第一章 绪论
1.1 问题的提出
随着国家“一带一路”倡议和新一轮西部大开发、“脱贫攻坚”等战略规划的实施，我国中西部地区经济发展迎来了前所未有的契机与挑战，同时也对交通与建筑基础设施的建设提出了更高的要求。我国中西部地区地质灾害频发，其中滑坡是*为常见的一种地质灾害(表1-1)，仅川渝地区近10年来发生的滑坡灾害就高达上万处。据国家统计局资料显示，2011～2020年，我国共发生70647处滑坡灾害，约占全国地质灾害总数的70%(中国统计年鉴 )，并且滑坡往往伴随着人员伤亡和巨大的经济损失。据统计，我国平均每年发生滑坡和泥石流等地质灾害20000余起、伤亡1000余人、受灾人口90多万，直接经济损失20亿～60亿元(桑凯，2013)。
表1-1 我国部分地区滑坡地质灾害统计
结合既有滑坡的现场事故原因调查及滑坡治理资料分析(郑立宁，2012；黄润秋，2007)，软弱夹层的存在是边坡失稳事故的重要诱因，国内外大多滑坡事故的发生均直接或间接与软弱夹层有关。泥化夹层是一种典型的软弱夹层，其力学强度低、易发生软化，直接控制着边坡岩体的稳定性(陆兆溱，1989)。泥化夹层具有厚度较薄、区域差异性显著的特点，导致现有的泥化夹层分类评价体系和力学性能研究成果难以直接服务于工程实际。因此，如何有效确定泥化夹层的力学性能成为困扰科研技术人员的难题。
岩土体的宏观变形破坏均可认为是由微细观结构变形的积累与扩展形成(洪宝宁，2010)，研究岩土体细观结构的特征及其变形演化规律，可对岩土工程的众多问题给予科学合理的解释，并提出相应的解决方案。因此，从微细观出发，揭示泥化夹层宏细观渐进损伤动态演化规律和机理，可以准确地评价边坡稳定性，有助于采取更优化、有效的边坡加固方法，对保障人民的生命和财产安全具有重要意义。
鉴于此，本书从泥化夹层微细观组构形态出发，构建了以“结构量化→相似聚类→图像融合→代表性体积单元→结构简化→细观力学模型”为流程的泥化夹层细观结构力学研究体系。首先，基于数字图像处理技术，实现了泥化夹层微细观组构识别与量化表征；其次，利用图像相似聚类和融合重构技术，构建了泥化夹层的细观组构代表性单元模型；然后，通过构建泥化夹层细观力学模型，阐释了泥化夹层宏观渐进破坏过程的微细观力学机理；*后，剖析了泥化夹层宏细观损伤参数的内在联系，探究了干湿循环和三向受力下泥化夹层渐进损伤机理。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 岩土体微观结构参数的研究现状
从本质上讲，岩土体是不同结构单元体间综合作用形成的共同体，其力学特性主要受单元体微结构变化的影响。早在20世纪末，我国的著名岩土领域专家沈珠江院士即将土的结构性研究视为未来土力学的研究核心(沈珠江，1996)。岩土体微结构的研究历程主要表现为：20世纪前、中期，主要集中在岩土体的结构模型定性方面；随着研究手段的进步，20世纪末到21世纪初，岩土体微结构的研究逐渐由定性向定量方向过渡，并取得了较为丰富的研究成果(方庆军和洪宝宁，2014)。
现阶段，岩土体微观结构参数的定量研究主要集中在结构参数类型与量化方法两个方面。
1.岩土体微观结构参数
学者们一般认为土的结构是指土粒本身的形状大小、土粒在空间中的排列形式、孔隙分布状况、粒间接触方式及粒间联结特征等诸多参数的总和(胡瑞林，1995)。施斌(1996a、b)主要从两个方面定义了相关参数：形态学特征参数及几何学特征参数。
1)形态学特征参数
岩土体形态学特征参数主要为描述岩土体组构单元的自身形态参数，主要包括丰度、圆度、分形维数、大小等。
颗粒单元体丰度反映研究对象在二维平面内的颗粒饱满特征，可分为颗粒单元丰度与孔隙单元丰度。牛岑岑等(2011)利用结构单元体丰度和孔隙丰度对吹填土特性进行了研究；王静(2012)利用扫描电子显微镜(scanning electron microscope，SEM)技术统计分析出了土体单元丰度随冻融循环次数的变化规律；王清等(2013)对天津滨海新区吹填土的孔隙与结构单元丰度进行了研究；何伟朝(2013)对冻融循环作用下土体单元平均丰度与抗剪强度之间的关系进行了研究；卓丽春(2014)利用Image Pro Plus(IPP)图像处理软件得到了网纹红土的丰度等微观结构参数。
圆度表示颗粒(孔隙)的圆形程度，表达式为 ， 为周长，A为面积，当R为1时表示该颗粒或孔隙的区域为一个标准圆形。方祥位等（2013）采用扫描电子显微镜量化了Q2和Q3黄土的圆度，研究结果表明古土壤层颗粒圆度明显优于上部黄土层；张斌等（2020）人工选择了不同圆度的珊瑚质土，探究了颗粒形状对钙质粗粒土压缩性能的影响。
分形维数用以量化结构单元体的不规则分布程度，分形维数越大，说明该颗粒或孔隙的轮廓线条越复杂。Moore和Donaldson(1995) 通过分形理论对土体的分形维数进行了量化；随后，我国学者李向全等(2000)应用分形几何理论对土的微结构进行了量化。
大小是岩土体*为直观的结构参数，包含直径、面积、周长等诸多参数，是影响岩土体结构排列方式的重要参数之一。吴义祥(1991)研制了一套黏土体微结构特征定量研究系统，并对宁波黏土的颗粒大小参数进行了量化；施斌等(1996a、b)对黏性土颗粒结构大小特性进行了定量评价，获得了黏土体孔隙性、形状等诸多定量指标。
2)几何学特征参数
岩土体几何学特征参数即颗粒排列的定向性，岩土体颗粒的定向性是岩土体材料力学性能呈现各向异性的直接原因。王宝军(2009)基于标准差椭圆法绘制了土颗粒定向玫瑰图，并分析了土体颗粒的主定向角；王清等(2001)研究了岩土体的定向角与力学行为的关联机制，并对其在工程中的应用进行了阐述。Martin和Ladd(1975)提出以定向频率描述颗粒单元体在某一方向的分布频数；随后，McConnachie(1974)利用定向频率分别对高岭土和压实实验土的定向性进行了研究；Bai和Smart(1997)对黏土排列的定向性进行了定量分析；李文平等(2006)利用SEM技术对不同固结压力下黏土的孔隙定向频率进行了分析。
2.微细观结构量化方法
目前常见的岩土体微细观结构量化方法有：筛分法(袁伦，2010；Mora et al.， 1998)、沉降法(韩立发和刘亚云，2004；库建刚等，2015；Konert and Vandenberghe， 1997)、激光粒度分析法(游波等，2012；田岳明等，2006；程鹏等，2001)、压汞法(周晖，2013；田华等，2012；Thom et al.， 2007；Gasc-Barcbier and Tessier， 2007；陈悦和李东旭，2006；Simms and Yanful， 2004；吕海波等，2003)、气体吸附法(杨峰等，2013；苌珊珊等，2011；巨文军等，2009；胡容泽，1982)及数字图像处理法(王一兆，2014；施斌，1996a、b)。随着光电测量技术和计算机图像处理技术的发展，数字图像处理方法因其自动化程度高、处理高效等优点已成为目前岩土体微细观结构参数量化的主要方法。
数字图像处理(digital image processing)技术是一种通过数字化的图像采集设备得到土体微细观图像后，对图像所包含的结构信息进行综合分析处理，从而准确、快速获取土体细观结构参数的方法。Gillott(1969)利用SEM结合图像处理技术对黏土细观结构进行了研究；Tovey(1973)结合电子显微镜及图像处理技术对土体微观结构进行了量化分析；Howarth和Rowlands(1987)建立了量化岩石颗粒微观结构参数的方法；Ogilvie 和 Glover(2001)对砂岩的微结构信息进行计算，得到了砂岩的孔隙率和渗透率；Tovey 和Dadey(2002)将SEM技术与强度梯度法相结合，对海洋沉积物颗粒的定向度进行了分析；Aly等(2011)对比了多种图像分割技术，指出阈值分割法能够在消除噪声的同时寻找出潜在的边缘像素；Borsic等(2005)和Comina等(2008)采用电阻抗断层成像技术(electrical impedance tomography，EIT)和图像处理技术对土体的微结构形态进行了研究。
我国学者施斌等(1995)在图像采集与处理相结合的图像分析系统上，定量化研究了国内不同区域黏土体的微结构形态，获得了诸多黏土微结构的参数信息，为后续相关土体结构的量化评价提供了一定的指导；张小平和施斌(2007)利用扫描电镜对石灰膨胀土团聚体微结构形态进行了分析和研究；曹亮等(2012)对苏州软土微观尺度结构特征进行了对比研究，得到了原状土的微观结构类型、颗粒排列定向特征、颗粒偏心度、定向概率熵等量化指标；刘珊(2014)利用SEM技术对重塑黏土未固结时进行了分析，确定了其孔隙率、形状系数、扁平度、概率熵、分形维数等。
综上所述，当今的岩土体微观结构研究已由早期的定性描述进入定量研究阶段，在土体微观结构参数方面提出了圆度、丰度、分形维数、定向度等的形态学、几何学特征参数。在量化方法方面，数字图像处理方法已成为目前岩土体微观组构参数量化的主要方法，但其受限于原始图像质量与后续处理精度，仍存在图像重构模式不完善及边缘提取不完整、不连续等问题。因此，开发更为精准、快速的特征提取算法，并建立一套完整、准确、合理的岩土体微结构量化及分析系统是今后岩土体微结构研究的必然趋势。
1.2.2 岩土体细观力学研究现状
1.颗粒流数值仿真在岩土体中的应用
离散元法(distinct element method) 是在Cundall和Strack(1979)粒状材料的接触模型基础上发展起来的一种用于研究散粒状材料宏细观力学行为的数值仿真方法，而颗粒流程序(particle flow code，PFC)是由美国Itasca公司开发的一款从属离散元范畴的分析计算软件。
颗粒流程序建立在以下基本假设条件之上：颗粒自身为刚性体；颗粒之间的接触方式为点接触；允许颗粒在接触点处发生一定的重叠，重叠量的大小与力-位移接触定律中接触力的大小有关；约束存在于颗粒之间的接触处，可以表示颗粒之间的连接强度；颗粒为圆盘形或者球形，通过颗粒的组合可以形成任意形状。
国外学者基于离散元法对岩土体材料的细观破损机理开展了丰富的研究工作。Chang等(1989)、Iwashita 和 Oda(1998)运用离散元的方法模拟了砂土剪切带的形成；Anandarajah(1994，2000a，2000b)等运用了离散元法得到了黏性土的力学特性和颗粒定向性的各向异性特点；Bock等(2006)利用颗粒流程序建立了一个由絮状结构土颗粒、颗粒周围结合水、孔隙中自由水等构成的新模型，并取得了较好的效果。
近年来，国内学者在吸收国外先进技术的基础之上，结合自身的创造性，在工程岩土体细观数值模拟方面取得了较为丰硕的成果。周健等(2009a，2004，2002)引入不同的颗粒接触连接模型，分别对砂土和黏性土的室内平面应变试验及其剪切带的形成和发展进行了离散元数值模拟，并与室内试验的结果对比，得到了较高的吻合度；廖雄华等(2002)针对黏性土进行了室内平面应变试验的模拟，也验证了颗粒流方法能较好地模拟室内试验结果；李伟(2008)利用PFC中的块单元模拟了黏性土的片状和块状微观结构，得到了黏性土基本力学行为的微观机理；高彦斌等(2009)建立了反映黏性土微观特征的数值模型，并重点针对黏性土的各向异性特征进行了数值模拟；周健等(2009b)采用离散元法成功模拟了边坡变形破坏的力学行为，研究结果表明随着颗粒黏性的增大，边坡逐渐由塑性破坏向脆性破坏过渡；陈建峰等(2010)利用颗粒流程序对
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