基于单轴压缩CT实验的砂岩破损机制

根据分区描述理论对砂岩单轴压缩CT实验资料在分区域值ξ1=50和ξ2=100的条件下进行了安全区、损伤进行区和破损区的检出,并对各区上的CT数进行统计。根据所定义的统计损伤变量和动态扩展区域上的CT数变化信息,计算得到各加载阶段的损伤变量值、损伤演化率和体应变。利用这些资料对砂岩在该实验条件下的损伤演化规律和细观机制进行分析,验证砂岩损伤演化的阶段性、不均匀性和突发性,从机制上解释损伤门槛值的存在,并最终确定了该门槛值。     

粉砂岩三轴压缩CT试验过程的分区定量研究

为了充分利用CT数定量地研究粉砂岩三轴应力状态下的损伤演化规律,基于破损演化理论及CT数,提出粉砂岩的破损分区方法,将岩石CT扫描断面分为完整区(2λ-1P)、损伤区(1 2λ-λP)和孔洞裂纹区(10-λP),并定义岩石的孔隙率、损伤率和完整率。分析三轴压缩CT试验过程中粉砂岩孔隙率、损伤率和完整率的变化规律。结果表明,利用提出的方法充分地发挥每个CT数的价值,且能定量地研究岩石的损伤演化规律及其受力过程中应变的局部化;岩石强度及塑性的增大,是由于在围压的作用下,试样只有达到很高的损伤程度,细观损伤裂纹才可以贯通形成宏观裂纹,进而发生破坏;试样两端断面处损伤裂纹出现较晚,破坏突然,且损伤裂纹主要分布在扫描断面的外侧环形统计区域,而试样中间断面处损伤裂纹出现相对较早,损伤裂纹从萌生、扩展到贯通的过程较长,损伤裂纹穿越整个扫描断面。     

岩石CT密度损伤增量图像“阴阳环”现象的形成机制及其配准校正

通过对岩石试样在加载前后测得的CT数作差值运算,可获得岩石试样在不同应力阶段的CT密度损伤增量。在岩石CT密度损伤增量灰度图像中,试样边界被分成两半,其中一半为黑色,另一半为白色,这一现象称之为“阴阳环”现象。为揭示这一现象的形成机制,对岩石试样某一扫描断面在4个不同应力阶段CT图像的CT数分布进行对比研究。分析结果表明,加载阶段的CT图像相对初始CT图像发生错位。为查清图像错位与“阴阳环”形成之间的关系,建立“阴阳环”生成模型,同时揭示图像错位产生“阴阳环”现象的物理机制。在此基础上,对加载阶段的CT图像进行配准校正,消除密度损伤增量的计算误差。     

岩土CT图像中裂纹的形态学测量

利用计算机层析成像（CT）技术提供的岩土体损伤破裂演化图像，定义每一点的CT数变化量为该像素点CT数与其后紧邻的同行像素点、其下紧邻的同列像素点的CT数差的绝对值中的较大值。根据CT数在扫描断面上的分布规律，设定了提取疑似裂纹区的像素点CT数变化量标准值ξ=20，进行了疑似裂纹区的检出操作。并对其上的几何信息和CT数信息进行了统计，接着定义了裂纹长度和宽度，利用该参数对裂纹尺寸进行了计算。该工作对于推动岩土工程CT图像定量化描述具有一定意义。     

类节理岩体单轴压缩损伤演化的CT试验研究

采用自制与CT机配套的专用加载装置,对含单裂纹试件进行了单轴压缩破坏的CT(Computerized Tomography)实时试验,对试件被压密→新损伤区产生→裂纹扩展的全过程进行了监控,得到了各阶段清晰的CT图象及CT数.通过分析,提出了岩石的损伤演化率和损伤门槛值概念,从细观和三维上初步掌握了类节理岩体损伤演化特性.     

锦屏二级水电站深埋隧洞开挖损伤区特征分析

在高应力条件下,岩体强度和应力之间的尖锐矛盾将导致围岩出现损伤,损伤是不同应力条件下围岩状态的直接体现。利用声波检测和钻孔电视对锦屏二级深埋引水隧洞的一典型断面进行全断面测试,声波测试结果显示,断面上低波速带断面形态呈不对称状,与断面应力分布也并不完全对应。在每个声波钻孔中补充钻孔电视,对破裂发育深度和围岩内部实际构造特征有了更直观的认识。为对损伤区特性进行更加准确的描述,利用FLAC3D计算在洞周不同位置处关键点的应力路径,对关键点的应力状态进行分析。在UDEC泰森多边形离散的基础上增加对于节理的描述,分析节理对损伤区分布的影响,模拟结果表明,节理的存在改变了隧洞开挖后洞周的应力分布,从而导致围岩破损和破坏区域的差异。最后,借助于颗粒流程序PFC对隧洞开挖后围岩的损伤区进行模拟,所揭示出的损伤局部化特征和损伤区、破裂区分布特征与现场实际具有很好的一致性。     

岩石蠕变损伤扩展机理细观分析初探

利用已经研制成功的CT机配套的专用三轴加载实验设备,在国内外首次完成了单轴压缩岩石蠕变损伤扩展和持性CT实时分析实验,得到了岩石蠕变损伤演化全过程的细观机理,研究卫需变损伤深化过程中裂纹宽度,长度的变化规律,定义了CT数减小速度的概念来分析岩石蠕变损伤第三阶段的门槛值。     

原状Q3黄土在加载和湿陷过程中细观结构动态演化的CT–三轴试验研究

为了揭示原状Q3黄土在加载和湿陷过程中的细观结构变化,将湿陷三轴仪与医用CT机相配套,进行了一系列控制吸力的CT-三轴湿陷试验,不仅得到了加载过程和湿陷过程中的宏观反应曲线,而且得到了相对应的CT扫描图像。结果表明:原状湿陷性黄土具有较强的初始结构性;加载过程中,较大的孔洞先扩展后闭合,小孔洞逐渐闭合;湿陷过程中,大部分孔洞逐渐闭合且断面的密度分布趋于均匀;湿陷过程中大孔洞闭合与否取决于浸水时的应力状态。通过宏细观试验资料的分析,确定了原状湿陷性黄土的结构屈服应力,提出了一个基于CT数均值的结构性参数,分别定义了加载和湿陷过程中的结构损伤变量,研究了它们的变化规律,建立了结构损伤演化方程。     

模拟节理岩体水压致裂的CT实时试验初探

采用自行研制与CT机配套的专用注水加载装置,对含单裂纹试件在水压作用下裂纹扩展并贯通的全过程进行了CT实时监测试验。在不同水压情况下,试件原生裂纹扩展导致微裂纹萌生、发展,最终试件劈裂,同时伴随周围颗粒被挤密压实。CT实验得到了各阶段清晰的CT图象及CT数和方差。通过分析,从细观上掌握了节理岩体水压致裂的损伤演化特性及裂纹扩展规律,提出了损伤和劈裂门槛值概念,并推导了基于CT数的损伤变量。     

基于CT的混凝土试样静动力单轴拉伸破坏裂纹分形特征比较研究

为了能定量地利用CT数资源研究混凝土静动力强度特性及裂纹演化规律,利用适合CT扫描仪的便携式动力加载设备,对圆柱体混凝土试样进行单轴静动力拉伸CT试验,并利用编制的差分盒维数计算程序计算CT扫描断面的分形维数,以此为基础从细观层面上比较分析混凝土静动单轴拉伸强度特性、受力破坏机制及裂纹分形特征。结果表明:静力拉伸荷载条件下混凝土破坏时裂纹扩展速度慢,破裂面粗糙曲折,裂纹绕着骨料追随最薄弱界面发展;动力拉伸时裂纹扩展速度快,破裂面较平直,裂纹切割骨料追随能量释放最快路径发展;静动力拉伸CT扫描断面分形特征明显,分形维数随裂纹扩展成规律发展,能较好地反映出混凝土材料损伤裂纹的演化规律,可以定量表述试样的破损程度,可作为裂纹演化的定量参数。     

CT实验条件下砂岩破裂分形特性研究

 利用单轴压缩条件下砂岩CT资料,对有裂纹出现的s = 20.59～31.03 MPa阶段的CT图像利用所设计的裂纹提取滤波器进行裂纹提取操作,其中提取阈值,是在进行敏感性分析后选定的。在所取得的裂纹二值化图像的基础上,利用码尺法、盒计数法、小岛法和Sandbox法对各载荷步下裂纹面积和长度的分维数进行了计算。最后,对裂纹分维数随加载过程的变化进行分析,利用分维数的演化信息讨论砂岩破裂的分形特性。     

非贯通节理介质细观损伤演化的CT 分析

 利用CT 识别技术对非贯通节理试样的单轴加载全过程进行即时扫描, 根据CT 图象灰度值均值和灰度分布随应力变化来分析细观损伤演化过程和机理, 并绘制出损伤等值线图, 对检测断面损伤分布和损伤演化过程作定量描述, 结果显示损伤演化具有阶段性特征。     

岩石断裂过程区孕育规律与声发射特征实验研究

为研究岩石断裂过程区孕育规律及声发射特征,采用直裂缝圆盘砂岩试样在GCTS岩石测试系统上进行劈裂加载试验,借助数字图像相关方法(digital image correlation method,DICM)和声发射(acoustic emission,AE)仪进行实时监测,根据裂尖附近测线水平位移随载荷变化趋势和声发射定...     

单轴–三轴和渗透水压条件下砂岩应变特性的CT试验研究

常规的应力应变试验难以清晰地反映砂岩在不同应力状态下的细观应变特性,然而,砂岩细观应变特性对一些工程的影响是非常巨大的。通过螺旋CT机以及与其配套的实时三轴加载和渗透压力设备对砂岩进行各种应力状态下的应变特性试验,反映出不同应力状态下的砂岩的应变特性有很大不同。结合CT图像和CT数的分析,对砂岩应变过程中的孔隙率的变化能直观地进行计算,以及对CT数方差的分析,能较简单地判断出砂岩的应变特性以及破坏模式。研究结果表明:(1)在单轴和三轴压力作用下,砂岩CT数方差变化剧烈的地方发生脆性变化,而方差比较稳定的地方发生塑性变化;(2)当有渗透水流作用时,砂岩应变特性与干砂岩的应变特性有明显差异,峰值强度显著增大,残余强度也明显增加;(3)砂岩在单轴干燥状态下是发生脆性破坏,而在有渗透压力和围压的情况下发生的是塑性破坏,有围压而没有渗透压作用时的破坏介于两者之间。     

断层破碎带大断面巷道的安全监控与稳定性分析

断层破碎带岩性复杂,巷道压力显现规律多变。对巷道过断层破碎带的监控量测能够及时掌握断层破碎带围岩的变形与支护结构受力信息,评价各种支护所取得的效果及判断施工方案的合理性。淮南矿区顾北煤矿南翼回风大巷穿越断层破碎带,区域地质条件复杂,受构造运动影响,围岩内赋存高水平地应力,巷道处于深部大规模松软围岩内。为研究施工期和运行期巷道围岩的稳定性演化规律,对围岩表面位移、深部位移、锚杆和锚索锚固力及支架压力的变化和分布规律进行监控量测。监测结果显示:(1)由于受F92大断层的水平剪切和挤压作用,与顶拱和两肩相比,巷道两帮的水平位移较大,而锚杆受力较小,锚固作用得不到有效发挥,因此,在F92大断层附近增大了锚索和注浆的支护强度;(2)围岩表面位移和深部位移的监测结果均呈现"底臌变形大于两帮收敛大于拱顶下沉"的分布规律,显示出底板是巷道支护的薄弱环节,因而提出应用底角注浆锚管和帮脚锚杆抵抗底角应力集中区的剪切滑移,底板锚索和底板注浆增强加固底板,提高底板岩体抗剪强度的支护修改方案,底臌量得到有效控制;(3)U型钢支架压力的监测结果显示,围岩作用于U型钢支架上的压力仅为0～0.24MPa,远小于0.4MPa的支架设计承载能力,说明巷道稳定主要是依靠锚注支护来维护,而U型钢支架的作用主要是巷道施工过程中工作面的安全防护。通过对监测结果的分析,为巷道的信息化施工和设计方案的优化调整提供依据。其监测分析成果也可为类似复杂条件下巷道的开挖支护设计和施工提供参考。     

CT尺度砂岩渗流与应力关系试验研究

岩石渗流与应力关系研究是进行岩石渗流场与应力场耦合分析的关键。运用岩石高压三轴加载装置和渗透压加载装置,对砂岩进行了渗流与应力关系试验,同时借助SOMATOMPLUS螺旋CT扫描机进行实时观测。通过试验结果分析,推出了基于CT数的岩石孔隙率公式,在此基础上,分析了岩石应力–应变过程中孔隙率、渗透速度、渗流速度、微孔隙直径、渗透率等的变化规律。结果发现:岩石渗透参数的变化与岩石受力损伤–破裂过程密切相关。在初期的压密阶段,岩石的孔隙率、渗透速度、渗流速度、微孔隙直径、渗透率等随应力的增大而减小;当岩石的内部出现微裂纹后,岩石的孔隙率、渗透速度、渗流速度、微孔隙直径、渗透率等随应力的增大而增大,从宏观应力–应变关系看,从微裂纹出现到宏观破坏出现前,岩石还处于弹性变形阶段;当岩石宏观破坏时,岩石的孔隙率、渗透速度、渗流速度、微孔隙直径、渗透率等达到最大值。同时还发现:在渗透水压力作用下,受压砂岩的微裂纹起裂应力占岩石峰值强度的45%,而同样干岩样中微裂纹起裂应力占岩石峰值强度的55%以上,也就是说,渗透水压力使砂岩样的强度损失10%。     

Water-induced softening behavior of clay-rich sandstone in Lanzhou Water Supply Project,China

The strength of clay-rich sandstone decreases significantly when in contact with water due to softening effects.This scenario can pose a severe threat to the stability of water diversion tunnels during construction and operation periods.To address the issues related to water-induced softening in clay-rich sandstone zones in a water diversion tunnel of Lanzhou Water Supply Project,the microscopic and micromechanical variations of rocks due to increasing water content in two different zones i.e.zones A and B,were determined by various testing methods,such as X-ray diffraction(XRD),scanning electron microscopy(SEM),thin section microscopy,micro-indentation test,sonic velocity test,and slake durability test.The microscopic analysis confirms the presence of montmorillonite mineral which is the dominant problematic geomaterial in engineering application.The integrity and durability of clay-rich sandstone were determined with sonic velocity and slake durability tests to calibrate the results obtained by the micro-indentation test.It shows that the elastic modulus and hardness of clay-rich sandstone decrease with the increase of saturation time,up to 144 h,which is more significant and rapid during early stage of saturation.After 144 h of saturation,the elastic modulus decreases by 89% and97%,and the hardness decreases by 89% and 99% for zones A and B sandstones,respectively.The results of slake durability and sonic velocity indicate that zone A sandsto ne remains 56.19% durability after 144 h of saturation,while zone B sandstone loses its durability merely after 72 h of saturation.The clay-rich sandstone starts to dissolve in water when the saturation time exceeds 144 h.The significant decreases in strength and durability of clay-rich sandstone due to water-induced softening are serious threats to tunnel stability.The improvements in the strength of surrounding rock mass by grouting and permeability by installation of drainage galleries can reduce the damage caused by water-induced softening.