基于三维数字图像相关技术的脆性岩石破坏试验研究

利用三维数字图像相关技术(3D-DIC)观测系统研究单轴压缩状态下带中心圆孔花岗岩岩板的破坏全过程,得到了含孔洞岩石破坏过程中观测面的三维全场位移和应变,不仅能够直观地反映岩石表面裂隙的产生、扩展及相互连通的演化过程,亦能够确定裂纹的位置、形态以及扩展方向等具体信息,还能重现加载过程中试样表面的压缩(平行荷载方向)、剥离(垂直荷载方向)、膨胀及剥落(垂直试样表面方向)。结果表明:3D-DIC技术在岩土力学试验中有其独特的优势,岩石材料破坏过程中应变场的演化能较好地反映其内部裂纹的产生和扩展规律。根据全场应变云图可以判断岩石裂纹扩展演化的情况;裂纹的演化具有强烈的非线性特征,在试样接近破坏时形成的"X"型对称变形局部化带,最终只形成一条宏观破坏带,荷载方向、岩石结构及其内部的非均匀性都会对最终宏观破裂带的位置产生影响;利用3D-DIC观测系统进行岩石变形破坏机制的研究是有效的,可为岩土介质宏细观变形破坏机制的研究提供重要的借鉴。     

基于数字图像测量技术的砂土剪切带分析

在进行土工试验时,土样端部摩擦效应和初始缺陷都可以引起试样的不均匀变形,进而形成宏观的剪切带。基于数字图像测量技术改进了GDS多功能三轴仪,进行砂土的固结排水三轴试验,获得了试样在不同时刻的应变等值线云图和局部应力-应变全曲线,研究了试样端部的摩擦效应。结果表明,端部摩擦显著地影响试样的力学特性,对径向应变的影响可达10%。通过在砂土试样中放置粉质黏土块的方法获得了宏观不均匀土样,并测试其剪切带的形成过程。测试结果表明,试样在两种材料的界面处形成不连续刚度,引起变形的不均匀发展,进而形成宏观的剪切带而破坏。     

应变软化土坡渐进破坏的可靠度分析

在考虑土性参数的不确定性和土体应变软化特性的基础上,以可靠度方法建立了边坡渐进破坏的极限状态方程。通过计算边坡局部破坏概率,确定边坡中最危险的土条,并推导出破坏起始于该土条,逐渐向两侧扩展的渐进破坏概率计算公式。该方法能很好地反映边坡局部破坏的产生、扩展及对边坡整体稳定性的影响,找到最贴近实际情况的破坏传播路径,为边坡稳定分析提供了理论依据。通过算例分析可知,滑动面上各个土条的局部破坏概率均不相等,破坏起始于中部第8土条,破坏先向上传递,后向下传递至坡脚,并非从坡脚向坡顶传递的牵引式破坏,或从坡顶向坡脚传递的推移式破坏。     

地基渐进破坏及极限承载力的Cosserat连续体有限元分析

利用Cosserat连续体理论和所发展的有限元数值方法,模拟了地基由应变软化引起的以应变局部化为特征的渐进破坏过程,并从等价塑性应变的发展变化,阐述了渐进破坏过程对所能发挥的极限承载能力的影响。结果表明,Cosserat连续体模型能有效地模拟由应变软化引起以应变局部化为特征的渐进破坏现象,对地基等土工结构物有必要进行渐进破坏分析。同时指出,在求解软化型土体地基的极限承载力时,如果仍按传统的极限平衡或极限分析理论进行分析,可能得出偏于危险的结果。     

屈服矿柱渐进破坏及应力分布数值模拟

采用拉格朗日元法,在矿柱端面上不存在水平方向摩擦力条件下,模拟了屈服矿柱的剪切带图案、渐进破坏特征、水平应力及垂直应力分布及演变。在弹性阶段,煤的本构关系为线弹性。峰值强度后煤的本构模型取为莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。数值计算结果表明,矿柱具有渐进破坏特征。破坏首先以剪切带的形式发生在矿柱的4个角上。然后,矿柱两帮的剪切带逐渐向矿柱内部发展,形成两套剪切带网络,直到两套网络重叠,并进一步演化。倾斜的剪切带多次穿透矿柱。当矿柱处于峰值强度后,矿柱水平及垂直应力分布曲面已经变得凹凸不平。凹陷、凸起区分别对应剪切带中心及边缘。矿柱中部的水平应力较边缘大。因此,其边缘的强度较中心低。严格地讲,水平及垂直应力的分布不是单调的,呈现锯齿型。其原因是矿柱发生了条带状局部破坏。矿柱承载能力的不均匀性由矿柱水平应力的不均匀性所决定。     

基于滑带土应变软化的滑坡渐进破坏研究

滑坡的渐进破坏是量变积累到质变的破坏过程,一般是由坡脚开始破坏,并沿着某一软弱面不断破坏,直至形成贯通的滑动带。为了研究峰值强度与残余强度对滑坡失稳的影响,本文对滑带土采用应变软化模型。首先利用二维算例说明了滑坡的滑动面形态、塑性区与位移量的变化规律,反演了滑坡在二维空间内的渐进破坏过程,并根据位移变化情况,将滑坡的失稳过程划分为蠕动阶段、挤压阶段与滑动阶段3个阶段。在二维算例的基础上,采用滑带土应变软化理论进一步研究滑坡在三维空间内的渐进破坏过程与破坏规律,说明了滑坡在三维空间内,首先在坡脚与滑坡周界处形成塑性区,之后塑性区沿着滑坡周界向对称面增大,最后形成贯通的塑性区。将二维与三维算例相对比,说明了三维滑带土应变软化模型更真实的反应滑坡渐进破坏的全过程。因此,采用滑带土应变软化模型能较真实的反映坡渐进破坏的过程,为滑坡的预警与监测提供了一定的理论依据。     

基于动力学和材料软化特性的边坡渐进破坏特征研究

边坡的失稳是一个从量变到质变的动态渐进破坏过程,此问题也是边坡领域研究的重点与难点之一。在考虑岩土材料软化特性和动力学求解的基础上,建立了边坡渐进破坏仿真的理论框架;利用ABAQUS软件的动力显式求解模块实现了边坡的渐进破坏仿真;根据塑性应变揭露了剪切带的扩展过程,由软化本构确定了滑面材料的分区演化规律,根据等效塑性应变确定了边坡的滑面,通过滑面位置将边坡分为滑体、滑带、滑床,并分别研究了边坡各分区内部特征点运动学变量的发展过程,从而揭示了边坡的渐进破坏过程;基于材料参数沿滑面的时空分布,利用矢量和法得到了边坡不同演化阶段的安全系数。对比该方法与Bishop法确定的滑面位置与安全系数,发现两种方法峰值和残余强度对应的安全系数比较接近,该方法搜索所得滑面位于Bishop法自动搜索的滑面之间,验证了此方法的合理性及可靠性。最后分析了材料软化特征对边坡稳定性的影响,在保持其他参数不变的条件下,增大残余黏聚力,边坡的滑面位置加深,安全系数的初始值减小,安全系数的快速减小阶段有所推迟,并且快速减小阶段经历的时间有所延长,稳定后的安全系数有所增大。保持其他参数不变,增大残余黏聚力对应的等效塑性应变阈值,边坡的滑面位置加深,安全系数的初始值减小,安全系数的快速减小阶段有所推迟,但快速减小阶段经历的时间基本不变,达到稳定的时间有所推迟,同时稳定后的安全系数略微有所增大。     

基于数字图像相关方法的等应变率下不同含水率砂样剪切带观测

在压缩位移控制加载条件下（加载速率为5 mm/min）,针对不同含水率（12.7%~16.5%）砂样,利用自主开发的基于粒子群优化的数字图像相关方法,开展了最大剪切应变场的观测研究,获取了子区尺寸对砂样不同位置最大剪切应变的影响规律。研究发现,随着砂样含水率的增加,变形更加均匀,最大剪切应变高值区分布变得宽广,反映了剪切带的数目增加,微裂纹出现之前的最大剪切应变提高;随着纵向应变的增加,在应变高值区,最大剪切应变以非线性方式迅速增加,但在应变低值区,一般以线性方式增加。当剪切带出现以后,特别是在变形后期,子区尺寸对最大剪切应变有明显的影响。最大剪切应变随子区尺寸变化的演变规律与子区所处位置密切相关。     

基于图像测量的饱和细砂排水剪切试验研究

将计算机数字图像测量技术应用于土工静力三轴试验的土样变形测量,实现了土样变形的非接触测量。针对南宁饱和细砂,采用干装敲击法和控制不同初始成样含水率的湿装夯实法制备松砂和密砂试样,联合采用数字图像测量技术与常规三轴变形量测方法,在不同围压下进行了固结排水剪切试验。着重探讨了成样方法、初始成样含水率、密实程度、固结围压对两种量测方法所获得的应力-应变关系与邓肯-张模型中的切线模量5参数的影响。试验结果表明：成样方法、初始成样含水率、密实程度和围压决定土样的剪切破坏形式,影响应力-应变关系;剪切破坏的形式以及剪切带位置的不同,导致图像测量和常规三轴试验获得的轴向应变和偏应力数值均存在不同程度的差异;邓肯-张模型5参数不仅受到试样的成样方法、初始成样含水率、密实程度的影响,而且受到量测方法的影响。     

岩质边坡渐进破坏的三维随机分析

层间错动带是岩体结构中普遍存在的一种地质现象,含错动带的岩质边坡三维分析更是岩土工程关注的难点问题。结合国内某高拱坝工程,根据岩体层间错动带的分布状况,利用等厚度节理单元模拟了坝区22层错动带和软弱夹层,利用Mohr-Coulomb准则确定节理单元的破环方式,提出了岩质边坡三维滑动面的确定方法,该方法考虑了岩石和错动带（软弱夹层）的随机性。利用弹塑性理论、可靠度理论和破坏追踪相结合的方法,通过3 000多次有限元的计算,得到了边坡滑动面的位置、形态、破坏的先后顺序、滑动的方向以及滑动到任何程度的概率度量。含层间错动带的岩质边坡渐进破坏模式可概括为边坡的破坏起始于层间错动带的剪切破坏。随着各层间错动带的破坏、边坡结构性能恶化,部分较薄的岩层变成不同支撑形式的板,然后部分岩层开始破坏,边坡开始滑动,形成一个或几个破坏台阶,直至失稳。     

基于数字图像分析的土工合成材料加筋砂土拉拔试验研究

由于加筋土界面作用的复杂性,加筋土工程建设中铺设土工格栅时往往采用经验的方法,很大程度上造成了土工格栅的浪费及工程安全隐患,理清不同填料筋土界面作用的影响范围,有助于确定加筋土结构的合理加筋间距。为了揭示不同填料筋土界面作用的影响范围,采用4种不同类型的砂土与格栅在不同法向应力下进行了一系列的拉拔试验,并结合数字图像量测技术,分析了不同类型砂土下界面剪切带厚度、颗粒位移矢量、格栅拉拔阻力峰值及应变等演变规律。研究表明：界面剪切带厚度H随法向应力σ_v与砂土平均粒径d₅₀的增加而增大,通过多变量拟合的方法,得到了H、σ_v与d₅₀三者之间的函数表达式;格栅在拉拔过程中,砂土颗粒位移矢量以土工格栅为界有着显著的差别,格栅上部的颗粒位移矢量明显大于下部颗粒,且在格栅上下一定范围内会形成颗粒位移矢量集中带;拉拔阻力峰值随σ_v及d₅₀的增加而增大;不同类型砂土各区段的格栅应变均表现出由前向后依次递减的趋势。     

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。     

基于亚像素角点检测的试样变形图像测量方法

作为一种数字图像测量方法,亚像素角点检测能够在数字图像中可以发现角点的亚像素精度的位置（简称亚像素角点检测方法）。在土工三轴试验中应用该方法使得试样的变形测量更加简便。通过使用高精度标定板,对该数字图像测量方法进行了精度分析,结果表明亚像素角点检测方法的轴向和径向测量的标准差都达到了0.02个像素,相对测量精度达到10-4数量级。在三轴压缩试验条件下,同时使用高精度位移传感器和该测量方法对小变形的干性试样进行了变形测量,证明亚像素角点检测方法对试样变形的测量结果是精确可靠的。     

基于图像测量方法的非饱和压实土三轴试样变形测量

在控制吸力的非饱和土三轴试验中对试样进行变形测量,常规方法都存在一些难以克服的技术缺陷。数字图像测量技术的引入,为避免常规测量方法的技术缺陷对试验结果的影响提供了一种新的解决方案。同时,能够更加准确地测量受端部约束影响较小的试样中部1/3区域的局部轴向变形、径向变形和估算体积变形。在控制吸力条件下进行了非饱和压实土的三轴压缩试验,运用数字图像测量方法测量试样整体与中部1/3区域的变形,将两组试验数据进行比较分析,结果表明：端部约束对非饱和土试样变形有明显的影响,试样中部1/3区域的变形性质与试样整体存在明显差异,其试验结果更能反映非饱和土试样的基本变形性质。     

基于三维数字图像相关技术钙质砂颗粒运动行为试验研究

桩基附近土颗粒的运动行为与宏观力学表现密切相关,对揭示界面剪切机制具有重要意义。利用自主研制的大型直剪仪,结合三维数字图像相关技术（3D-DIC）全场位移测量分析系统,开展了钢−钙质砂界面循环剪切试验,研究了界面附近砂颗粒的运动行为演化规律。结果表明：界面峰值剪切应力和发挥的界面摩擦角随循环次数的增大而增加,体变特性以剪缩为主;钙质砂颗粒左右移动的幅度与距界面的垂直距离成反比,钙质砂颗粒的位置随循环次数的增大逐渐向正剪切方向移动,试验结束时上剪切盒左侧区域的钙质砂颗粒向正剪切方向移动的距离最大;钙质砂颗粒在单个循环内出现有规律的上下移动,向下移动的幅值更大,位于上层的钙质砂颗粒向下移动的位移值大于下层;钙质砂颗粒的运动速度在沿单方向剪切时,呈现出慢−快−慢的变化规律,位于上剪切盒右侧区域的钙质砂的体变特性较左侧区域更显著;网格位移值和缺失数量随循环次数的增大而增加,在试验后期趋于稳定,试验结束时的破碎带厚度为 6.21 mm。     

基于数字图像的砂土压缩变形模式的试验研究

基于数字图像处理技术,利用图像分析程序包PhotoInfor分析了侧限压缩条件下砂土各加荷阶段土体位移的产生、发展与演化全过程,发现砂土的位移场类似于抛物线形状,位移等值线呈轴对称分布,位移量最大的区域总是发生在上透水石的下底面中心处。单调加荷条件下,位移增量主要集中在局部变形带附近,其范围有继续延展和贯通的趋势,顶部、中部测点的土体位移与整体压缩量基本呈同步增长;顶部的土体位移量始终大于中部,加荷的中后期差别更加明显。与粉质黏土位移场进行对比试验分析,砂土内部的应力传递、变形模式以及荷载的影响范围均表现出明显的差异。上述研究为深入探讨基底压力的分布规律,利用宏观试验现象研究砂土细观结构变化的定量模型提供了新的思路。     

减围压平面应变压缩试验条件下丰浦砂中剪切带特性研究

不同于常规土体单元试验中恒定围压的应力路径,进行了减围压（卸载）应力路径下丰浦砂的平面应变压缩试验,研究了初始围压和初始相对密度对砂土的剪切强度和剪切带特性的影响。结合二维数字图像（DIC）相关方法,分析剪切带的形成过程,对剪切带的厚度和倾角及其影响因素进行定量地分析。研究结果表明,剪切带形成于峰值剪切强度之前;对于密实丰浦砂试样,随着围压的增加,其剪切强度(最大有效主应力比)减小且峰值强度出现越晚,剪切带厚度减小而剪切带倾角变化不大;丰浦砂试样的相对密度越高,剪切强度越大且峰值强度出现越早,剪切带厚度越小而剪切带倾角越高。此外,基于峰值内摩擦角的Coulomb公式可以较好地预测平面应变试验条件下丰浦砂的最大剪切带倾角。