基于数字图像技术的砂土模型试验细观结构参数测量

基于数字图像处理与分析技术,在砂土模型试验中利用模型箱表面拍取的照片获取砂土细观结构参数。首先对试验操作提出了一系列要求,使得可以通过对图像灰度值设立一个适当的阀值来粗略区分砂颗粒与孔隙。然后利用形态学分水岭分割技术,结合图像平滑、区域标记、区域融合等图像预处理与后处理步骤,获取边缘图像,从中提取砂颗粒边缘坐标值及其它相关信息,进而提出一个求解砂土细观结构参数的基本框架,在这个框架下,砂颗粒大小形状的参数、孔隙大小形状的参数,以及砂粒间接触关系的参数都是可求解的。最后对试验条件的局限性进行了讨论,并利用自行开发的软件展示了一个简单的实例。     

有地下结构的饱和砂土液化宏细观离心机试验

利用自行设计的离心机细观图像观测系统,在离心机上对有地下结构的饱和砂土层进行了地震液化宏细观模型试验。离心机细观图像观测系统主要由高速摄像机、地铁车站模型和工控机组成。摄像机安装在地铁车站模型内部,通过深埋和浅埋车站模型可以实时动态记录地震发生过程中砂土地基不同深度砂颗粒运动细观图像,同时测量了加速度和超孔隙水压力等宏观地震响应特性。利用图像处理技术对拍摄的细观照片进行分析,从颗粒运动特性、颗粒长轴定向、接触法向、接触数和孔隙率等细观组构参量的动态变化揭示不同深度的饱和砂土地基液化的细观机制。试验表明：深层砂土在地震作用下的运动表现为类似管涌特征,颗粒长轴经过地震后偏向竖直方向,而浅层砂土的运动表现为砂沸,颗粒长轴排列地震后较均匀。饱和砂土地震响应宏观特征与细观组构变化具有良好的一致性。试验结果有助于从细观层面揭示砂土液化的机理。     

沥青混合料CT图像中粘连集料颗粒分离方法

为了准确分离沥青混合料CT(computerized tomography)图像内部的粘连集料颗粒,根据材料密度连续变化特点,对CT图像进行高斯平滑和H-maxima转换处理,消除图像噪音和降低图像内集料颗粒像素密度变异性,然后采用分水岭分割算法对沥青混合料CT图像内部粘连集料颗粒进行分割.确定分水岭分割后的集料颗粒尺寸参数,采用不同当量尺寸对集料颗粒级配进行虚拟筛分,对所提出的粘连集料颗粒分离方法进行筛分级配验证.结果表明:通过分水岭分割后的集料颗粒,采用等效直径作为当量尺寸进行级配虚拟筛分,结果与实际手工级配筛分结果吻合良好.该方法克服了以往研究中忽视对CT图像内部粘连集料颗粒的处理,是对计算机数字化设计沥青混合料级配的有益探索.     

基于LS-SVM的岩石细观图像分析方法探讨

为了解决岩石细观力学试验中图像处理过程复杂、质量不高及操作效率低等问题,将LS-SVM的分类方法与数字图像处理的阈值分割法相结合,提出了人机结合的岩石细观结构图像系统分析方法.该方法将图像分割问题转化为分类问题,通过对训练样本的学习,生成可将试验图像分类的LS-SVM分类机,从而提取岩石细观力学试验中得到的感兴趣区域的特征图像以及量化细观结构.对花岗岩图像进行处理,处理后的结果表明,该方法可以获得高质量的岩石细观图像处理结果,处理准确率达到96.82%.采用三步搜索法选取参数,能在保证图像处理质量的前提下提高参数选取速度;对训练样本进行稀疏化处理,可以提高分类效率,缩短分类时间;为了减小人为因素的影响,训练图像的选取应具有代表性,且在生成训练目标前需进行图像后处理.     

砂土的细观参数对宏观特性的影响研究

基于颗粒流理论,对砂土的室内双轴试验进行了数值模拟,在前人的基础上对颗粒形状和边界条件做了一些改进,采用不规则颗粒代替纯圆形颗粒,用柔性的颗粒边界代替刚性的墙边界.研究了颗粒形状、摩擦系数、孔隙率等细观参数变化对宏观特性的影响.并对计算模型中颗粒单元的性质进行了多组试样的参数比较研究,建立了宏观参数和细观参数的定量对应关系.对研究土体的本构模型具有一定的应用价值.     

砂性土宏细观强夯加固机制的试验研究

 通过自行设计的可视室内强夯模型试验仪,借助于图像跟踪拍摄和数字处理技术,对夯击作用下砂性土密实的宏细观机制进行试验研究,得到不同夯击次数下砂土位移等值线图和动接触应力时程曲线等宏观力学响应;分析夯击后砂土颗粒的定向性和平均配位数等细观特征变化。试验结果表明,砂性土强夯加固的单遍最佳夯击次数宜为8击左右,其加固机制宏观上表现为地面变形不断发展,细观上是一个颗粒从无序排列到定向排列、颗粒与颗粒之间接触数不断增加的过程。研究结果对强夯法的设计与施工具有一定指导意义,也为研究冲击荷载作用下土体宏细观力学响应特性提供一条新的思路。     

基于细观统计的各向异性砂土摩擦特性与破坏机制研究

应用细观统计的方法,从细观颗粒层面对砂土各向异性产生的机制进行研究,分析沉积倾角对砂土宏观摩擦特性与抗剪强度的影响,在此基础上对影响各向异性砂土摩擦特性和峰值强度的2个细观因素——抗剪承载系数和颗粒整体稳定性进行研究,并借助于"塑性铰–楔块"模型对这2个因素的具体作用机制进行分析,得到基于细观统计方法的各向异性砂土峰值内摩擦角的计算方法。最后利用改进的直剪实验对结果进行验证,研究结果表明:(1)土体内部颗粒定向排列是引起各向异性的主要因素,原生各向异性与次生各向异性产生的细观机制基本相同;(2)沉积倾角对剪切面上颗粒方向角的分布规律具有较大影响,并对土体宏观力学特性产生影响;(3)砂土承载力主要受颗粒方向角分布规律、颗粒整体稳定性和颗粒表面摩擦特性3个因素的影响,三者作用结果的叠加为最终土体强度,可进行量化计算。     

三维离散颗粒单元模拟无黏性土的工程力学性质

基于三维离散单元颗粒流理论,引入了在极限剪力状态下颗粒间可以发生滑动的接触本构模型,建立颗粒体试样,并赋予颗粒相应的细观结构参数进行无黏结摩擦材料的三维应力应变数值模拟。通过大量的颗粒流数值试验,从细观力学角度对砂土的工程力学特性进行了初步的模拟研究。对砂土的室内常规三轴试验及其剪切带形成和发展进行了数值模拟,分别对比了不同围压下三维颗粒体试样与室内三轴的应力应变关系曲线,基本再现了试样的加载曲线。通过进一步分析颗粒细观结构参数变化对组成材料的宏观力学的影响及其剪切位移场的形成和发展规律,结果表明颗粒介质之间的摩擦系数、颗粒组成材料的孔隙率对材料的宏观力学行为有比较明显的影响。研究的意义在于理想的颗粒流数值模拟试验能够突破常规的室内土工试验能力及其局限性,对于砂土的细观结构的影响研究成为可能,并且揭示了微观的一些规律,对今后的岩土工程的颗粒模拟提供了有价值的参考。     

干砂强夯动力颗粒定向细观颗粒流分析

通过引进和开发二维颗粒流程序,基于相似理论建立了可以模拟砂土地基强夯加固的细观颗粒流模型,结合小比尺室内细观模型试验,从颗粒细观力学角度入手对干砂在强夯冲击加固过程中的颗粒定向特性进行了数值模拟。结果表明,数值模拟结果与试验结果具有较好的一致性,实现从细观角度揭示干砂强夯动力微观加固机理,研究工作为今后砂土强夯加固宏细观机理研究提供了一条新的思路。     

考虑颗粒破碎的砂土高应力一维压缩特性颗粒流模拟

以Toyoura砂室内高应力一维压缩试验结果为基础,利用二维颗粒流方法中的接触黏结模型生成簇颗粒单元来模拟实际砂土的颗粒破碎特性。高应力一维压缩数值试验中,数值试样由887个簇颗粒单元组成。数值试验与室内试验结果对比表明:数值试验得到的压缩曲线形状及颗粒破碎屈服应力大小均与Toyoura砂室内试验结果一致,说明数值试验能够较好地再现实际砂土在高应力一维压缩条件下的颗粒破碎特性。与室内试验相比,利用数值试验不仅能得到宏观的颗粒破碎现象,而且还能通过分析内部接触力的变化和对黏结破裂位置的追踪来研究颗粒破碎的细观演化规律,从而可进一步探讨颗粒破碎的细观力学机制。最后,就细观参数、加荷速率、簇颗粒数量及试样平均粒径等因素变化对数值试验结果的影响进行了分析。