基于X射线CT的岩石内部裂纹宽度测量

岩石内部裂纹变形、扩展和扩张是试样在裂纹演化阶段的主要过程。研究基于X射线CT的岩石内部裂纹宽度测量问题，根据岩石变形破坏的细观机制，分析了岩石密度损伤与体应变的关系。对脆性岩石来说，岩石的体积变形与其密度损伤有一一对应关系。基于X射线密度损伤增量公式，推导出岩石体应变公式，得到岩石内部裂纹宽度的普适性计算公式。据此测得岩石中两条CT尺度裂纹在不同应力阶段的宽度，并与有关公式进行了比较，相互得到验证。说明在动态条件下岩石内部裂纹宽度测量问题在理论上可以得到解决。     

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。     

基于X射线CT的混凝土内部裂纹识别研究

利用医用CT设备采集了完整单轴压缩作用下的混凝土断面图像,分别采用阈值分割、聚类和图像差值三种算法提取了混凝土内部裂纹,讨论了三种算法提取混凝土内部裂纹时各自的优缺点,并对裂纹提取结果进行分析和评价。结果表明:阈值分割和聚类算法均难以区分裂纹和孔隙,图像差值算法不仅可以较好地提取裂纹,还能区分裂纹与孔隙;阈值分割和图像差值算法均需要通过大量试验确定合理阈值,聚类算法不需要设定阈值,可以避免选择阈值导致的人为误差;基于差值算法得到的差值图像可以定量描述裂纹的演化过程;随着CT设备的不断发展,图像差值算法将在混凝土细观结构研究中应用越来越广泛。     

岩石损伤扩展力学特性的CT分析

将ＣＴ识别技术用于岩石损伤扩展研究,对岩石损伤扩展过程进行即时ＣＴ扫描。发现ＣＴ数的大小、分布规律及其变化情况与岩石损伤扩展密切相关,揭示了岩石损伤扩展过程中ＣＴ数与应力、应变间的定量关系,为建立岩石损伤扩展本构关系奠定了基础。     

单轴压缩下基于全局应变场分析的岩石裂纹扩展及其损伤演化特性研究

 采用自主开发的图像分析软件结合数字图像相关技术对含预制单裂纹的类岩石材料在单轴压缩下的变形破坏特性进行试验研究。基于试件全局应变场角度从细观层次量化分析、总结裂纹起裂、扩展的规律及岩石变形损伤演化特征。并采用断裂分析软件FRANC2D/L对相似模型进行数值模拟,分析在加载全程不同阶段的裂纹扩展路径及其应力场分布特征。结合试验与数值研究结果,细致地探讨裂隙岩石的细观力学机制与宏观力学响应之间的内在联系,该研究有助于提升人们对节理岩体工程灾变机制的认识。     

岩石微结构与微裂纹的损伤演化特征

利用电子显微镜对岩石微结构及晶胞进行了研究。由微结构断裂所需耗散能分析计算了岩石微裂纹演化与分形特征。结合加载类型分析了岩石裂纹扩展的形式、方向，解释了岩石损伤演化的规律。研究表明：从微孔隙延伸成微裂纹，再扩展成宏观裂纹，其扩展速度、方向和产生数量主要取决于微结构中微元件的矿物组分、排列组合方式及组合密度，以及外载荷大小、方向及其比值、应力状态与加载速率等。     

岩石材料微裂隙演化的CT识别

 采用砂浆来模拟岩石材料以研究其裂隙的演化规律。借助CT扫描获得单轴压缩破坏过程中岩石材料内部的密度分布信息和统计特征,利用同位置点的密度变化来识别微裂隙的活动,通过统计密度变化特征和分形指标Rd描述研究微裂隙的演化行为。研究结果表明：(1) CT图像灰度频数统计变化曲线的幅值和形状变化反映了微裂隙的不同演化效应：荷载水平0%～50%时,曲线波峰顶点上移,而频数变化幅值显著增大,曲线呈规则正弦状;50%～70%时,曲线波峰顶点下移,频数变化幅值降低,曲线形状偏离正弦状;70%～90%时,曲线形状、波峰顶点位置和频数变化幅值基本不变,只有少数灰度区间发生频数变化;90%以后,曲线波峰顶点位置发生非常大的上移,曲线回归正弦状。而波谷顶点的位置移动则相反。这种现象体现了整个压缩损伤过程中微裂隙的主导演化作用由加载前期萌生效应转化为中期压缩闭合效应,再转化为后期的扩展、汇集效应。(2) 通过对CT图像灰度进行变换及分形指标Rd描述后发现,Rd随应力增加呈先增加→减小→再增加的三段式增长。这与压缩过程中微裂隙的产生效应与闭合效应的相互影响、转化行为有关;加载前期微裂隙的萌生效应活跃,Rd增大;中期萌生效应趋缓,扩展、汇集效应缓慢发展,此时由闭合效应主导,Rd缓慢减小;后期微裂隙的扩展、汇集效应显著增强,Rd急剧增长。(3) 提出的微裂隙体积率分形指标Rd描述能较好地刻画压缩破坏过程中微裂隙演化行为。     

岩石损伤演化的能量方法研究

 岩石是一种含有初始微缺陷的天然工程材料，其力学性质非常复杂，因此，目前尚无成熟的岩石损伤演化模型。为了解决这个难题，基于各向同性损伤的基本假设，采用最小耗能原理，以应变等效原理为前提，提出一种从能量角度进行描述的岩石损伤演变模型。最后，通过分析花岗岩从细观损伤到宏观破坏的整个试验过程，得到基于能量原理的花岗岩损伤演变方程，并将其与经典的Marzars损伤理论进行对比研究，发现基于能量原理的损伤演变方程能更合理地描述岩石的损伤发展过程，且与试验得到的岩石破坏过程更加吻合。     

基于CT方法的磨料射流冲蚀损伤岩石特性研究

 为了深入揭示磨料射流破岩机制,开展磨料射流冲蚀典型脆性岩石(硅质灰岩)实验,同时用CT扫描机对冲蚀后试件进行CT扫描,并利用图像处理技术对获得的CT图像进行二值化处理,直观反映磨料射流作用下岩石的破坏与损伤情况。结果表明：磨料射流破岩过程中除了能冲蚀去除岩石,于岩石内部形成由圆形截面与“V”形垂面构成的倒锥体冲蚀孔洞外,还会在孔壁致生大量小裂缝,对岩石产生一定的损伤作用,于冲蚀孔周边构造出一定范围的损伤区。通过实验测试手段直接验证了磨料射流冲蚀损伤岩石特性的存在,为深入揭示磨料射流破岩机制提供实验基础。     

三轴多级荷载下盐岩声波声发射特征与损伤演化规律研究

 采用岩石声波、声发射一体化监测装置,系统地研究三轴多级循环荷载作用下盐岩超声波波速与声发射变化特征。结果表明：(1) 岩石的超声波波速和声发射活动与应力状态呈现出良好的一致性。加载阶段,超声波波速上升,声发射活跃,卸载阶段,超声波波速下降,声发射平静,应力级数越高,这一特征越显著。(2) 盐岩的声波、声发射特征与试验围压应力密切相关。围压水平越低,应力循环试验中岩石波速变化率越大,声发射事件数量越多;围压水平越高,岩石超声波波速变化率越小,声发射事件数量越少。五级应力荷载试验中,围压条件为5,10,15,20 MPa时盐岩的声发射事件数量分别为1 026,703,361和206个,显示了“围压致密效应”。(3) 分别应用卸载模量、裂隙密度和Felicity比表征盐岩的损伤演化。结论认为：盐岩的裂隙密度和Felicity比变化与岩体承载破坏特征较为一致,可以较好地反映盐岩的损伤破裂过程,而利用卸载模量表征盐岩损伤误差较大,这是由于盐岩特殊的黏塑性变形特征造成的。     

盐岩单轴应变率效应与声发射特征试验研究

 为了建立声发射参数与盐岩力学破坏机制的关系,进一步揭示盐岩在不同应变率条件下的损伤演化规律,利用声发射技术对加载应变率分别为2×10－3,2×10－4,2×10－5 s－1下的盐岩损伤演化及声发射参数特征进行试验研究。试验发现：(1) 3种应变率加载条件下盐岩的应力–应变曲线变化趋势接近。随着加载应变率的增加,盐岩弹性极限强度略有增加,峰值强度及其对应的应变值略有变化,达到峰值强度所需的时间呈线性减少。(2) 加载速率越慢,岩石破碎越松散,产生的裂纹越多,出现的累计声发射信号数越多。(3) 加载速率越快,声发射频率越高,脆性破坏特征越明显。声发射信号频率变化幅度反映了盐岩在不同应变率条件下裂纹的生成速度和损伤演化过程,而声发射信号累计振铃数则较好地反映盐岩达到峰值强度前应力–应变曲线关系。盐岩自身透光性的变化在一定程度上反映出损伤分布区域和损伤程度。建立基于声发射信号累计振铃数的盐岩损伤演化方程,较好地反映低应变率盐岩损伤演化过程。     

单轴压缩煤岩损伤演化及声发射特性研究

 为建立声发射参数与岩石(煤岩)力学破坏机制的关系,更好地了解受载煤岩体的损伤演化规律,进一步揭示煤岩动力灾害演化过程及灾害时间效应产生机制,利用MTS815岩石力学测试电液伺服试验系统和8CHS PCI–2声发射检测系统,对单轴压缩煤岩的损伤演化及声发射特性进行试验研究,分析单轴压缩煤岩的声发射特性,提出基于“归一化”累积声发射振铃计数的损伤变量,建立基于声发射特性的单轴压缩煤岩损伤模型,得出煤岩的损伤演化曲线和方程。研究表明,声发射信息反映煤岩内部的损伤破坏情况,与其内部原生裂隙的压密及新裂隙的产生、扩展、贯通等演化过程密切相关,煤岩的声发射特征能较好地描述其变形和损伤演化特性。基于声发射特性的单轴压缩煤岩损伤模型是合理的。单轴压缩煤岩损伤演化过程可分为3个阶段：初始损伤阶段、损伤稳定演化和发展阶段、损伤加速发展阶段。煤岩由变形至破坏可视为一逐渐发展过程：由变形、损伤的萌生和演化,直至出现宏观裂纹,再由裂纹扩展到破坏的全过程。     

非贯通裂隙介质裂隙扩展规律的CT试验研究

利用非贯通裂隙试件在加载过程中的实时CT扫描以及CT图像的三维重建技术,对非贯通裂隙介质在单轴压缩过程中的裂隙扩展规律进行了试验研究。通过对破坏后试件进行高密度CT扫描,重建了破坏后试件的三维CT图像;利用三维CT图像,对试件内部任意方向上裂隙扩展情况进行观察分析,得到了不同成因裂纹的扩展规律;在二维CT图像的基础上,绘制出不同应力水平扫描断面上损伤演化等值线图,根据试件内部损伤演化过程,对裂隙扩展机理进行了分析。     

压缩应力条件下花岗岩损伤演化特征及其对渗透性影响研究

 基于岩石三轴压缩应力–应变全过程渗透特性试验,结合三维声发射监测信息,研究花岗岩在不同围压条件下力学损伤演化机制及其对岩石渗透特性影响规律。本研究对常规渗透试验方法进行改进,通过在试样两端加工渗透小孔,实现岩石不同破坏形式下渗透性变化规律的测量。试验结果表明,在压缩应力作用下,花岗岩的损伤演化始于微裂隙的产生和扩展,并在岩石破坏时和峰后阶段发展迅速。该损伤演化的阶段性特征与声发射监测数据一致,进一步说明了裂隙扩展是导致花岗岩力学特性劣化的根本原因。随着微裂隙的扩展,岩石渗透性不断增强,但在峰前加载阶段渗透性变化明显滞后于损伤演化过程。该结果表明,在裂隙贯通并产生宏观破坏面之前,裂隙扩展对花岗岩渗透性影响非常有限。在低围压条件下,岩石渗透性随围压增大迅速减小;当围压增大到一定程度后,该趋势逐渐减弱。结合声发射监测数据,对不同应力条件下损伤演化与渗透特性的相互关系进行分析,并提出花岗岩渗透率与损伤和围压的相关经验公式。     

三轴压缩载荷作用下单裂隙扩展的CT实时扫描试验

 为研究岩石裂隙在三轴加载作用下的扩展规律,精选出一种与岩石物理力学性质相似的陶瓷制作试件,并在试件中部预置一条圆币状裂隙,进行三轴加载过程中的CT实时扫描试验。采取3种不同区域划分方案,通过对不同层、不同阶段的CT数、CT方差、CT图像的对比分析,获得裂隙被压密、自相似扩展、翼裂纹扩展、微裂纹扩展、裂纹加速扩展直到试件破坏的整个裂隙扩展过程。试验结果表明,在三轴压缩荷载作用下,裂隙被压密较为明显,翼裂纹扩展缓慢,自相似扩展更大,而且翼裂纹的扩展是从自相似扩展后的边缘开始的。总之,预置裂隙的扩展受围压影响很大,扩展过程相当艰难,试件破坏类似于延性破坏。     

利用显微X光CT对围压和孔隙水压条件下岩石试样的细微成像及其分析

 为得到岩石试样在各种围压和孔隙水压条件下的成像并分析其变形,利用显微X光CT系统获得具有5 mm高分辨率的三维图像。为此,设计和制造了一个可以对岩石试样同时加围压和孔隙水压的新型压力容器。用此容器,对高20 mm、直径10 mm的Berea砂岩及Noto硅藻泥岩试样施加静水压并使之变形。在各种围压和孔隙水压条件下,每隔15° 测试其径向尺寸。试样的平均直径随着有效围压的增长而单调减小。在此,有效围压被定义为围压和孔隙水压之差。随着有效围压的增加,其直径的变化根据不同的方向而不同,即其变形的各向异性特征得到了证实。Noto硅藻泥岩试样的各向异性比最大,达8%。实验结果表明,此显微X光CT方法可用来测试在各种围压和孔隙水压条件下一般方法很难测得、小或不规整试样的变形。     

单轴压缩作用下内置裂隙扩展的CT扫描试验

精选出一种与岩石较为接近的相似材料制作标准试件,并在其内部预置单币状裂隙,进行加载过程中的CT实时扫描试验。通过分析CT扫描图像,初步判定试件的破坏是由裂隙的损伤演化造成的。采用多种区域划分的方法,通过CT数及CT方差的对比分析,获得随载荷的不断增加裂隙被压密、自相似扩展、翼裂纹扩展、微裂纹扩展、裂纹汇合贯通以及裂纹加速扩展、试件崩裂的损伤演化过程;同时,也得到初裂强度、翼裂纹扩展长度和自相似扩展长度等一些重要参数;将试件破坏前的应力、应变过程曲线分为4段,说明预置裂隙的损伤演化过程。