岩土工程材料的数字图像有限元分析

综合数字图像处理理论、几何矢量转换技术与有限元网格自动生成原理,提出了岩土工程材料的数字图像有限元分析方法。以岩土工程材料的图像为研究对象,先采用数字图像算法获得材料的真实细观结构;然后,通过几何矢量转换技术将二元图像的细观结构转化为矢量化的细观结构;在矢量化细观结构的基础上,再利用网格自动生成技术生成材料细观结构的有限元网格;最后,采用传统的有限元计算理论,对细观结构中的不同材料赋予相应的材料参数,从而实现了岩土工程材料的非均质力学分析,真实地反映了岩土工程材料的力学性能。以花岗岩为例,详细阐明了实现数字图像数值分析方法的整个过程。Brazilian试验的数值模拟表明,材料的细观结构对Brazilian圆盘中轴线上拉应力的分布有着明显的影响,数字图像数值分析方法可真实地实现材料的非均质研究。

香港大学钻孔过程数字监测仪在土钉加固斜坡工程中的应用

介绍了一台新型的能够自动、客观和连续不断地记录和监测钻孔过程的钻孔过程数字监测仪(DPM)。钻孔过程可由一些随时间变化的钻孔参数来表述,这些参数包括钻杆和钻头的位置、位移和转动,以及钻机对钻头施加的各种动力载荷。此便携式监测仪可快速地安装到钻探机或钻孔机上,并且已经在香港防止山泥倾泻的斜坡加固工程中得到应用。通过实例讨论阐述了在风化岩土斜坡中安装土钉的钻孔过程实测结果。这些实测结果是从香港斜坡防护常用的土钉钻孔过程中得到的。这些实测结果表明钻孔过程参数随时间的动态监测可为工程质量管理和控制以及岩土工程设计和检验提供丰富、有利的真实数据和资料。

现今斜坡工程安全设计理论的根本缺陷与灾难后果

滑坡及其灾难在世界各地、经现代岩土工程设计施工的斜坡中不断地发生。论文提出、分析和论证了造成工程斜坡滑坡的一个本质原因。它就是现代斜坡工程安全设计理论存在根本缺陷。这个缺陷表现在3个方面。第一,土体抗剪强度参数(有效黏聚力和有效内摩擦角)在斜坡安全设计中假定为常数,不随土体孔隙和含水率的增大而减低到零,孔隙水对土体剪切强度的影响仅体现在孔隙水压强对有效应力的影响。第二,经典岩土力学理论(特别是有效应力原理和排水固结理论)仅能预测外部加载产生土体压剪、孔隙率减小、土体强度增大的岩土稳定工况过程。它们不适用于外部卸载造成土体拉张、孔隙率增大、土体强度减少的岩土破垮工况过程。第三,斜坡安全系数是土体抗剪强度与施加剪切应力的比值。由于土体强度本值(品质)很低,加固工程增加这个比值安全系数达到设计最小值时所能够提供的强度本质(品质)增加量也就不高。斜坡工程岩土体的强度和品质没有得到能够防治岩土体拉张变形和滑垮的根本改善和增强。从而,工程人员必须精心全力地确保低品质斜坡工程岩土不破垮和滑塌。可是,又由于工程斜坡众多和它们的降雨、场地和环境变化较大,上述3个方面现代斜坡工程安全设计理论的根本缺陷可以导致:达到安全设计标准的工程斜坡,在施工和营运过程中,能够发生滑垮、产生灾难后果。本论文特别认为,经典岩土力学理论是仅适用于完全压剪的,应称为压剪岩土力学理论。提出了应该建立既适用压剪又适用拉剪的、新的土力学理论和防抗岩土灾害设计方法。

岩土细观介质空间分布数字表述和相关力学数值分析的方法、应用和进展

介绍和总结近十多年来研究实际岩土细观介质空间分布的方法,以及基于实际细观介质空间分布数学表述而建立的力学数值计算网格自动生成的方法和应用,该项研究可为解决岩土力学主流方法常遇到的岩土模型与参数给不准和本构关系模型种类繁多这两个重要问题提供可行途径。该可行途径主要包括采用数字图像技术来对岩土材料内部细观不同介质的空间分布进行精确测量和数值表述以及采用相应的数值计算方法。研究结果表明,数字图像技术可以用来准确量测和表述岩土内部各种介质的实际空间分布,这些空间分布数据可以用来建立岩土内部不同细观介质的空间分布和相应数值计算网格,并通过与现有的数值计算方法如有限元法或有限差分法相结合来实现考虑真实岩土材料不同种细观介质及其空间分布的力学数值分析和预测。进一步探讨如何应用该方法来建立微观–细观–宏观不同尺度耦合的真实岩土力学分析和预测方法与理论。SCI论文检索结果表明,所提出的方法和途径是岩土力学相关研究和探索的最新进展。

汶川地震与山崩地裂的极高压甲烷天然气成因和机理

笔者提出和论证了,汶川地震是由地壳深部一股海量异常高密度、高压甲烷天然气体突然破裂,逃出其闭圈围岩,再沿龙门山深大叠瓦状推覆断裂和不整合接触带,高速运移、膨胀、破裂和喷出岩层和断层造成的。山崩是一股高压气体高速运移到坚硬岩体山坡内部,将它们胀裂和快速推移造成的。地裂是一股高压气体高速运移到松软土体平地内部,将它们顶起变形和快速拉剪断裂造成的。

奠基岩石“封闭应力”假说的气体包裹体和膨胀能力

陈宗基先生在1979年提出了"封闭应力"假说,认为它是岩石工程灾害的原因。近年来,钱七虎院士和王思敬院士分别对"封闭应力"假说作了肯定的定性讨论。30多年过去了,这个"封闭应力"假说仅得到极其少的定量研究和发展。在本文中,我提出和试图论证流体包裹体是一种具体、实在、可测量和计算的应力包裹体。它在地质岩石与矿物中普遍存在。它有压强和体积膨胀能。它是一种封闭应力和内应变能的具体存在和作用形式。我给出了这个压强、体积膨胀能和封闭应力包裹体对围岩作用的计算公式和算例。这个包裹流体压强值与深部岩石高地应力场值相当。我进一步分析和讨论了,岩石微小、密封、压紧的流体包裹体应该是深部工程岩石开挖洞室或巷道出现的岩爆、冲击地压、矿震、洞壁劈裂、围岩分区破裂和巷道大变形的一个共同张性体积力源。我认为,这个地质岩石与矿物内紧压膨胀的流体包裹体封闭应力能够完整逻辑一致地、符合自然规律地解释人们所见到的、报道的、与这些深部工程灾害相关的所有事实。并且,它能将这些事实和现象合理地、随时间演变地联系和重塑起来。这种实在、可测试、可定量的封闭应力源和能源的提出和研究能为岩石力学工作者,更好地沿着老一辈岩石力学专家们指引的途径和思路,来建立新的地质岩石力学理论、方法和技术,以更加符合自然规律地解决岩石力学领域世界性难题的深部工程灾害问题。

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.

全球岩土工程领域共同挑战性问题的土力学理论根源

Morgenstern教授,2000年在ISSMGE、ISRM和IAEG共同召开的"世纪岩土工程会议"上,提出了全球岩土工程存在三大共同挑战性问题。它们是表现不合格、价值被低评;不合理报酬、回报被低算;不合情地位、才华被低用。他认为,产生问题原因在于,全球岩土行业缺少一个统一的学会来领导和竞争。笔者认为,根源在于,经典土力学理论的适用范围被扩大化。经典土力学理论是压剪土力学理论,仅适用于岩土体完全受到压剪应力载荷工况。但是,它的创建者,却将这个压剪土力学理论扩大应用到了,不同于完全压剪应力状态的工况工程中。从而,这种扩大化使用是不符合自然规律的、造成了这三大共同挑战性问题。这个理论根源的提出和认识,能够解决这三大问题。

岩爆的压缩流体包裹体膨胀力源假说

岩爆是地下工程中的一种奇异力学破坏现象.开挖后的围岩块石突然、猛烈地向开挖空间弹射、抛掷和喷出.它具局部性、突发性、隐蔽性、滞后性、无前兆性、高初速度和高冲击动能.岩爆常常导致深部岩石工程重大人员伤亡和经济损失.虽然人们对岩爆做了大量研究,岩爆的成因机理依然是公认的"国际岩石力学领域的世界性难题".本文指出、分析、论证了造成这个"世界性难题"的原因是,国际岩石力学领域忽略了连续完整岩石中微小流体包裹体的存在和异常作用.本文进一步提出、分析和论证了封闭在完整岩石中的微细流体包裹体可能处于被压缩状态,能够拥有高压强,能够造成完整岩石内部的局部异常高地应力场.岩石开挖可导致封闭在岩石内部的众多微细高压缩流体包裹体重新随时间而渗流、移动和相变,再造成局部完整脆性围岩的岩爆.对岩石流体包裹体的力学研究能让我们破解世界性岩爆难题.

多层与梯度非均匀材料弹性力学问题解析解的简明数学理论

扼要介绍笔者最近20a研究出的一种简明数学理论,此理论可广泛适用于推导功能梯度包括多层非均匀材料中三维弹性力学问题的解析解。此种梯度非均匀材料在工程和科学各领域有广泛应用。也介绍一些应用此理论的成果,这些应用包括弹性动力学、热弹性力学、煤层开挖引起的地表移动、道路结构设计和强度评价、静力触探、土-水耦合固结基础沉降以及断裂力学。

地下工程事故紧急搜救的快速气冲钻孔和实时监测

如何以最快的速度搜救地下工程事故中的被困人员,是完成救援任务的关键,笔者提出了自动监测钻孔过程的DPM方法。该方法在以高压空气作为动力的潜孔锤旋转冲击钻孔中,能够自动、连续地对钻孔过程实时数字监测和记录。这种智能型监测钻孔可以实时建立沿钻孔深度各点的岩土体力学强度与空间分布,从而准确地测定地下洞室或巷道的位置及范围。该技术起到快速搜索以及输送新鲜空气的作用,钻成的孔洞可以将食物和水传递给被困人员。十多年来,实际数字钻孔监测结果表明,这项研究的确可以精确测定和给出地下岩土体的力学强度。该方法可以有效地、具体地应用到地下工程事故紧急搜救工作中。

与香港地区地震危险性相关的汶川地震灾害调查的五点认识

在2008年汶川地震灾害调查和认识的基础上,研究了与香港地区地震危险性相关的五点认识。香港地区虽然有较大断裂,但是它的断裂处于较为完整的花岗岩和火山岩岩体中,深部不具备产储大型高压天然气囊,因此,它不具备发生中强地震的充分条件。香港地区的岩石类型、周边和内部海水体、周边岛屿和建筑楼顶水体的均有利于抗震减灾。

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FOS^(c×φ)、FOS^(c)、FOS^(φ)和FOS^(c+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FOS^(c×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FOS^(c)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FOS^(φ)包络线随d的增加线性上升。FOS^(c)与FOS^(φ)之和FOS^(c+φ)数值几乎等同于FOS^(c×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。

基于数字图像分析及大型直剪试验的土石混合体块石含量与抗剪强度关系研究

随着现代岩土力学的发展及各类大规模工程建设的需要,土石混合体已经逐渐被作为一种有别于常规的土体及岩石的特殊岩土材料受到国内外研究者的高度关注。土石混合体内部的块石含量及粒度组成很大程度上控制了其相应的物理力学性质。基于现代数字图像处理技术,通过对土石混合体内部块石的形态分析,获取其相应的粒度组成及块石含量,并将其作为土石混合体大尺度直剪试验的制备试样的基础,为这类岩土体的试验研究开辟了新的思路。通过大尺度直剪试验的研究结果表明,土石混合体的内部块石含量特征在很大程度上控制了其变形破坏机制,其剪应力–水平位移曲线及垂直位移–水平位移曲线均较常规的土体及岩石有很大的差别。土石混合体的剪切带将随着块石含量的增加而变宽,其内摩擦角增量与块石含量(25%～70%)近似成线性增长的关系,黏聚力较相应土体有很大程度的降低,但当块石含量大于30%时,其黏聚力随着块石含量的增加而缓慢降低。

土石混合体细观结构及力学特性数值模拟研究

土石混合体是一种非常复杂的不连续介质。随着数字图像处理理论的飞速发展,数字图像处理技术已经成功地应用于多种学科领域。通过利用数字图像处理技术建立土石混合体细观结构“概念模型”,并对其内部块体分布的结构特征进行统计分析研究,研究结果表明土石混合体的“混乱”状态只是其外在表现,其内部块体的分布具有良好的统计自相似性特点。利用几何矢量转换技术,将二元数字图像下土石混合体的概念模型转换为有限元软件可以接受的矢量格式,从而为土石混合体细观结构数值模拟提供基础。土石混合体大尺度直接剪切试验的数值模拟结果表明,土石混合体中的块石对其内部应力场具有明显的影响,从而影响了其相应的变形破坏形式。提出了内部塑性区扩展可能存在的3种模式。

隧道开挖方式对建筑物桩基影响的数值模拟分析

运用岩石破裂与失稳过程分析RFPA^(2D)系统以及FLAC^(2D)程序对广州地铁二号线隧道通过电化教育学院录音楼引起建筑物桩基的变形与力学特性进行研究。RFPA^(2D)系统视材料为非均匀损伤材料,考虑修正后的Mohr-Coulomb准则(包含拉伸截断)作为单元破坏的强度判据,研究不同隧道开挖方式对建筑物桩基和地面移动的影响。分析表明,RFPA^(2D)系统是研究地表移动和破坏机理的适用工具。

全风化花岗岩孔径分布-颗粒组成-矿物成分变化特征及指标相关性分析

孔径分布、颗粒组成和矿物成分是全风化花岗岩微观和结构特征的3个主要方面,也是决定其工程地质性质的关键因素。理论研究和实际工程中,常用大、中小和微孔隙、角砾、砂粒和粉粘粒、三大矿物(石英、长石和粘土矿物)含量等指标表征这3方面的特征。3方面指标在一定范围上变化幅度多大?数值间相关性及作为土结构模型组份因子,它们相对权重多大?通过对香港九龙两处边坡51件全风化花岗岩试样压汞测试、颗粒分析和X射线衍射(XRD)等微观结构特征分析,结果表明:两处边坡粗粒和细粒结构全风化花岗岩有明显区别,前者主要属于砾石土和砂砾土,部分为含砾土,大孔隙多,石英和粘土矿物多,而后者部分属含砾土,部分为细砂土和亚砂土,微孔隙多,长石多;两者长石和粘土矿物含量变化正好相反。借助于多因素关系矩阵法,对3方面共9个指标作相关分析发现,相关性较好的指标是:角砾和砂粒 (0.948);大孔隙和微孔隙(0.846);石英和长石(0.827);长石和粘土矿物 (0.747)。从土结构因子角度考虑,权重从大到小指标是:微孔隙、长石、粘土矿物、砂粒、角砾、大孔隙、中小孔隙、粉粘粒和石英。其分析结果可为该类土微观结构特征细化及分类提供依据,为其微结构力学研究提供基础材料。

基于岩石可钻性指标的地层界面识别理论与方法

岩石可钻性指标是石油、矿山及地质部门广泛用于钻头选择和制定生产定额的重要参数,但现行可钻性指标的定义及参数获取的实验方法还存在许多问题.通过分析,重新定义了岩石的可钻性,提出了以单位能量下的穿孔速率作为可钻性指标的新概念;基于钻进过程中有效轴压、转速、穿孔速率和可钻性指标间的耦合关系,建立了可钻性指标的计算公式.同时,对新的可钻性指标在地层识别中的敏感性进行了分析,阐述了可钻性指标在地层识别中的物理意义.研究表明,新的可钻性指标克服了传统可钻性指标在判层中存在的盲区,并可实现沿钻孔剖面的连续判层.

土体含水率和吸力量测及其对边坡稳定性的影响

为研究暴雨诱发滑坡的机理 ,在香港进行了一次大型人工边坡试验。通过检查该边坡坡顶在 2 0 0 1年 6月至 2 0 0 1年 12月期间含水率和吸力与每天及每小时降雨变化曲线 ,及含水率和吸力随深度变化曲线 ,看到在雨季含水率和吸力变化或者“浸湿前锋”移动通常发生在边坡土体以上 3m以内 ,而且 ,在 2 0 0 1年的一次最大暴雨中在边坡土体 1～ 2m之内形成了瞬时地下水位。另外 ,还看到在2 0 0 1年旱季由于蒸发在边坡土体中形成了“干燥前锋”。通过对边坡开挖之前的自然边坡的稳定性分析 ,降雨入渗可以使边坡土体的安全系数急剧降低而蒸发则可以使边坡土体的安全系数缓慢升高。雨季含水率和吸力的浅层变化或者“浸湿前锋”的浅层移动可解释为何香港地区在暴雨期间极易发生浅层滑坡。而旱季由于蒸发形成的“干燥前锋”

钻进参数用于香港复杂风化花岗岩地层的界面识别

在采用仪器钻进系统对复杂风化花岗岩地层界面进行成功识别的基础上,在复杂风化花岗岩场址的勘探中进行进一步应用和检验。在该风化花岗岩地层中,强风化与中等风化花岗岩交错,地层特征相当复杂。试验采用R–20液压回转式钻机,并安装数字式钻孔过程监测系统,在钻孔过程中对穿孔参数进行自动采集。对穿孔参数的定性和定量分析表明,在此地层中,有效轴压力、钻具转速、冲洗压力、钻头位移及穿孔速率等监测参数在界面处亦具有明显的涨落,说明这些参数与界面处岩石强度的变化具有很好的响应特征,能可靠地揭示复杂地层的变化。同时,采用变斜率法对地层中的主、次界面进行识别。t检验表明,仪器钻进系统对岩土界面识别的置信度为99%。