1 绪论
1.1 选题背景及研究意义
在过去的几十年里，国内外对岩土材料的抗拉特性进行了大量的试验研究工作，主要的工作包括：测定土体的抗拉强度与极限抗拉应变的值，并通过试验研究其主要的影响因素；对不同的试验方法进行比较分析。而主要的岩土的室内拉伸试验一般分两大类：一类是直接测定法，也就是单轴、三轴拉伸试验；另一类是间接测定方法，它包括弯曲梁试验，圆柱形试样的径向试验及其它间接测定方法[1]。
以上研究方法和试验仪器虽然应用广泛，但对于岩土材料的内部结构性对抗拉强度的影响研究涉及尚少。在自然界中，天然岩土体都具有结构性，并非理想中的均匀性材料；即便是重塑土严格意义上讲也具有结构性，也是一种非均匀性材料。岩土材料由于结构性，其宏观力学特征是材料内部细观力学特性的综合反映，而其破坏强度和形式必然会受到影响，对岩土材料，其内部结构性对材料的宏观破坏强度和形式有着重要的影响，研究微观结构对宏观特性，特别是岩体材料抗拉特性的影响具有较重要的意义。
而伴随着微结构测试技术的发展，各种新型的研究岩土材料微观结构的仪器也应运而生，主要有：偏光显微镜、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、CT（Computerizedtomography，计算机断层 X-射线技术，它要求试样及试验设备不能带有影响 X 射线的金属物质，CT 的基本方法是根据试样截面的投影，经计算机处理来重建截面图像，称为图像重建）、核磁共振（NMR，它要求试样及试验设备不能带有影响核磁共振磁场的金属物质）等。CT 扫描可以识别材料每一层面或指定层面的信息，并以高分辨率的数学图像显示出来，不但可以观察结构的具体位置和大小，而且还能对其进行定量分析[3]。基于此，可以利用 CT 技术，对岩土材料进行扫描处理，获得岩土材料的内部细观结构的数字图像数据，综合数字图像处理方法、几何矢量转换技术与有限元网格自动生成原理，提出基于数字图像的有限元力学仿真模拟。
从90年代中期开始，随着葛修润院士及其团队成功地将CT与三轴仪配套使用以来，在中科院寒区与旱区研究所、武汉岩土所、西安理工大学、解放军后勤工程大学，西安科技大学、长安大学等单位先后开展了大量岩土材料受压状态下不同破损条件下细观内部结构的识别研究[3-8]。但在岩土材料受拉状态下，不同破损过程的细观内部结构识别研究尚属空白，其主要原因在于缺乏可与工业 CT 配套使用的岩土材料间接拉伸强度测定相关仪器设备。岩土材料的抗拉特性在水利工程与道路工程中尤为重要，研制可与工业 CT 配套使用的岩土材料间接拉伸强度测定仪，对于岩土材料受拉状态下，不同破损过程的细观内部结构识别研究意义重大。同时该设备的研制，也是岩土材料拉伸变形力学性能试验与虚拟力学性能仿真验证的桥梁。
新研制的岩土材料间接拉伸强度仪考虑到了岩土材料的内部结构性，在试验的过程中自动寻找材料的抗拉强度最弱面，相比于传统的方法只考虑了单一面的抗拉特性，测试的结果更加接近真实的岩土材料抗拉特性；并且在试件制备方面，配合相应的制模模具和加压系统，试件的制备更加方便、可操作性更强，而设备也可以根据不同的试件要求尺寸来调整设备的相应部件，使设备的适用范围更加广泛。
岩土材料由于具有内部结构性，所以研究内部结构性对岩土材料受力破坏的影响及其变化趋势具有重要的意义。而计算机仿真不破坏原有系统，因此投资少，节约能源。而且可以采用超实时仿真，周期短，见效快。仿真过程可以避免人为或者环境干扰，计算机模型试验可以使系统在各种极端参数情况运行而不会有实际危险。仿真模拟可以直观地显示目前还不易观测到的、说不清楚的一些现象，容易为人理解和分析；还可以显示任何试验都无法看到的发生在结构内部的一些物理现象。而伴随着微结构测试技术的发展、图像处理技术的发展，这一切都具有了现实意义和可行性。重要的是，新研制的岩土材料间接拉伸强度仪可以与工业 CT 等匹配，接合数字图
2 测试原理及设备研制
2.1 测试原理
2.1.1 模拟间接拉伸强度仪试验原理及试验参数校正计算
（1）有限元建模
根据测试原理，建立圆环形试件模型，施加与抗拉强度仪同样的约束条件和荷载，进行计算。
（2）模拟结果
经过数值模拟，从变形图（图2.2）及最大主应力图（图2.3）可以得出如下结论：当在圆环试件内施加一定的力时，在圆环试件内壁拉应力最大，由内向外逐渐变小。而岩土材料的抗拉强度远小于其抗压强度，因此，在试验中，当施加的力足够大时，圆环内壁拉应力达到材料的抗拉强度时，内壁出现裂纹，由于裂纹尖端的应力集中，裂纹迅速扩展而使试样拉断破坏。在用ansys分析的过程中，所取应力就是最大主应力（第一主应力）分析，如果第一主应力未到达圆环的破坏强度，那么其它方向的应力也不会使圆环破坏。
3 试验验证对比......................29
3.1 材料及属性 ......................29
3.2 试验验证 ........................29
3.3 对比试验验证..................6
4 岩土材料数值模型建立与虚拟仿真初步实现...........43
4.1 颗粒、胶浆和空隙图像的数字转换..............43
4.2 ANSYS数值模型的建立 ...................48
4.3 弹性模型下虚拟仿真试验 .................51
4.4 黏弹模型下虚拟仿真试验...................62
5 结论 ......................68
结论
岩土材料的抗拉特性在水利工程与道路工程中尤为重要，研制可与工业 CT 配套使用的岩土材料间接拉伸强度测定仪，对于岩土材料受拉状态下，不同破损过程的细观内部结构识别研究意义重大。同时该设备的研制，也是岩土材料拉伸变形力学性能试验与虚拟力学性能仿真验证的桥梁。本文基于弹性力学理论，研制并不断改进了所设计的岩土材料间接拉伸强度仪。同时采用数字图像技术对 CT 图片进行处理，建立了基于 CT图像的细观有限元模型，并开展了相关计算。主要得出以下结论：
1）前三代仪器提出了一种岩土材料抗拉强度测试方法，利用黄土对仪器进行了验证，试验结果稳定，数据离散性小，并和传统的抗拉强度测试方法进行了对比，试验结果吻合。
2）所提的岩土材料间接抗拉强度仪测试方法考虑到岩土材料的非均匀性，在测试过程中同时产生多个拉应力相同的加载面，可以有效地考虑不均匀性对测试的影响，可在加载前对试件进行 CT 扫描，破坏后再对试件进行扫描，从而进行对比分析。
3）所研制的第四代设备与工业 CT 配合，可以有效地用于岩土材料间接拉伸破裂逐渐发展的分析中。
4)在弹性模型参数下进行半圆弯拉试验、巴西破裂试验和圆环拉裂数值虚拟试验，分析了试件的应力应变变化，对试件进行模量估算；半圆弯拉模量对非均匀性比较敏感，巴西劈裂弯拉模量与圆环拉裂弯拉模量趋势一致，但在粗粒式混凝土上差别较大。
5) 以黏弹模型参数进行了单轴蠕变压缩虚拟试验仿真，计算出岩土材料的蠕变柔量，进而得出其松弛模量，并在 Oringin 中拟合其松弛模量 Prony 级数，将得出的系数代入 ANSYS 中反算验证。结果表明：考虑微结构作用的沥青混凝土虚拟试验的计算结果与采用粘弹性参数作为输入的计算结果吻合良好。
参考文献:
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