基于数字图像的非均质岩土工程材料的数值分析方法

第27卷 第8期 岩 土 工 程 学 报 Vol.27 No.8 2005年 8月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Aug., 2005

基于数字图像的非均质岩土工程材料的数值分析方法

陈 沙，岳中琦，谭国焕

（香港大学 土木工程系，香港）

摘 要：提出了一种基于数字图像的非均质岩土工程结构的二维数值分析方法。以花岗岩为例，先将岩石的表面图像导入计算机中；然后采用基于彩色空间的数字图像技术将组成花岗岩的几种主要材料：长石、石英和黑云母一一分辨出来并再现岩石的细观结构；再通过一个简单的线性转换，将图像细观结构转换为矢量细观结构；最后，岩石的矢量细观结构可以与数值计算方法——有限元法或有限差分法结合，从而实现非均质岩石材料的力学分析。采用有限差分法FLAC程序来分析岩石的破坏过程。传统室内试验数值模拟表明材料的细观结构对应力分布和破坏模式有着明显的影响，基于数字图像的数值分析方法可以真实地实现岩土工程材料的非均质分析。

关键词：岩土材料；花岗岩；非均质性；数字图像处理；有限差分法；破坏预测

中图分类号：TU 52 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2005)08–0956–10 作者简介：陈 沙(1975– )，男，博士生，主要从事非均质岩土数值方法研究。

Digital image based numerical modeling method for heterogeneous geomaterials

S. CHEN，Z.Q. YUE，L.G. THAM

（Department of Civil Engineering, The University of Hong Kong, Hong Kong, China）

Abstract: A two-dimensional digital image based on numerical modeling method for heterogeneous geomaterials was presented. The granite was used as an example for the present investigation. First, the actual heterogeneities of granitic rock surface were extracted from color image by applying image processing techniques. Then a simple linear transformation was proposed to transform the actual image data into vector square data for generation of finite meshes or grids. Finally, the vector data were incorporated into the traditional numerical methods, such as finite element method and finite difference method for numerical simulations. A finite difference software package FLAC was used to study the rock failure process. Three typical laboratory tests were simulated to examine the influences of material heterogeneities on stress distribution and failure patterns. Numerical results show that digital image based numerical modeling method can be used to calculate the mechanical responses of geomaterials by taking their heterogeneities into considerations.

Key words: geomaterial; granite; heterogeneity; digital image processing; finite difference method; failure prediction

0 前 言

多年来，众多学者开展了大量的室内试验、理论分析和数值模拟来研究岩土工程材料的工程力学性质。相关文献调查[1~3]显示大多数的研究是在传统表象理论基础上开展的宏观分析，众多力学理论和数值模型忽略了材料的细观结构和非均质性，在假定材料为均质或分片均质的基础上，岩土工程材料的传统力学性能受到了较多的重视，而其细观力学性质被大大忽略。

近年来，一些学者试图开展岩土工程材料的非均质性力学分析[4~12]。这些研究考虑了材料的细观结构和非均质性，并开发了一些数值模型和软件（如格构模型、RFPA模型等）来计算岩土工程材料的应力应变和破坏模式。这些模型均采用统计工具和随机生成

软件来生成材料的细观结构，即使产生的细观结构中各种不同材料的形状、分布、比例和真实的岩土工程材料内部结构尽可能一致。比如，Schlangen和Van Mier[8] 首先采用格构模型来分析混凝土，其格构是由规则的或随机的三角形单元组成，而材料的非均质性是通过随机指定格构单元的强度和形状实现的。一些研究学者如Song和Kim[4]，Li等[9]和Napier 和Dede[10] 应用了格构模型来分析原岩的破坏过程。RFPA模型是由唐春安等[5, 6]开发的分析岩石破坏过程的有限元程序。在模型中，岩石的非均质性是通过采用Weibull统计函数来随机定义单元刚度和强度的分布来实现的。Weibull统计函数采用一个均质参数m来定义岩

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收稿日期：2004–09–17

第8期 陈 沙，等．基于数字图像的非均质岩土工程材料的数值分析方法 957

石的非均质性。m值越大则表示岩石的均质性越高。同样是采用Weibull统计函数来生成岩石的细观结构，Fang[11, 12]运用有限差分程序FLAC模拟了岩石在受压状态的脆性破坏。

这类采用人工虚拟细观结构的非均质研究已经成功地开展了对岩土工程材料的分析，并揭示了岩土工程材料的一些力学性质。然而，似乎很少有文献来比较虚拟细观结构与真实材料结构的差别，并说明虚拟细观结构能在多大程度上真实地体现材料的非均质性。我们认为，建立在虚拟细观结构上的力学分析是很难得到材料的真实力学性质的。

当岩土材料转换为图像时，其不同物质可以通过灰色度或颜色的变化在图像中得到反映，图像很好地再现了材料的非均质性。因此，数字图像技术处理可以用来提取材料的真实细观结构。数字图像处理主要是将研究的物体转化为储存在计算机中的数字图像，并运用计算机对图像信息进行分析和处理从而得到所需要的研究结果。随着计算机硬件 …… 此处隐藏：16094字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……