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延伸：第6章 巖土工程數(shù)值分析方法
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第25卷第10期巖石力學(xué)與工程學(xué)報 Vol.25No.10 2006年10月 Chinese Journal of Rock Mechanics and EngineeringOct.，2006

基于真實(shí)細(xì)觀結(jié)構(gòu)的巖土工程材料

三維數(shù)值分析方法

陳沙，岳中琦，譚國煥

(香港大學(xué) 土木工程系，香港)

摘要：提出基于真實(shí)細(xì)觀結(jié)構(gòu)的巖土工程材料三維數(shù)值分析方法。運(yùn)用數(shù)字圖像技術(shù)，將巖土工程材料的表面圖

像轉(zhuǎn)換為材料的真實(shí)矢量細(xì)觀結(jié)構(gòu)。然后通過一種簡單變換，將該矢量結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為單層的三維結(jié)構(gòu)。最后采用研

磨及掃描循環(huán)系統(tǒng)，，逐步掃描并生成每一層材料的表面細(xì)觀結(jié)構(gòu)，將這些沿深度方向連續(xù)的細(xì)觀結(jié)構(gòu)逐層逐層疊

加起來，從而形成了整個試件的三維真實(shí)細(xì)觀結(jié)構(gòu)。該細(xì)觀結(jié)構(gòu)可以與傳統(tǒng)數(shù)值計算方法耦合來分析非均質(zhì)巖土

工程材料的力學(xué)性能。以香港花崗巖為例，采用有限差分法軟件FLAC3D，分析巖石在單軸受壓情況下的三維應(yīng)力

分布及裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展過程。計算結(jié)果顯示真實(shí)細(xì)觀結(jié)構(gòu)能顯著影響材料的力學(xué)性能及破裂模式。

關(guān)鍵詞：巖石力學(xué)；數(shù)值分析；非均質(zhì)材料；花崗巖；數(shù)字圖像處理；有限差分法

中圖分類號：TU 45 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：10006915(2006)10195109

ACTUAL MESOSTRUCTURE BASED THREE-DIMENSIONAL

NUMERICAL MODELING METHOD FOR HETEROGENEOUS

GEOMATERIALS

CHEN Sha，YUE Zhongqi，Tham L G

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

Abstract：This paper presents a three-dimensional numerical modeling method associated with actual mesostructures for heterogeneous geomaterials. Firstly，digital image techniques are used to extract two- dimensional material heterogeneity from material surface images. Secondly，the 2D square mesostructures are extrapolated to form 3D cuboidal mesostructures with the assumption that the material surface is a representation of the inner material distribution within a very small depth. Thirdly，an iterative milling and scanning system is set up to remove the material surface layer at a very small depth. The newly exposed surface is scanned to form the new digital representation of material heterogeneity. The milling and scanning process is repeated until the entire specimen can be represented by a series of layers of the cuboidal elements. These one-layer-thick 3D mesostructures are connected in series to form the actual 3D mesostructures. Finally，the 3D mesostructures are incorporated into traditional numerical methods to examine the mechanical behavior and fracture patterns of heterogeneous geomaterials under external loadings. A Hong Kong granite specimen is used to demonstrate the procedure of the 3D mesostructure establishment. The granite heterogeneity consists of three minerals：biotite，quartz and feldspar. A 40×118×10 cuboidal model is established. The actual size of the model is 15.00 mm×44.25 mm×3.56 mm. By adopting the commercial finite difference code FLAC3D，the 3D stress distribution，crack propagation process and failure model of rock under uniaxial compression loadings are simulated. Three 收稿日期：20050803；修回日期：20051111

作者簡介：陳沙(1975)，男，博士，2005年于香港大學(xué)巖土工程專業(yè)獲博士學(xué)位，主要從事巖土設(shè)計方面的咨詢工作。E-mail：chensha@graduate.hku.hk

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