干缩裂隙的主要研究方法

干缩裂隙的主要研究方法

对干缩裂隙的表面结构形态的研究，由于研究手段的限制，目前的定性研究较多，定量研究较少。定量研究除了对现场的观察测量加以统计之外，还有一些间接地方式方法对干缩裂隙进行研究；在现阶段，部分学者开始运用数值模拟以及软件的方法来定量的对干缩裂隙的表面结构研究，而目前最典型的定量研究方法包括平面裂隙图像分析系统方法和离散元数值模拟方法。

1.1 平面裂隙图像分析系统

为了清晰地了解土体干缩裂隙的演化规律，以及获取土体土体干缩裂隙的形态参数。大量学者都进行了很多的尝试，从最开始的主要依靠现场手工测量，但是现场手工测量有着效率低，误差较大等缺点；而后Vogel等借助于拓扑学的概念方法，建立了裂缝面密度、长度密度、欧拉数等指标体系，对裂缝的定量化做了相当有益的贡献但是却存在这过于简单和抽象的缺点。

为了实现对土体平面干缩裂隙图像的无损以及对干缩裂隙的表面形态参数分析，曹玲，王志俭等通过借助于数字图像处理技术，基于MATLAB软件，开发了裂隙网络图像分析系统。通过该系统对粘性土裂隙的识别，可得到在土体在干缩裂隙形成过程中裂隙的裂隙率、裂隙长度、平均宽度，以及隙宽分布规律和分维等形态参数[10]。

平面裂隙图像分析系统主要是通过数值模拟软件对土体平面裂隙图像的识别，该程序主要包括：图像二值化处理程序、二值图像桥接去杂处理程序、骨架提取程序，二值图像特征参数提取程序以及图形用户界面设计处理程序。通过了以上程序处理之后，便对土体的平面裂隙进行了读取识别，然后再经过干缩裂隙表面结构形态参数的提取程序，搞程序主要包括：MATLAB变量初始化，然后裂隙率提取，裂隙图像的骨架化，计算裂隙长度，从而获得裂隙平均宽度和裂隙分布率。

基于MATLAB软件开发的裂隙网络图像分析系统，实现了对土体表面裂隙图像的连续、无损、自动化识别，同时基于二值化图像，对土体平面裂隙形态参数进行提取统计，可以得到裂隙率、裂隙长度、平均宽度、裂隙分布率、裂隙分维等基本参数[10]。该系统除了可以达到以上目标外，还可以对不同时间点的裂隙图片进行统一分析，为土体干缩裂隙的动态演化分析提供准确数据。虽然平面裂隙图像分析系统有一以上显著优点，但是也存在着只能对平面裂隙形态参数进行

分析，对裂隙深度方向的发展演化分析却不能够适用！

1.2 离散元数值模拟

运用数值模拟来对干缩裂隙演化的研究是一种广泛并且重要的方法。在近年来，国内外一些学者采用了有限单元法模拟了土体干缩开裂现象，去的了一定的进展和成果；但是，由于土体的干缩开裂破坏过程并不是连续的，而是非连续的过程，基于连续假定的有限元方法存在一定的局限性，比如初始开裂位置需要事先设定，裂缝扩展过程中单元参数需要不断调整等。而离散单元法相比有限单元法有一定的优势。

由司马军、蒋明镜、周创兵等提出的三维离散元模型[11]，将粘性土简化为由若干收缩颗粒或者团粒胶结而成的集合体。该三维离散元模型，模拟了薄层粘性土在粗糙边界条件下干缩裂缝的产生和扩展全过程，其三维模型包括颗粒收缩模型，颗粒接触模型，和干缩开裂过程模型。颗粒收缩模式采用EI Youssoufi 等

[12]、Peron 等[13]提出的经验公式，即

⎪⎭⎫ ⎝⎛=τt a -ex p R R 0 R R τα-dt d = 由于粘土颗粒之间存在非常复杂的物理化学作用，在该模型中，将粘土颗粒之间的作用采用PFC 软件中的胶结接触模型。

离散元数值模拟方法在模拟土体干缩开裂过程中可以获得很多使用准确的成果，具体表现在模拟的开裂机制体现了拉应力和内部缺陷的共同作用；模拟的

裂缝扩展过程表现出三个阶段特征：第一阶段为数量较少的主裂缝起裂、扩展并

相互交叉，第二阶段为次生裂缝逐渐出现，随着裂缝数量、长度和宽度进一步增加，第三阶段为表面裂缝网络结构逐渐稳定，不再产生新的裂缝；土样底边界的粘结强度对裂缝形态具有明显影响，随着粘结强度的降低，裂缝数量减少，宽度增大[11]。

该三维离散元模型很好的模拟了粘性土表面干缩开裂过程，不仅为研究干缩开裂力学机制提供了一种好的新方法，而且为研究模拟土体干缩裂隙表面结构形态提供了好的思路与方法！