土石混合体实测结构模型的自动生成技术.pdf
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1、 收稿日期 2003 - 04 - 03 土石混合体实测结构模型的自动生成技术 油新华 1 李 晓 2 贺长俊 1 (1.北京城建集团有限责任公司 2.中科院地质与地球物理研究所 ) 摘 要 土石混合体是一种非均质、 不连续体,本文在土石混合体实测剖面的基础上,利用图像处理技术 和有限差分网格的自动生成技术建立了土石混合体的实测结构模型,并给出了相应的例子。 关键词 土石混合体 实测结构模型 自动生成技术 岩土工程从定性到定量转化的重要标志是岩土 介质模型的建立,而模型的合理有效性是保证工程 定量分析结果精确可靠的基本前提。土石混合体由 于含有不同大小、 不同种类 、 不同数量的砾石块体而 具
2、有典型的非均质、 不连续性 ,因此通过常规方法建 立反映土石混合体力学性质的模型是极其困难的。 数码照相是获取物体数字化信息的最直接最有 效的手段 。笔者曾对很多剖面不同种类的土石混合 体进行了数码照相。在这些照片的基础上,首先经 过灰度处理 ,然后对此图像进行识别,生成只包含点 和线的线框模型。之后将之输入到ANSYS 中 ,提 取土石混合体结构信息,例如砾石块体的面积、 周 长 、 面积级配 (平面状态下) 等 ,并自下而上构造模 型 ,充分利用 ANSYS 中的网格自动剖分技术 1 ,通 过 ANSYS 与 FLAC 的接口程序,将单元信息、 节点 信息 、 结构信息输入到FLAC3D
3、中 ,直接建立用于 数值计算的力学模型(其程序流程见图 1) 2 。 图1 基于数码照片的模型自动生成流程图 1 数码照片的图像处理 用数码相机照出的照片是一种基于有损压缩的 JPEG 图像格式,它包含了丰富的数字信息 。但是 普通数码相机拍摄的照片是彩色的(图 2) ,不能直 接应用于图像识别,所以必须经过一定的图像处理 软件如Photoshop、 Adobe Photodeluxe 等将之处理 成灰度图像 (图 3) 。 图2 土石混合体的数码照片 图3 经过灰度处理的灰度照片 在灰度图像中,不同的只是颜色的深浅,不同的 材料区域应该有不同的颜色属性。这时可以给出一 定的颜色阀值,对所有的
4、小单元体进行循环,判断其 颜色值 ,大于此阀值的定为石,小于的则定为土。如 果小单元体取的足够小,则可以直接识别出砾石的 形状 、 大小和数量。目前这样的软件多使用在土的 微结构研究中 3 ,如地矿部水文地质与工程地质研 06 检测与分析GEOTECH NICAL ENGINEERING WORLD VOL. 6 No. 8 ? 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http:/ 究所与合肥工业大学合作开发的土体微结构图像分 析计算机系统(M IPS) 。本文出于资金
5、和时间原因 无法直接引用此方面的处理系统或编制专门的计算 程序 ,而是将灰度图像导入COREDRAW ,充分利用 COREDRAW 的自由绘图功能实现图像的人工识 别,即利用多义线对土石体中的砾石进行任意形状 的逼近 。这时就可以生成只包含点和线的线框模型 (图 4) 。 图4 经过图像识别处理的线框模型 2 量化信息的提取 前面所生成的线框模型( 如图 4) ,仅包含点和 线 ,每条线由两端点组成。图中最外面的四条直线 围成一个长方形环,构成了试样的轮廓。中间 40 个 是由线组成的不同形状的环,每个环代表一个砾石 块体 ,由此构成了土石混合体的结构分布图。在这 个结构图上,可以提取很多有用
6、的信息,以用于下面 的分析 。 提取量化信息的工具,采用国际知名的通用大 型有限元程序ANSYS 。由 COREDRAW 生成的线 框模型包含了基本的点和线,导入到 ANSYS 以后 , 这些点和线就被识别为建模所需的关键点和线,组 成环的几条线就可以围成一个面,每个面代表一个 砾石块体 。因此经过 ANSYS 处理以后 ,就可以输 出以下信息: (1) 面的信息 :包括面的序号、 组成面的线的条 数和编号 、 面的面积 、 面的类型等等; (2)线的信息 :包括线的编号 、 线的两个节点、 线 的长度等 ; (3) 点的信息 :包括点的编号、 点的 X、 Y、 Z3 个 方向的坐标 。 根据
7、这些信息,就可以统计出以下量化指标: (1) 砾石块体的面积:这可以由面的信息直接得 出 。 (2) 砾石块体的周长:周长是由组成面的各条线 的长度求和得来的。 (3) 土石混合体的含石率:它可以定义为各个砾 石块体的面积总和与试样总面积的比率,含石率的 不同将带来强度的差异。 (4) 砾石的面周比:即面积和周长的比值。这个 参数可以反映砾石块体的粗糙程度。对于面积相等 的三角形 、 正方形和圆,其周长圆的最小,三角形的 最大 。由此而引起的圆形块体的磨圆度最好,而三 角形的最差 。因此面周比越大,磨圆度越好,进而影 响土石混合体的力学性质,所以可以将这个参数反 映到土石混合体的强度公式中去。
8、 (5) 砾石块体的长细比:长细比即块体最长直径 与最短直径的比值。块体的长细比反映了块体的尖 锐程度 ,长细比越大,块体越尖锐,对土石混合体的 强度越不利 。因此也可把长细比作为影响其强度的 一个因素 。 3 有限差分网格的生成 本文的数值计算主要采用快速拉格朗日差分法 ( FCAC3D) ,主要建立用于FLAC3D 计算的数值模 型 。由于 FLAC3D 要求的是三维立体模型,而本文 要做的是二维平面模型。解决这一问题的方法是在 厚度方向产生较薄的单元,然后在这个方向进行位 移约束 (一般情况下是y向) ,作为一种平面应力问 题来处理 。从 ANSYS 系统到FLAC 系统 ,需要编 制通
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- 土石 混合 实测 结构 模型 自动 生成 技术
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