含裂隙岩石运动学行为的细观研究

岩体地区地质灾害的发生和发展，取决于岩石中不同细观组分的运动学行为、尤其是颗粒和裂隙的类型、形态、分布和相互作用。常规分析方法具有效率低、时间长、成本高、误差大、重复性差、易受环境影响等缺点。申请者拟以含裂隙细粒长石石英砂岩和泥晶石灰岩为例，根据室内试验获得力学性质指标、静态图像和动态图像，使用分数阶微分和数学形态学方法确定细观组分的形态和分布，使用贝叶斯判别方法确定颗粒的矿物成分类型，使用特征最大相关匹配方法研究岩石中的位移场和速度场，把数字图像处理结果作为颗粒流数值模拟的主要输入参数，将现代数字图像处理技术和颗粒流方法结合起来确定各种组分在不同荷载作用下的细观特征参数，根据基本地质特征和数字图像资料来预测岩石力学性质。本项目成果为探讨含裂隙岩石的运动学行为提供了一条全新研究思路，对具体工程设计具有重要的实用价值，为研究岩体本构关系和岩体地区地质灾害细观特征奠定了坚实基础。

岩体地区地质灾害的发生和发展，取决于岩石中不同细观组分的运动学行为、尤其是岩石中不同细观组分的类型、形态、分布和相互作用特点。常规分析方法具有效率低、时间长、成本高、误差大、重复性差、易受环境影响等缺点。本项目以石灰岩和花岗岩为例，根据常规室内试验获得的岩石力学性质指标、静态图像和视频图像，使用分数阶微分计算技术、边缘检测方法、数学形态学分析确定岩石中不同细观组分的形态和分布，使用贝叶斯判别方法、主成分分析和支持向量机方法研究了颗粒矿物成分类型的识别方法和判别函数的建立方法，得到了加载过程中不同时刻不同细观组分的概率熵、信息熵、焓变、定向性、区域特征参数、形状特征参数、纹理特征参数等细观数字特征参数，分析了这些参数与岩石变形破坏过程的关系，研究了不同细观组分的受力次序、移动特征与细观数字特征参数，提出了裂隙起动的细观数字参数标准，使用粒子测速技术、最大相关匹配技术和局部最小二乘法得到了不同加载时刻岩石试样中的位移场、应变场、速度场、加速度场，研究了这些场变量与裂隙萌生扩展过程的关系，探讨了岩石中既有裂纹端点的变化过程、新生裂隙的萌生扩展过程、数字图像参数的变化过程及其与岩石变形破坏过程的关系，使用基于非连续介质的颗粒流方法提出了岩石细观结构模型的建立方法，获得了颗粒密度、颗粒接触力、颗粒接触模量、颗粒配位数、连接类型、连接强度、连接刚度比、孔隙率、裂隙数目、摩擦系数、应力、位移、应变率、颗粒力链分布等细观物理力学参数，研究了这些细观物理力学参数在外荷作用下的变化过程，使用扩展有限元法分析了不同外荷条件下岩样中位移和应力的变化特征及其与细观组分类型、岩石细观裂隙变化过程的关系，编制了根据常规试验资料和试验视频资料计算任意时刻岩石图像特征参数和试件变形场的应用程序，开发了确定岩石细观结构模型与计算岩石细观物理力学参数的应用程序，提出了由岩石基本地质特征和试验视频图像资料预测岩石力学性质的全新方法。项目成果对具体工程设计具有重要的实用价值，为研究岩石本构关系和岩体地区地质灾害细观特征奠定了较为坚实的理论基础。