基于数字图像技术的岩土材料有限元-离散元分析

将数字图像技术与Munjiza提出的有限元法-离散元法（FDEM）耦合分析方法结合,研制了可表征岩石真实非均质性的FDEM分析系统,为从细观角度对岩体进行建模以及研究岩体的破裂机制提供了新途径。该系统借助数字图像技术从岩石断面的图像获取岩石材料的真实细观结构,借助成熟的网格剖分技术,将其映射到FDEM计算网格中,从而克服了原有FDEM在考虑材料非均质性所存在的不足。利用该系统,进行了巴西圆盘劈裂试验的数值模拟,再现了花岗岩在荷载作用下的真实破裂过程。数值模拟结果表明,考虑非均质性的岩样应力分布呈现出非对称性,岩石的细观结构对岩石中裂纹的扩展及应力分布有重要影响。     

矿物粒径对花岗岩单轴压缩特性影响的试验与模拟研究

高放废物深部地质处置目前受到世界各国的高度重视。花岗岩是我国高放废物地质处置工程的候选围岩,深入了解处置库花岗岩的强度及破坏特性对于处置系统的设计及性能评价具有十分重要的意义。作为矿物颗粒的集合体,花岗岩是一种由石英、长石和黑云母等矿物组成的非均质岩石,矿物粒径对其宏观力学特性影响明显。以我国高放地质处置库预选区阿拉善花岗岩为例,选取矿物粒径差异明显的似斑状花岗岩和中粒花岗岩两类岩石,采用单轴压缩试验与数值模拟相结合的方式研究了矿物粒径对岩石力学特性的影响。单轴压缩试验在MTS815岩石力学试验系统进行,数值模拟采用基于离散元的颗粒流程序PFC2D完成。数值模拟过程中,以试件表面图像为基础,采用数字图像处理技术获取岩石内部矿物组分的实际空间分布,从而建立了精确反映花岗岩内部矿物种类及其空间位置的数值模型。利用该模型对花岗岩的单轴压缩试验进行了数值模拟,并与试验结果对比,论证了模型的可靠性。试验及模拟结果表明,阿拉善花岗岩破坏形式为脆性张拉破坏,裂纹大多平行于轴压方向,数字图像数值分析方法可真实地反映材料细观结构。矿物粒径对材料力学特性的影响主要表现为:细粒、等粒结构的岩石强度高,粗粒、不等粒结构的岩石强度低。研究成果可为掌握矿物粒径对岩石强度及变形特性的影响提供依据。     

岩石细观结构对其变形强度影响的数值分析

利用数字图像处理技术表征岩石的非均匀性,并映射到有限元网格中,建立了能比较准确地反映岩石细观结构的数值模型。通过对花岗岩数字图像的处理,利用该模型进行花岗岩单轴压缩数值试验,研究花岗岩细观结构对其变形和强度的影响。研究表明,花岗岩细观结构对应力集中影响显著,在不同方向对花岗岩进行加载时,其抗压强度差异较大,表现出较强的各向异性行为,但对花岗岩弹性模量的影响很小。基于数字图像的数值分析方法为研究岩石细观力学性质提供了一种新的方法。     

三维梁-颗粒模型在岩石材料破坏模拟中的应用

用三维梁-颗粒模型BPM3D(beam-particlemodelinthreedimensions)对岩石类非均质脆性材料的力学性质和破坏过程进行了数值模拟。梁-颗粒模型是在离散单元法基础上,结合有限单元法中的网格模型提出的用于模拟岩石类材料损伤破坏过程的数值模型。在模型中,材料在细观层次上被离散为颗粒单元集合体,相邻颗粒单元由有限单元法中的弹脆性梁单元联结。梁单元的力学性质均按韦伯(Weibull)分布随机赋值,以模拟岩石类材料力学参数的空间变异性。材料内部裂纹通过断开梁单元来模拟。通过自动生成的非均质材料模型对岩石类材料的破坏机理进行研究。岩石类非均质脆性材料在单轴压缩状态下破坏过程细观数值模拟结果显示,岩石材料宏观破坏是由于其内部细观裂纹产生、扩展、贯通的结果。通过数值模拟结果之间的对比分析,揭示出岩石试样宏观破坏模式随细观层次上韦伯分布参数的变化而不同。与实际矿柱破坏形态的对比分析表明了模型的适用性。根据数值模拟结果对岩石类非均质材料的破坏机理进行了探讨。     

基于Otsu图像处理的岩石细观模型重构及数值试验

基于大津法(Otsu)多阈值分割方法,利用数字图像处理技术获取了花岗岩细观结构的表征图像,并结合颗粒流程序,重构了反映岩石非均质结构特征的细观模型。通过单轴压缩试验,分析了花岗岩的失稳破坏过程,并研究了细观结构强度对宏观强度及破坏形态的影响。研究发现:花岗岩试件失稳破坏过程中存在4种裂纹形式,加载初期首先产生界面裂纹,其次是云母裂纹,长石和石英在应力接近极限强度时才破坏;当增大胶结界面或矿物强度时,花岗岩的抗压强度随之增加,但增加梯度逐渐减小;胶结界面或3种矿物细观强度的增大会使该结构处裂纹数量减小,而增加其他结构处的裂纹分布;相对于中等强度的长石和高强度的石英,低强度的胶结界面和云母矿物对花岗岩宏观强度和破坏形态的影响较大,是关键细观结构。将Otsu图像处理技术与颗粒流程序相结合,建立反映岩石真实结构的细观模型,为研究岩石非均质性对宏观力学特性的影响提供了一种有效手段。     

单轴压缩下岩石材料尺寸效应的数值模拟

考虑到岩石材料的非均质性,应用岩石破裂过程分析系统RFPA2D,对端面有摩擦和无摩擦两种条件下同直径不同长度的岩样,进行了单轴压缩下的数值模拟研究,并对模拟结果寻求了试验验证。结果表明,岩石强度的长度效应是由于岩样端面摩擦效应所致,而并非根源于材料本身的非均质性。      

岩石非均质度对其力学性能的影响研究

根据非均质岩石参数赋值方法具有随机性的特点,以随机参数的变异系数定义岩石非均质度,推导了Weibull分布参数赋值方法的非均质度计算方法,并与形状参数进行了对比分析;推导了基于矿物细胞元参数赋值方法的岩石非均质度的计算方法;利用上述2种赋值方法研究了岩石非均质度对其力学性能的影响。研究结果表明,利用变异系数定义岩石非均质度是合理的,可用于描述不同非均质岩石模型的非均质程度;非均质岩石的力学特性由细观单元力学特性和其非均质特性共同决定,岩石的非均质性对其极限强度具有弱化影响;对于不同的非均质岩石模型,可建立相同的线性函数关系表示非均质岩石极限强度受其非均质度的影响。     

细观尺度下岩石沿晶断裂应力强度因子计算研究

大量的细观试验研究发现,岩石破坏主要是裂纹沿着岩石晶体颗粒边界的扩展造成的（沿晶断裂）,裂纹沿弯折晶界的扩展则构成了不同材料边界上翼裂纹的扩展。基于以上细观试验结果,建立奇异单元的有限元模型,通过对节点位移的数值外插法,得到了岩石材料沿晶断裂翼裂纹应力强度因子,并研究了晶粒几何特征和材料非均质性（Dundurs参数）对裂纹扩展的影响。研究表明：在均质情况下,晶粒的几何形状在接近正六边形的情况下最适合裂纹扩展。随着非均质性的增强,各主翼裂纹比和晶粒几何角度所对应的KI值都要较均质模型的结果更高,最大的KI 所对应的晶粒的内角角度也有所增加。综合所有计算结果可以看出,岩石中晶粒的非均质程度越高,越利于岩石破裂。     

岩石材料内部特征尺度对裂纹扩展机制的影响

为考察岩石材料细观结构特征对于裂纹扩展机制的影响,首先借助偏光显微镜和SEM观测了3类岩石材料中材料内部组织结构,分析了各自非均质程度和晶粒大小关系。之后,对3类岩石的带I型初始裂纹的3点弯曲试样进行了落重冲击试验,同时采用高速摄影获得了不同裂纹速度下的裂纹扩展形态。将这些结果对照分析,研究了3类岩石中裂纹扩展过程与各自材料组织结构的非均质程度和晶粒大小的关系,得出初步结论：组织结构内部特征尺度越大,动态裂纹所能达到的终极速度就相对越小。反之亦然。     

残余强度特性对岩石宏观破坏的影响

运用岩石破裂过程分析RFPA2D系统 ,数值模拟了单轴压缩试验下试样破裂失稳的过程 ,主要研究了残余强度特性对岩石类非均质材料弹 脆 塑性的影响。对大量不同残余强度岩石试样的数值模拟结果显示 :残余强度是影响岩石弹 脆 塑性的重要方面 ,残余强度越高 ,岩石越容易表现为塑性 ,岩石试样所承受的峰值载荷也越高     

Digital Image Based Approach for Three-Dimensional Mechanical Analysis of Heterogeneous Rocks

Summary This paper presents a digital image based approach for three-dimensional (3-D) numerical simulation and failure analysis of rocks by taking into account the actual 3-D heterogeneity. Digital image techniques are adopted to extract two-dimensional (2-D) material heterogeneity from material surface images. The 2-D image mesostructures are further extrapolated to 3-D cuboid mesostructures by assuming the material surface as a representation of the inner material heterogeneity within a very small depth. The iterative milling and scanning system is set up to generate the 3-D rock mesostructures. A Hong Kong granite specimen is used as an example to demonstrate the procedure of 3-D mesostructure establishment. The mechanical responses and failure process under the conventional Brazilian tensile test condition are examined through numerical analyses. The stress distribution, crack propagation process and failure model of heterogeneous material cases are simulated with a finite difference software. The numerical results indicate that material heterogeneity plays an important role in determining the failure behavior of rocks under external loading.     

戈壁浅覆盖区花岗岩中锂铍伟晶岩的ASTER遥感识别技术 ——以新疆镜儿泉地区为例

锂铍金属是国家战略关键金属资源,花岗岩-伟晶岩型是锂铍矿床的重要类型,是锂铍矿找矿的重要目标体,遥感是寻找与发现花岗岩与伟晶岩的有效方法。但是,对于花岗岩体中的伟晶岩,由于其与花岗岩在光谱信息差异微小而不易识别。为了解决此问题,文章选择东疆戈壁覆盖的镜儿泉花岗岩开展锂铍伟晶岩的遥感识别研究,采用的数据与方法包括:谷歌地球/奥维等遥感图片的分析、WORLDVIEW遥感的增强处理与ASTER遥感的岩性识别与提取,结果显示谷歌地球/奥维遥感图片与WORLDVIEW遥感图片对镜儿泉花岗岩中伟晶岩脉的识别效果不好。为了识别锂铍伟晶岩,文章采用了一种岩性微弱信号增强技术对ASTER遥感数据进行识别,经过处理后的图像可以清楚地识别出伟晶岩脉体、并于野外查证时发现了一处新的锂铍伟晶岩脉体。结果表明利用岩性微弱信号增强技术进行岩性识别是花岗岩中锂铍伟晶岩找矿一种新的有效方法。     

法国中央高原Margeride花岗岩中黑云母岩的起源探讨

法国中央高原Ｍａｒｇｅｒｉｄｅ花岗岩暗色相中包含的Ａｎｃｅ和Ｖａｚｅｉｌｌｅｓ黑云母岩，大小达数十米，分别含有４０％和９０％以上的黑云母及少量的磷灰石、锆石、斜长石或钾长石，且发现有变质岩包体。野外观察可见，黑云母岩与其上覆花岗岩呈逐渐过渡关系，而其下部界限则很分明；它的面状及线状结构与相邻花岗岩的一致。矿物成分显示，各矿物（黑云母、斜长石、磷灰石）的化学成分与相邻花岗岩中相同矿物的相似或相同。由     

高放废物地质处置库花岗岩体预选研究

简要介绍了应用遥感技术结合地质研究,优选高放废物地质处置库花岗岩体的思路和方法。以北山外围地区为例,通过遥感数据处理,遥感影像解译,岩体地质特征分析,岩体预选准则的建立,在野外勘查的基础上,预选了若干有利的花岗岩体。为优选高放废物地质处置库场址提供决策依据。     

Utilization of SPOT 5 data for mapping gold mineralized diorite–tonalite intrusion,Bulghah gold mine area,Saudi Arabia

The present study utilizes the processed SPOT 5 data to discriminate and to generate 1:10,000 geologic image map to delineate the mineralized diorite–tonalite intrusion around Bulghah gold mine area, Saudi Arabia. The rock units exposed in the area include gossan, marble, Hulayfah volcanics, diorite–tonalite, gneissose granite, and alkali granite. Gold mineralization at Bulghah mine is hosted mainly by Syn- to Late-tectonic diorite–tonalite intrusion aligned along N–S direction and is associated mainly with cataclastic zones and quartz veins. Gossans and jasparoidal gossans (Hulayfah group), recorded at the western side of Bulghah mine area as discontinuous small lenses, can be easily discriminated on 4/2 and 4/3 band ratio SPOT images by their white and black image signatures, respectively. Granitoids (gneissose granite and alkali granite) are easily discriminated in 3/2 ratio image, in which gneissose granite has gray image signature, whereas alkali granite has dark gray image signature. On the SPOT false color composite band ratios image (3/2 R, 4/2 G, and 4/3 B), gossan, marble, Hulayfah volcanics, diorite–tonalite, gneissose granite, and alkali granite have sky blue, blood red, bluish light brown, orange, brick red, and deep blue colors, respectively. Fusion of the false color composite SPOT ratios image (3/2 R, 4/2 G, and 4/3 B) with the high spatial resolution SPOT pan image is performed using IHS transformation method. The fused image is used to delineate the mineralized diorite–tonalite intrusion and to produce 1:10,000 geologic image map for Bulghah gold mine area. The present study reveals the usefulness of the processed SPOT 5 data for adding new extensions at the southern and northern boundaries of diorite–tonalite intrusion.     

香港风化花岗岩细观结构研究方法

应用光学显微镜和Qwin图像分析系统,对风化花岗岩的微观结构进行了定量分析,介绍了包括含量、粒度、方向孔隙度、形状系数、定向性等定量指标。根据分析的结果指出,香港地区九龙观塘花岗岩为中风化至强风化细粒花岗岩,石硖尾花岗岩为强风化粗中粒花岗岩。     

循环荷载下花岗岩细观损伤量化试验研究

在循环荷载作用下,花岗岩宏观尺度疲劳破坏是由于细观尺度微裂纹的萌生、发育和贯通引起的,因此对处于细观尺度的微裂隙进行量化分析,对于理解花岗岩的动力特性有一定的意义。利用扫描电镜（SEM）拍摄得到昌江花岗岩的大量细观结构图片,利用数字图像技术对图片进行处理,提取微裂纹的细观几何信息。从矿物晶体和微损伤形式两个角度定量分析了循环荷载作用过程中的细观损伤特征。研究结果表明：①循环荷载作用过程中穿晶裂纹大部分出现在长石晶体内,而云母晶体则以沿晶裂纹为主;②在3类微裂纹中以沿晶裂纹发育速度最快,是疲劳损伤中主要的损伤形式;③沿晶裂纹和穿晶裂纹发展中所消耗能量占微裂纹开裂能量的大部分     

Analysis of three-dimensional strain modified uniform distributions: andalusite fabrics from a granite aureole

A method of analysing finite strain from an initial random distribution of lines or planes is presented. The shape of the strain ellipsoid is mapped to the eigenvalue ratios of an orientation matrix. The method is used to interpret the andalusite fabrics from the aureole of the Ardara granite, County Donegal, Ireland. The high flattening strains determined in the aureole are accompanied by oblate strains in the granite margins and support the concept of deformation produced by expansion of the pluton.