岩土破损演化理论(I)：破损空间

指出当前利用CT数研究岩土力学的所有方法为观察研究,浪费了宝贵的CT定量化信息。利用CT数定义了岩样某点的完整度和破损度。根据完整度和破损度的水平以及集合论定义了 水平完整域、 水平破损域和( - )截理,利用测度论精确度量它们的大小,在此基础上建立了岩土介质完整空间和破损空间的概念,为利用CT数开展岩土介质力学性质定量分析开创了新途径。如果将 水平由细观值逐渐放大到宏观值,则该方法适应于宏观岩土力学,实现了宏观力学与细观力学的统一描述,实现了连续介质力学与多孔或裂隙介质力学的统一描述。     

岩土破损演化理论(Ⅱ):物理状态指标与分区破损理论

指出当前利用CT数研究岩土力学的所有方法仅为观察研究,浪费了宝贵的CT定量化信息。利用集合论和测度论知识,基于CT数定义了岩土材料的λ水平破损比与λ水平破损率、(λ1-λ2)水平截理比及其截理率的概念,研究了λ水平破损率与CT数及密度的关系;研究了破损产生的位置和破损判据。基于破损空间截理的概念将岩土材料区分为安全区、损伤进行区和破损区,定义了损伤进行区下、上限边界面,给出了强化-弱化准则的定义,建立了岩土体分区破损本构关系,并进一步推导了岩土破损空间理论的基本方程。     

岩土破损力学的系统论基础

天然岩土材料与其它材料的根本不同点在于它的结构性,而形成结构性的根本原因在于胶结的不均匀性.胶结强的部位形成结构体,胶结弱的部位形成结构面.岩土材料是由结构体和破损带组成的二元介质.本文分析了岩土材料的系统特性,对岩土破损力学进行了介绍,从非线性科学的角度阐述了岩土破损力学的系统论基础.     

岩土破损力学:结构块破损机制与二元介质模型

沈珠江等在总结岩土材料的基本特性、分析理论和研究方法的基础上,提出了岩土破损力学理论框架和二元介质模型概念。基于岩土二元介质模型思想,近年来在试验、理论和数值模拟方面对结构性岩土材料进行了详细研究。通过对棒状和棱柱状结构块试件的平面试验,探讨了结构性岩土材料的破损机制,并发现了在受荷过程中结构块逐渐破损并转化为软弱带二者共同抵抗外部作用,即验证了二元介质模型对结构性岩土材料力学抽象的正确性;扩展了岩土二元介质模型对岩土材料的脆性变化进行了模拟,并与结构性土和砂岩的三轴试验结果进行了验证;基于二元介质模型概念,发展了一种模拟岩土材料破损过程的细观数值方法,同时提出了适用于结构性岩土材料的强度准则。     

结构性土二元介质本构模型及破损率影响因素的研究

岩土类材料是非均质的具有微缺陷的天然材料,岩土破损力学将岩土材料抽象成由结构块和结构带组成的非均质二元结构体。破损率演化方程反映了岩土材料在外部荷载作用下,结构块向结构带动态变化程度的过程。从细观尺度上分析结构性土体变形、破坏过程发展机制,揭示土体在荷载作用下结构块向结构带转化的过程。最后,针对杨陵黄土,通过三轴剪切试验,研究围压、含水率对破损率演化规律的影响。研究结果表明,单参数模型的破损率与围压和含水率没有关系,使从实验上证明参数模型的破损率是大主应变的函数。     

基于微观力学的胶结岩土材料破损规律离散元模拟

采用离散元法（DEM）研究胶结岩土材料在不同加载条件下的结构破损规律。首先,基于微观力学理论,考虑胶结岩土材料颗粒间胶结特性,给出表征结构性损伤的破损参数式。该式具有微观物理意义,但不能直接用于建立宏观本构模型。其次,采用二维离散元源程序NS2D模拟等向压缩、等应力比压缩以及双轴压缩试验,分析破损参数在不同加载条件下随宏观力学变量（体积应变和剪应变）的演变规律。最后,根据模拟结果提出破损参数数学表达式,其为大主应变的函数。研究结果表明：胶结强度、应力比以及围压均在一定程度上影响了数值试样的结构破损规律。在等向压缩和等应力比压缩试验中,容易用函数式描述数值试样破损参数随体积应变或偏应变的演变规律;而在双轴压缩条件下,由于数值试样有剪胀特性,破损参数随体积应变的演变规律则不易描述。建议的破损参数数学表达式能够较好地描述数值试样在不同加载条件下结构破损规律。     

基于BP神经网络的岩土体细观力学参数研究

目前颗粒流计算方法中所采用的细观力学参数,均需根据岩土体宏观力学参数试验结果反复调试获取,调试效率很低且有较大的盲目性,因此,急需引入一种新方法,建立岩土体宏观力学参数与细观力学参数的关系。基于PFC3D程序,采用BP(back propagation)神经网络方法,建立宏观力学参数与细观力学参数的非线性模型,通过输入宏观力学参数,即可快速、准确地反演岩土体细观力学参数。研究结果表明：(1)根据BP神经网络模型反演确定的细观力学参数,输入数值模型计算其宏观力学参数,结果与试验值相比,精度一般高于90%;(2)当模型最小尺度上的颗粒数RES = 10、隐含层含6个神经元时,BP神经网络模型的反演性能最佳。实例计算表明,BP神经网络模型对于岩土体细观力学参数的确定具有良好的反演性能,该方法为颗粒流理论的推广应用提供了新的技术手段。     

非均匀岩石介质单轴压缩强度及变形破裂规律的数值模拟

以有限差分法(FDM)为计算框架,利用Weibull分布描述细观单元弹性模量和单轴抗压强度的分布特征,采用弹塑性应变软化本构模型描述细观单元的力学响应,进而建立一种模拟非均匀岩石介质破裂的数值模型。采用该数值模型探讨了单轴压缩时细观均质度m及细观结构对数值试样宏观特性的影响。结果表明,（1）随着细观均质度提高,数值模型的非线性特征逐渐减弱,脆性逐渐增强;宏观峰值强度及弹性模量逐渐增大,峰值强度与lnm呈线性关系,而弹性模量与1/m为线性关系;数值试样表现出由塑性流动破坏至剪切破坏进而为张拉破坏的破坏模式;（2）当细观均质度一定时,细观结构或细观单元空间排列是决定岩石力学行为波动性的主要因素;应力–应变曲线峰前阶段对细观单元的空间排列不敏感,但峰值强度附近及峰后阶段对细观单元的空间排列比较敏感。     

初始应力各向异性结构性土的二元介质模型

天然岩土材料具有结构性和各向异性。在岩土破损力学的理论框架下,建立了初始应力各向异性结构性土的二元介质模型。岩土破损力学把结构性岩土材料抽象成由胶结强的胶结块（胶结元）和无胶结的软弱带（摩擦元）组成的二元结构体,变形过程中胶结块逐步破损并向软弱带转化。假定胶结块为横观各向同性的理想弹脆性体,胶结块破损后转化成的软弱带为可用邓肯-张模型描述的非线性弹性体。通过引入考虑各向异性影响的破损率和局部应变系数,建立了初始应力各向异性结构性土的二元介质本构模型,并给出了模型参数的确定方法。最后给出了模型的表现,且通过人工制备初始应力各向异性结构性土的三轴压缩试验结果验证了模型的适用性。计算结果表明,所提出的本构模型可以较好地模拟初始应力各向异性结构性土的应力-应变和体积变形特性。     

图像测量技术在岩土工程CT图像定量分析中的应用

首先对计算机层析成像技术(CT技术)原理进行了简单的介绍,基于图形图像处理技术,引入了数学形态学中图像平移、反射、腐蚀、膨胀等运算方法,基于定义的兴趣域边界提取算法和形状因子实现了其几何测量和空间描述,定量分析了CT图像兴趣域的空间物理特性.该方法异于以往数学建模的思路,而是借用数学形态学中空间几何描述的思想,以实现对岩土体中的天然缺陷及其演化过程进行合理刻画.该项工作对于推动岩土工程CT图像定量化描述具有一定意义.     

卸荷路径下棱柱状结构体试件破损过程试验研究

通过棱柱状结构体在不同排列方式下的平面应变压缩试验,研究了侧向应力卸载状态下结构体的破损过程,探讨了结构性岩土材料在卸侧向应力状态下的变形和破损机理。试验发现,在侧向应力卸载的过程中,棱柱状结构体会发生错动和结构体的破碎,结构体的破损方式主要有劈裂破坏和剪切开裂两种。结构体试样逐渐破损,宏观上出现应变硬化或应变软化现象,最后形成宏观的破损带。试件的总体体积是收缩的,侧向变形则由收缩逐渐转化为膨胀。     

结构性土的微观破损机理研究

在前人研究的基础上,针对凸多面体相互接触的性质,推导了三维状态下的微观接触力和宏观应力的关系,并应用于结构性土的研究中。对结构性土,采用以土颗粒之间的胶结和组构为基本研究对象的研究方法,在二元介质理论框架内推导出结构性土破损规律及迭代公式,提出3种破损方式（剪碎、压碎、混合型）,同时推导了宏观的柔度张量;对各向同性的结构性土,在球应力加载条件下的破损规律以及变形规律进行了研究,得到了解析解,简单分析的结果与实际相符。     

冻融红砂岩损伤演化多尺度分析

以红砂岩为研究对象,进行冻融循环、CT扫描及力学特性试验,采用图像处理技术结合遗传算法寻优模型实现了0、5、10、20、40 次冻融循环后 CT 扫描图像的去噪、增强、分割及三维重构处理,通过对同一对象跨尺度的损伤识别与对比研究,建立了基于细观损伤的弹性模量劣化预测公式,并从材料细观结构的物理本质诠释了冻融红砂岩宏观力学行为。结果表明：基于图像最大熵值的遗传算法能够快速精确地选取阈值进行图像分割,实现对岩石细观结构中基质和缺陷的识别;随着冻融次数增加,岩石孔隙率上升、孔隙分维下降,细观尺度上呈现出孔隙扩展、数量增多,但结构复杂程度下降的演化行为;传统方法以有效承载面积、弹性模量为度量基准定义的宏、细观损伤变量未能全面考虑损伤物理机制和材料内部结构信息,宏细观损伤演化曲线差异较大;基于2种物理机制定义细观损伤变量和考虑岩石天然损伤定义宏观损伤变量,实现了损伤的宏-细观结合。最后通过冻融循环过程中细观结构演化与宏观力学响应之间的关系,提出了弹性模量劣化预测公式,并分析冻融砂岩孔隙大小及孔隙结构形态变化在损伤过程中占据的不同主导作用,根据细观结构的物理机制解释宏观砂岩冻融破坏的力学机制。     

基于图像测量的岩土破损信息的判读

以CT图像资料为例,利用物理特征值分析和裸眼观察法分别对岩土材料损伤出现的时间进行了估计,证明单纯观察判断的局限性,随后利用等值线法确定了损伤出现的位置和扩展的方向,接着通过对试样区CT数的最大、最小值随加载变化曲线进行考察,确定了无损区、损伤区和破裂区的分区界限值,在该阈值下对各区进行了图像的二值化,最后对二值图进行了形态、几何和物理特征值的定量化描述。     

基于颗粒组构特性的散体材料本构模型研究

通过散体介质材料单元颗粒排列组构表达的细观结构力学关系,建立了用颗粒密集度、颗粒排列组构关系和颗粒间摩擦特性等非连续介质材料特性参数描述的散体介质材料本构模型,从而实现散体介质材料宏观连续介质描述的等效应力表达.通过该模型可采用数值方法进行散体介质材料准静态情况下的力学特性分析.文中最后基于有限元软件ABAQUS,进行了该本构模型的二次开发.数值算例结果验证了所建立散体介质材料本构模型的适用性.     

基于图像描述的煤岩裂隙CT图像多尺度特征

基于煤岩孔隙系统多尺度结构特征对深入认识多尺度流体运移机制的重要性,提出了基于图像描述的煤岩CT图像孔隙结构的多尺度精细描述方法。采用了图像的多策略分割技术提取目标,利用Freeman链码对目标的边界进行表达,研究了由形态学、统计矩、链码、计盒维数构造目标之间的关系、目标占有区域与边界的图像描绘子、以及分形描绘子;综合运用上述方法对煤岩CT图像中的大尺度宏观裂纹目标、小尺度细观裂隙目标进行了识别。结果表明,宏观裂纹可由灰度阈值法实现目标提取;小尺度细观裂隙需采用较复杂的分割策略,如基于索贝尔梯度算子的分水岭变换;进一步应用链码表达、图像描绘子和分形描绘子,实现了煤岩孔隙结构在欧氏空间与分形空间的多尺度精确描述。     

基于CT图像的花岗岩矿物组分与细观结构分析

获取准确的岩石矿物组分与细观结构特征,对从细观层面认识岩石宏观力学性质具有重要意义。CT扫描技术是研究岩石矿物细观结构的有力工具。本文采用高分辨率三维CT扫描系统,获得了花岗岩CT扫描图像;采用阈值分割的方法,综合X射线衍射试验结果确定合理的分割阈值,实现了对花岗岩CT灰度图像的三值化分析;最终获得了花岗岩的主要矿物含量与细观结构特征。研究结果表明:选择合理的分割阈值,可实现花岗岩主要矿物石英、长石、云母的自动识别和定量分析;基于三维重构模型,可获得不同矿物的形状、粒径和空间分布特征。本文方法对定量测试岩石矿物组分和认识其细观结构具有一定的参考意义和价值。     

压缩载荷下准脆性材料宏细观损伤变量研究

在连续损伤力学的基本框架内构建损伤力学模型,而对损伤变量的定义及其演化方程的描述则充分借鉴细观损伤力学的研究成果,就可以建立一个宏细观相结合的损伤模型。对于压缩载荷下准脆性材料损伤,通过假设宏观损伤分析和细观损伤分析所得到的有效弹性张量等价,可以求得宏观损伤变量与细观损伤机制相关的表达及其损伤演化方程,进而可以建立宏细观相结合的损伤模型,并以单轴压缩为例表明这种分析方法是可行的。     

基于细观损伤的混凝土破裂过程的三维数值模拟与CT试验验证

在混凝土细观损伤的CT试验基础上,以密度损伤（CT数变化）变量为基础,建立了混凝土分段损伤演化方程,以此进行了混凝土试件单轴受压的细观损伤数值模拟。并从混凝土破坏图和荷载-位移曲线图两方面比较了数值模拟结果与CT试验结果,结果表明,试件破坏时裂纹扩展过程与CT观测到的相似,实现了将细观密度损伤（CT数变化）与试件的宏观力学性能的劣化相联系,为改进试验设计提供了力学依据,并使在可靠和有效的前提下用数值方法取代部分试验成为可 能。     

棱柱状结构体试件破损过程的试验研究

通过棱柱状结构体在直排、直错排两种排列方式下的平面应变压缩试验,研究了不同侧向应力状态下结构体的破损过程,来探讨结构性岩土材料在受荷过程中的变形和破损机理。试验发现,在棱柱状结构体试件的破损过程中,结构体表现出劈裂、剪切和压碎的破损方式,最后形成破损带;随着侧向应力由低向高的变化,应变软化逐渐向应变硬化过度;低侧向应力状态时应变软化、体胀和侧向挤出;高侧向应力状态时应变硬化、体缩和侧向收缩;不同的侧向应力状态和排列方式下几乎都没有结构体的转动发生。