三峡库区宝塔滑坡泥化夹层泥化过程的水岩作用

宝塔滑坡群是三峡库区4个体积大于1亿 m3的特大型滑坡之一,滑坡发育在侏罗系蓬莱镇组砂泥岩互层的地层中,其中泥化夹层比较发育,是致使滑坡发生的最重要的原因之一。基于地质分析,进行X射线衍射（XRD）试验、扫描电子显微镜和X射线能谱（SEM-EDX）试验、物理化学试验和地下水水质分析,对宝塔滑坡区泥化夹层及其原岩的组分和结构进行了对比分析,认为宝塔滑坡区泥化夹层形成的原因为：上硬下软的地层结构是物质基础;构造应力或重力是泥化夹层形成的必要条件;地下水的长期作用是泥岩泥化的主导因素。在此基础上,研究了宝塔滑坡泥岩泥化过程中的水岩相互作用。研究表明,地下水与泥岩的水化作用、离子交换作用、溶蚀作用相互促进,改变了泥岩的组构和性质,使泥岩泥化,转变为泥化夹层,从而解释了泥岩泥化的机理。     

基于SEM图像的岩石细观结构特征研究

从损伤理论出发,构筑一套细观量化试验方法,解决从试验制样、试验设备到试验程序等相关问题。采用扫描电镜对四川锦屏大理岩进行了观测,得到了大量岩石细观结构图片。利用数字图像处理技术对图片进行处理,并编制相关程序实现图像二值化,然后从图像中提取了微裂隙的长度、方位角、宽度、面积和周长等微裂隙细观信息。最后,利用统计学理论对获取到的微裂隙细观信息进行了统计分析,得到各参数的统计规律,为研究岩石的宏观破坏提供了依据。     

软弱夹层工程地质特征研究进展

软弱夹层是控制岩体稳定性的重要薄层,研究软弱夹层的工程地质特征具有重要的科学意义和实际工程意义。在收集整理国内外相关资料的基础上,首先从定义和分类、形成机制和影响因素、分布特征和规律、工程地质特性和力学特性5个方面对国内软弱夹层和泥化夹层的研究进行总结和概述,然后分析当前研究存在的不足之处,讨论软弱夹层与泥化夹层的区别与联系。研究表明,与原生软弱夹层相比,泥化夹层更薄,工程地质性质更差。最后提出下一步重点研究方向:软弱夹层的泥化演化过程及泥化夹层的演化趋势;软弱夹层的三维空间分布及可视化;软弱夹层的剪切蠕变理论模型,细观损伤破坏动态演变规律,应力松弛特性和动力学特性;软弱夹层与围岩间的接触面及组合岩体的力学特性。     

基于三维激光扫描技术的岩质边坡泥化夹层空间分布和几何形态

为了定量研究泥化夹层的空间分布和几何形态,以云南省玉溪市生活垃圾焚烧发电厂高边坡局部开挖剖面为对象,利用徕卡ScanStation C10三维激光扫描仪和瑞典ROMER RA-7520-2六轴关节臂三维测量仪进行扫描,得到了开挖剖面和泥化夹层的原始点云数据;然后采用Cyclone和Geomagic Wrap软件对点云数据进行一系列处理,分析了泥化夹层的三维空间分布、层面产状、间距、层面粗糙度和几何形态。结果表明：大部分泥化夹层横向分布于整个扫描剖面,少数呈局部分布;泥化夹层的平均倾向为196.41°±5.51°,平均倾角为22.27°±2.23°,间距在3.7~49.1 cm之间,平均值为（20.4±12.0）cm;不同层位及同一层位不同横向位置的泥化夹层厚度都不等,最厚约20 mm,最薄小于1 mm;泥化夹层顶面局部典型区域的平面拟合偏差在-22.4~32.5 mm之间,沿夹层倾向的粗糙度系数在5.67~16.77之间,平均值为10.11±3.25;泥化夹层的表面积与体积之比在5.14~5.86 cm^-1之间。运用三维激光扫描技术研究泥化夹层的空间分布和几何形态是可行的。玉溪市生活垃圾焚烧发电厂高边坡的泥化夹层具有宏观整体上相对平直、相互近似平行、非等距分布、间距小、层数多、厚度薄,细观上顶面粗糙底面相对光滑、三维形态复杂的特点。     

单调荷载下砂土变形过程数值模拟及细观机制研究

采用离散单元法的颗粒流理论,模拟了松砂和密砂在单调荷载作用下的变形过程,研究了砂土渐进破坏过程中的宏观力学行为和细观组构参量的演化规律。采用PFC的FISH语言开发了细观组构统计程序,通过记录加载不同时刻试样的细观参量,如配位数、接触法向分布、粒间法向接触力、切向接触力等的演化,分析了砂土变形过程中细观组构变化与宏观力学响应之间的内在联系。应用表征上述量的组构参数研究了砂土的诱发各向异性,探讨了松砂剪缩、密砂剪胀的细观机制。研究成果对于揭示砂土变形的细观机制以及建立砂土的细观力学模型具有重要意义。     

软弱夹层强度参数的主要影响因素分析

在大量试验研究以及总结前人研究成果的基础上,全面分析研究了物质组成、组构特征、粒度成分、含水量和地应力等主要因素对软弱夹层抗剪强度的影响,这些影响因素对夹层强度的影响是相互制约、相互影响的,并不是孤立的。因此,要正确、合理地给定软弱夹层强度参数,必须综合考虑各因素的影响,并抓住其主控因素。天然性状指标(w/wP)是一个能反映夹泥的含水量、密实度,黏土矿物成分、黏粒含量以及夹泥稠度状态的指标。以向家坝为例研究了性状指标(w/wp)与强度参数间的相关性,其相关性良好,并建立了性状指标和强度参数间的相关方程,这对容易获得天然性状指标的夹层的强度参数取值是非常方便的。     

花岗岩电镜扫描图像二值化阈值对分形维数影响的研究

电镜扫描应用于岩土工程研究,能观察到岩石的细观结构,从另一个视角揭示岩石力学机理。分形维数是对岩石表面不规则、非线性裂纹裂隙的定量描述,是一个重要的参数指标。本文首先通过花岗岩电镜扫描实验,获得了花岗岩细观图像;其次研究不同二值化阈值下的图像和分形维数,结果显示分形维数随二值化阈值增大而减小;最后,对比迭代法、双峰法和Otsu法三种求最佳二值化阈值方法,表明Otsu法简单易行,得到的图像能反映岩石表面细节,求出的分形维数具有参考对比价值。因此将Otsu法图像二值化阈值得到的分形维数作为对比参考的标准,对岩石细观研究具有重要的参考价值。     

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。     

基于变分水平集方法获取岩石的细观结构

岩土工程材料的细观结构特征会在很大程度上影响其宏观力学行为。随着数字图像处理技术的逐渐成熟,基于变分水平集方法的偏微分方程（PDE）方法在图像处理中越来越受重视。在岩石数字图像的基础上,运用基于变分水平集方法的C-V模型,结合图像的背景填充技术实现花岗岩图片的3相分割（长石、石英和云母）,为进一步力学分析提供条件。上述方法可以量化岩石细观结构,最终获得能够准确反映岩石内部特征的图片,为将来的有限元分析提供真实几何模型。处理结果表明,通过选取适当的迭代次数和数字图像处理技术,该法能够获得较高质量的岩石细观结构量化图。     

清江水布垭坝址软弱夹层变形机制分析

清江水布垭坝址软弱夹层的变形机制为:(1)差异沉积作用造成了软弱夹层物质成分和结构构造上的差别,从本质上决定了软弱夹层的变形强度;(2)软沉积变形加强了软弱夹层物质的分异和软化;(3)构造活动导致软弱夹层发生多期次剪切滑动,使软弱夹层中的软弱物质泥化、叶理化并发生揉皱;使相对坚硬的结核和团块压扁、旋转和圆化。      

玉龙雪山西麓原状冰碛土CT扫描试验研究

冰碛土是冰川行进融化过程中漂石、碎石、砂砾、粉土和黏土在毫无分选的条件下快速混杂堆积生成的一种特殊岩土材料,由其引发的工程问题日益受到岩土工程界关注。砾石颗粒细观组构是冰碛土独特沉积历史的反映,直接影响土体的岩土力学性质,但迫于原状冰碛土样极难取得,岩土工程领域迄今罕有研究。对此,采用人工精细切削的方式,成功取得了玉龙雪山西麓原状冰碛土样,并对取回的6块冰碛土原状样进行了CT扫描,首次获得了冰碛土内部真实细观组构图像。借助Matlab对CT图片进行二值化和消噪处理后,运用常规统计方法对冰碛土内砾石颗粒的面含石量、颗粒定向以及颗粒形状等剖面组构指标进行了描述。结果表明,垂直剖面之间的统计数据差异较小,但垂直剖面与水平剖面之间差异较大。     

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。     

饱和砂土液化特性的可视化试验研究

针对目前散粒体液化细观机制研究的局限性,对C.K.C型动态三轴仪进行改进,研制了可用于研究散粒体细观组构特征的动三轴可视化试验系统。利用该系统对循环荷载作用下标准砂的颗粒运动规律及细观组构特征进行初步探讨,从颗粒的运动规律、定向性、配位数和孔隙率等细观角度分析了循环荷载作用下饱和砂土发生液化的细观机制,认为液化的发生是土体在循环荷载作用下颗粒不断运动、重新排列的结果,指出颗粒长轴方向、配位数和孔隙率等细观组构参量是反映循环荷载作用下饱和砂土液化宏观响应的重要参量     

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。     

黄河小浪底坝区泥化夹层分布及其抗剪试验方法的分析

在大量地质勘探试验研究资料的基础上 ,分析研究了形成泥化夹层的母岩和地质构造力 ,泥化夹层的类型及其粒度成分以及泥化夹层的分布规律。还分析研究了不同试验方法对泥化夹层抗剪强度的影响 ,并着重分析研究了我院研制的控制膨胀饱和固结慢剪的试验成果。     

泥化夹层的组构类型与微观结构

泥化夹层系指岩体中的软弱夹层在层间错动与地下水的长期物理化学作用下所形成的结构疏松,颗粒大小不均,多呈定向排列,粒间连结微弱,强度较低的特殊软弱层,亦叫夹泥层。是工程岩体中的软弱带。 对泥化夹层的研究包括各个方面,而按成因、物质组成与结构构造特征,对夹泥进行客观的、正确的分类,则是确定和选取夹泥层力学指标的基础与前提。     

基于岩石CT图像的碳酸盐岩三维孔隙组构的多重分形特征研究

碳酸盐岩微观孔隙的空间组构研究是储层性能研究的核心问题之一.近年来,基于二维图像进行碳酸盐岩孔隙空间组构研究的工作层出不穷,基于三维图像进行碳酸盐岩孔隙空间组构三维重建和基本统计特征表征的研究也引起了国内外的广泛关注.拟以四川盆地三叠系飞仙关组和震旦系毛田组碳酸盐岩为研究对象,通过三维高分辨率微纳米CT扫描,结合图像识别等计算技术,运用多重分形理论,对不同类型储层的孔隙在三维立体空间上的几何形态、非均质性与复杂度等特性进行定量表征,刻画了孔隙组构的空间展布规律.研究显示,2个样品孔隙组构在三维空间上分布不均一,具有明显的分形与多重分形分布特征;所得多重分形参数能定量刻画孔隙空间上大小孔隙的相对分异情况,能为孔渗性能提供参考.     

基于渐近展开法的脆性岩石双尺度方法初步研究

将渐近展开法与细观统计模型相结合,研究了脆性岩石双尺度计算方法。该方法在细观尺度定义材料属性,假定材料参数符合Weibull分布,采用弹性－理想脆性本构模型,脆断标准采用修正的Mohr-Coulomb准则和最大拉应力准则,通过宏细观尺度耦合计算,得到细观尺度材料损伤演化及其对结构宏观性状的影响。方法包括确定材料统计参数、确定细观尺度代表性体积单元（RVE）及求解边值方程等步骤。数值模型采用商业软件ABAQUS及其内嵌的UMAT用户子程序实现。该方法适用于岩石单轴受压或低围压应力状态,考虑到计算效率,计算时宜采用混合尺度,即模型重点（关键）部位采用双尺度,而其他区域采用单尺度计算。宏观尺度材料软化后未采用正则化方法,此时的计算结果有网格依赖性。     

三向土工格栅筋土界面及摩擦特性的离散元模拟

为研究筋土界面细观结构演化并定量评价格栅摩擦特性对加筋性能的影响,建立三维离散元模型,运用“clump”较真实地模拟了三向格栅的增强型节点。通过分析拉拔荷载下界面内颗粒及筋材的力学响应,并将其与前人模型试验及理论分析结果进行对比,验证了文中模型的准确性,得出了局部孔隙率以及配位数等细观参数的变化规律。分析格栅表面摩擦系数参数发现,表观黏聚力与摩擦系数具有正相关性,当摩擦系数达到一定值时摩擦角不再增长。统计结果表明,宏观上界面强度提高可归因于细观上的组构优化。分析筋土界面采用的方法和所得的结果可为加筋土结构机制分析提供新的认识。     

基于数字图像相关法的砂土细观直剪试验及其颗粒流数值模拟

砂土等天然颗粒材料具有的剪胀性、压硬性、各向异性等特殊力学性质受控于其内部的微细结构及其演化,如何利用试验与数值模拟等手段对砂土细观组构进行量化,对深入研究砂土变形机制尤为重要。基于数字图像相关方法的光学测量技术与土工试验相结合的新手段,通过对直剪仪的可视化改造,开发了能初步实现土体宏细观力学性状联合测量的“砂土变形细观瞬时光学测量系统”,并利用该系统对福建标准砂进行了室内细观直剪试验。随后进行了基于颗粒流软件PFC2D直剪数值试验,提取室内试验还难以获得的细观信息,作为对室内试验的补充。通过对宏观力学性质和位移场、应变场、颗粒定向、速度场、颗粒配位数和接触力链等细观的室内与数值试验结果进行剖析,探讨了砂土力学性质的细观机制。