characteristics of a jointed rock mass would be anticipated. In the present work, a number of numerical techniques are employed and combined in order to evaluate the excavation-induced changes in the flow properties of a jointed rock mass. These are represented by the Micromechanics-Based Continuum (MBC) model analysis (FE excavation analysis in a jointed rock mass), and FracMan/Mafic package (FE flow and transport analysis in the discrete network of joints). A separate computational module connecting these two codes is incorporated to modify initially imposed transmissivities into the excavation-induced ones. The effect of excavation on the flow properties is evaluated by including these excavation-induced transmissivity changes of individual joints in the FE flow analysis. The excavation-induced transmissivities are calculated by the numerical and analytical techniques developed for flow through a single rock joint. The calculation of the excavation-induced transmissivity involves the distributions of shear displacements and normal stresses around the excavation, and implicitly takes into account the effect of surface geometric roughness. A test simulation for a deep underground repository is performed to illustrate the typical results predicted in the proposed approach.     

范各庄煤矿砂岩岩体结构数字识别及参数表征

 借助先进的3GSM三维岩体不接触测量技术,对范各庄煤矿12煤底板砂岩岩体结构面进行现场测量,获取一系列真实描述岩体宏观结构的数字图像,提取节理几何形态空间分布信息,建立三维岩体结构面空间分布模型。在此基础上,得到砂岩岩体结构面联通网络,基于离散介质渗流方法和现场水文试验数据,建立岩体水力学参数表征方法,得到宏观岩体水力学参数,并分析参数的尺寸效应,实现岩体结构参数(几何形态)数字信息与水力学参数的定量表征有机衔接,为范各庄煤矿12煤底板砂岩岩体结构稳定性分析和突水危险性评价提供更加真实、可靠的数据支持。     

基于岩芯分级的Hoek-Brown准则参数研究及应用

 地质强度指标(GSI)是Hoek-Brown准则中重要的参数,由于缺乏可具体测量的典型参数,GSI的取值主观性很强。基于工程钻探勘察中对片麻岩岩芯的研究,用野外典型完整岩芯照片和节理面照片代替GSI图里岩体结构的素描图,提出完整岩芯长度指标(RCL)和节理条件(Jc)两参数辅助GSI量化研究;最终建立一个直观的基于岩芯分级的通用GSI图。该GSI图与E. Hoek的方法相比主观误差小,根据该图计算出来的地基极限承载力与地勘单位建议值相比差值很小、精度高,该表可在场地钻探初期岩体力学参数的估算中推广使用。