基于数字图像的土、岩和混凝土内部结构定量分析和力学数值计算的研究进展

土、岩及混凝土是一种内部结构极其复杂的材料,内部细观组成和结构决定了它们在外力作用下内部应力和应变等物理场的分布状态,在很大程度上控制了它们的宏观力学响应和破坏机理和过程。自1995年以来,数字图像处理技术作为一种材料细观空间结构及几何形态的精确量测和数字表述手段快速地被应用于沥青混凝土、水泥混凝土、土和岩体材料细观结构定量分析中来。本文在研究相关文献的基础上,分析和研究了数字图像技术在土、岩及混凝土内部结构定量分析和力学数值计算中的发展过程和研究成果,内容包括:单个骨料颗粒形态特征定量分析;土、岩和混凝土内部结构定量分析;岩体结构定量分析中的应用;基于数字图像处理的土、岩和混凝土细观结构力学计算。在此基础上,本文进一步对数字图像技术在岩土领域中的应用进展及未来的发展趋势进行了探讨,认为数字图像作为一种空间分布测量手段和数字表述方法使得它具有巨大的潜力,特别是在岩土领域的纵深发展过程中,它可能实现考虑细微观结构性的岩土力学和工程分析和预测的、新的方法和理论。     

上海流砂灾害的风险评价和分区研究

本文基于上海市流砂的特征及分布,构建了流砂风险评价指标体系,进行流砂灾害的风险评价、分区及管理区划。首先,根据②3、⑤2和⑦层粉砂性土的空间分布特征进行了危险性分析及分区;其次,基于行政区划、综合考虑社会经济统计类指标完成了易损性分析及分区,在此基础上对上海流砂地质风险做了综合评价和分区;最后,结合上海市十二五规划中关于经济和城市重点项目建设内容,提出了十二五期间流砂地质风险防治管理区划方案。其成果将为上海市地下工程（含基坑工程、地铁隧道、地下商城等）的勘察、设计、施工和运行中可能的流砂灾害的监测、预报及防治等提供指导及地质依据,并为管理部门的监督和管理提供决策参考。     

全风化花岗岩全岩和粘粒中粘土矿物含量变化对比

工程实践和理论研究中常用全岩和粘粒中粘土矿物绝对和相对含量.对同一样品探求两者关系,便于数据对比,有利于工程应用.以采自香港九龙的2处边坡3个探坑中51个全风化花岗岩样品为例,作者用同一套仪器、测试方法,先后采用了颗分法测粘粒质量百分比、物理化学方法测比表面积、XRD方法测矿物成分,分别得出了全岩和粘粒中粘土矿物的绝对含量和相对含量,以及用粘粒质量百分比乘以相对含量得出的换算含量.另外还将全岩XRD矿物成分同薄片统计结果进行了相关分析.对粘土矿物绝对含量基本为20%～45%的全风化花岗岩,对比分析不同含量结果表明:全岩中的某些粘土矿物,如高岭石、蛭石的绝对含量远大于换算含量;不同样品中高岭石和蛭石的相对含量变化幅度远大于它们在全岩中绝对含量变化,两者变化呈现某种一致性;全岩中粘土矿物含量远大于粘粒(粒径<2μm和<5μm两个界限)的含量.后两者相对而言变化基本一致,差值不大;同全岩中粘土矿物含量相关性较好的是比表面积;同薄片统计结果相比,全岩XRD粘土矿物含量受对风化矿物处理不确定性的影响,结果往往偏大.     

浙江大型古地下工程洞室群的科学研究与启示

作者近20年来在中国浙江省发现多处大型古地下工程洞室群,包括3 000余个古洞室。通过现场调查发现,在这些古洞室群中,既有迄今为止所发现的最大跨度为92 m的天台县黑洞大型古地下采石场洞室,又有最大高度为99 m的长屿硐天水云硐古地下采石场洞室,还有洞壁刻凿最为华丽的龙游石窟古地下洞室。这些洞室均具有共同的特点:始采于几百年-几千年,即均保持了上千年的稳定;它们又具有各自独特的结构:斜墙、鱼尾形柱托、斜顶、穹顶、肋形仰拱,洞间隔墙,洞间水平隔板等等。研究表明,这些独特的结构均对洞室的长期稳定起到了至关重要的作用;除此之外,在这些古地下洞室群中还发现了古人高超的测量技术、开凿技术和防水技术等。这些保持了上千年稳定的无支护大跨度人工洞室群,对现代岩石力学有着诸多启示。然而,随着对这些洞室群的发现及旅游开发,各种破坏现象已经产生,严重威胁着这些古工程遗迹的稳定和安全,同时也对如何开展大跨度人工洞室群的长期保护提出了新课题和新挑战。     

土质斜坡存在唯一最小安全系数的数据作图论证及原因分析

本文通过数据作图法揭示了土体黏聚力和内摩擦角对斜坡安全系数作用的不同规律,并论证了一般土质斜坡存在唯一最小安全系数及其原因。本文在土质斜坡中划分了大量的潜在滑移面,并定义了每一个潜在滑移面所拥有的4类安全系数FOSc×φ、FOSc、FOSφ和FOSc+φ。基于极限平衡的条分法计算了滑移面的4类安全系数,并使用数据作图法揭示和确定了这4类安全系数值随潜在滑移面深度d变化的4条特征和规律。由土体黏聚力和内摩擦角共同作用的安全系数FOSc×φ包络线随d的增加先单调下降,到达一段最小值区间后,再单调上升。因此,它必然存在一个总体最小值。仅由土体黏聚力贡献的FOSc包络线随d的增加先快速、再缓慢单调下降。仅由土体内摩擦角贡献的安全系数FOSφ包络线随d的增加线性上升。FOSc与FOSφ之和FOSc+φ数值几乎等同于FOSc×φ数值。这4条规律揭示了土体黏聚力和内摩擦角对斜坡安全系数作用的不同规律,并论证了一般斜坡存在最小安全系数及其原因。本文进一步论证和揭示了这4条特征和规律适用于5种经典有限条分法的计算结果,适用于考虑地下孔隙水压强作用的计算结果,和考虑斜坡土体分层不均质影响的计算结果。特别地,地下孔隙水会加深拥有最小安全系数的潜在滑移面深度。土体黏聚力对斜坡安全系数贡献随潜在滑移面深度增大而减小,土体内摩擦角对斜坡安全系数贡献随潜在滑移面深度增大而增大。这两种强度随深度的相反贡献规律导致了一般土质斜坡存在唯一最小安全系数。     

全风化花岗岩样品中粘土矿物含量变化对比

全风化花岗岩三大矿物组分——石英、长石和粘土矿物含量变化情况怎样?粘土矿物含量变化幅度多大?以香港九龙3个探坑中采到的18箱(边长30cm的立方体)样品为例, 将1箱样品的不同区分别取样后的XRD鉴定结果(包括全岩3种主要矿物成分变化、粘粒中高岭石和伊利石变化范围值)进行对比, 结果发现它们中矿物成分含量变化范围一般为10%~20%.高岭石相对含量变化幅度大于伊利石, 粗粒结构样品变化值大于细粒样品值.对同一样品不同分析人员得出的结果差别很大.分析后认为样品自身的非均质性和分析人员经验不同, 都可造成粘土矿物含量的明显差别.为进一步分析XRD鉴定样品间矿物成分差异值的可靠性, 还将XRD结果同薄片统计结果进行了对比.结果发现来自石硖尾样品中的石英含量普遍较高, 长石含量普遍较低, 而粘土矿物含量在石硖尾和观塘都有高有低.从两者差值看, 矿物含量相差0%~35%.这项研究说明全风化花岗岩一定范围内的非均质性程度同风化物中矿物是原矿物还是粘土矿物的认定一起对最终结果产生很大影响.      

全风化花岗岩抗剪强度试验结果对比及影响因素分析

对三轴和直剪试验得到的土抗剪强度结果对比及其主要影响因素分析很少。本文通过对采自香港两处边坡顶部 3个探坑中 1 1组全风化花岗岩样三轴固结不排水剪切和慢剪试验 ,得到了它们的有效抗剪强度值。孔隙度小的中细粒kt样品抗剪强度值总体大于孔隙度大的中粗粒skm样品。对同一组样品两种试验得出的有效抗剪强度值对比发现 :三轴试验结果大于直剪试验结果。两者相差有效内聚力c' =- 6 0～ 6 0kPa ,有效内摩擦角 '=- 2～ 1 8;两者的c'呈正线性相关 (相关系数R =0 .84 9) ,两者的 '正对数相关 (R =0 .6 86 )。两种实验的c'差值和 '差值呈弱负线性相关 (R =0 .377)。这些差别主要归因于样品物质成分和结构特征 (如粘粒、石英和粘土矿物含量等 )不同。其中 ,粘粒含量和c'值负相关 ,而与c'值差值呈正对数相关 (R =0 .776 ) ,即随着粘粒含量增加 ,三轴和直剪的有效内聚力c'差别也变大 ;粘粒和粘土矿物含量都和 '值及差值负对数相关。而含量较高的石英与有效内聚力c'值和差值都呈正相关。本文结果表明 ,在分析对比抗剪强度试验结果差别时 ,要特别注意分析粘粒、粘土矿物和石英含量变化 ,其次是天然密度和游离Fe2 O3 含量的影响     

五种不同途径获取全风化花岗岩孔隙度数值对比

在岩土工程理论研究和工程实践中土孔隙度是一个经常遇到和需要明确数值的参数。它的大小由常规土工试验数据换算得出。另外,还可通过压汞试验(包括氦孔隙仪和压汞仪)、薄片观测、扫描电镜图象处理等试验分析得到其数值。这5种不同途径得出的同一套土样孔隙度差别多大?本文以全风化花岗岩为例,通过5种途径对相当数量样品孔隙度进行了试验分析和计算。结果发现,这5种途径得到5种不同孔隙度数值;其差别一方面表现在数值大小上,另一方面显示孔隙度应属不同范畴和物理意义。区别对待这一点对工程计算应用很有意义。物理实验结果换算出的孔隙度为绝对孔隙度,数值结果最大;压汞试验得到的孔隙度是三维空间内孔隙的体积百分比(氦气计测得的为开孔隙度,压汞仪得到的应是有效孔隙度);薄片和扫描电镜图象处理得到的是不同尺度范围上二维平面内孔隙面积百分比,其中以薄片鉴定得到的孔隙度值最小,原因在于在毫米级观察尺度上很多粒内孔隙被忽略掉了。而因为局部结构影响被放大,扫描电镜图象处理得到的孔隙度值变化较大而不很稳定,但微孔隙基本得到了反映。5种孔隙度数值从大到小依次是:绝对孔隙度(物理实验法)>开孔隙度(氦孔隙仪)>SEM孔隙度>有效孔隙度(压汞仪)>薄片孔隙度。总体看它们之间差值较明显。     

基于数字图像的真实细观非均质岩土力学分析数值方法

本文介绍基于真实非均质岩土材料的数值方法与研究进展.这些方法运用新发展的数字图像技术,获取真实岩土和混凝土材料的细观非均质分布,再进行定量细观结构研究,采用数值计算程序,定量分析它们的物理力学响应,为解决限制岩土和混凝土力学进一步发展的非均质材料假设问题提供了有效途径.本文介绍该方法的研究背景和三项主要内容.包括真实细观非均质岩土材料力学数值分析方法,非均质岩土材料数值网格计算方法,和非均质岩土材料力学响应重要规律.

     

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。