岩石卸荷损伤演化机理CT 实时分析初探

 利用作者已研制成功的与CT 机配套的专用三轴加载试验设备, 在国内外首次完成了岩石卸荷损伤断破裂坏全过程的实时CT 试验。得到了岩石卸荷损伤演化过程中从裂纹发育、扩展、贯通到断裂破坏全过程的CT 图像。通过与岩石连续加载破坏过程细观试验结果的比较发现, 岩石卸荷破坏比连续加载情形下岩石破坏更具突发性。由静态连续加载岩石细观损伤机理出发, 将静态岩石全过程曲线划分为5 个阶段。得到了卸荷条件下岩石损伤扩展的初步规律。     

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。     

基于CT技术和灰度共生矩阵理论研究不同荷载#br# 作用下混凝土的细观损伤演化过程

混凝土CT试验可以通过CT图像记录外部荷载作用下混凝土内部细观损伤演化信息。峰值强度前不同应力阶段同一断面的CT图像所对应的原始数字矩阵中存在细微差异,而这些不能被直观观察到的细微差异正是研究混凝土损伤萌生、演化的关键。为了深度挖掘数字矩阵中的细微差异信息,文章建立了一套基于灰度共生矩阵理论的分析程序来研究混凝土细观损伤演化过程,并分别应用混凝土试件在单轴静力压缩和拉伸荷载作用下的CT试验结果来验证该方法的有效性。结果表明,该方法不仅能有效地评估混凝土试件的初始细观损伤分布及其在荷载作用下的演化过程,预测试件的断裂位置,确定最大损伤断面,而且能通过统计特征值建立细观损伤变量表达式来定量表征细观损伤。不同应力阶段的4个统计特征值(对比度、能量、相关性、同质性)的变化显示静压试件在应力达到峰值强度的96.2%时,试件内部第42-235幅混凝土横断面位置处损伤有明显发育,且这与试件破坏后的裂缝位置一致,静拉试件在峰值强度前其内部细观损伤未见发育,试件破坏后裂缝出现在89-116幅混凝土横断面CT图像之间。另外,混凝土试件破坏前后的CT图像的灰度共生矩阵对应的彩色热图的对角线分布、峰值个数及带宽与细观损伤发育程度相关。     

基于CT技术和灰度共生矩阵理论研究不同荷载作用下混凝土的细观损伤演化过程

混凝土CT试验可以通过CT图像记录外部荷载作用下混凝土内部细观损伤演化信息。峰值强度前不同应力阶段同一断面的CT图像所对应的原始数字矩阵中存在细微差异,而这些不能被直观观察到的细微差异正是研究混凝土损伤萌生、演化的关键。为了深度挖掘数字矩阵中的细微差异信息,文章建立了一套基于灰度共生矩阵理论的分析程序来研究混凝土细观损伤演化过程,并分别应用混凝土试件在单轴静力压缩和拉伸荷载作用下的CT试验结果来验证该方法的有效性。结果表明,该方法不仅能有效地评估混凝土试件的初始细观损伤分布及其在荷载作用下的演化过程,预测试件的断裂位置,确定最大损伤断面,而且能通过统计特征值建立细观损伤变量表达式来定量表征细观损伤。不同应力阶段的4个统计特征值(对比度、能量、相关性、同质性)的变化显示静压试件在应力达到峰值强度的96.2%时,试件内部第42-235幅混凝土横断面位置处损伤有明显发育,且这与试件破坏后的裂缝位置一致,静拉试件在峰值强度前其内部细观损伤未见发育,试件破坏后裂缝出现在89-116幅混凝土横断面CT图像之间。另外,混凝土试件破坏前后的CT图像的灰度共生矩阵对应的彩色热图的对角线分布、峰值个数及带宽与细观损伤发育程度相关。     

岩石单轴细观损伤演化特性的CT实时分析

利用最新研制成功的CT(Computerized Tomography,简称CT)专用岩石三轴试验加载设备,完成了三轴(单轴)压缩荷载作用下岩石损伤扩展规律的CT实时试验.得到非常清晰的岩石破坏全过程中从微孔洞被压密到微裂纹发生、发展、贯通、卸荷破坏等各个阶段的CT图象.引入了初始损伤影响因子及闭合影响系数,建议了一个新的损伤变量.从CT细观试验结果出发,给出了应力损伤门槛值,将准静态岩石应力应变全过程曲线分为5个阶段,得到了岩石损伤演化的初步规律.结果表明,利用这套设备进行岩石细观损伤力学特性的研究是一种创新的方法,CT专用加载设备的研制是成功的.     

单轴压缩岩石损伤演化细观机理及其本构模型研究

利用作者已研制成功的CT机专用三轴加载试验设备,守成了单轴压缩荷载作用下岩石损伤CT实时细观试验。给出了CT图像中裂纹宽度的估算方法,确定了应力损伤门槛值,对CT试验结果进行了定量分析,得到了单轴压缩岩石损伤演化的初步规律。基于CT试验结果,对岩石应力-应变全过程曲线进行了分段,从工程应用出发,给出了峰前分段岩石损伤演化方程及本构关系。理论分析结果与试验结果较吻合。     

数字图像灰度相关性用以描述岩石试件损伤演化的研究

岩石试件表面的数字图像可作为试件表面变形或裂纹扩展的信息载体。为从加载过程中记录的数字图像中分析出定最的信息，提出一种新的分析方法：计算两幅图像灰度的相关性，用灰度相关性的分布表征变形和破裂的发展。介绍了图像灰度相同关性的计算方法，并用模拟的变形和破裂图像验证了灰度相关性在表征变形与破裂上的有效性，最后用此方法对一个岩石结构加载过程中的图像序列进行分析。结果表明，图像灰度相关性分布的演化与结构的变形局部化演化在空间和时间上都存在对应关系。因此，试件表面数字图像灰度相关性可作为描述岩石材料损伤演化的一种工具。     

冻结裂隙岩石加卸载破坏机理CT实时试验

利用自制的岩石力学三轴CT加载系统 ,完成了具有单一裂纹的裂隙岩石在负温条件下的加卸载损伤破坏机理CT实时对比试验研究。分析了冻结裂隙岩石加卸载损伤全过程的CT图像和CT数的演化规律。结果表明 ,与连续加载情况下相比 ,冻结裂隙岩石的卸围压破坏突发性强 ,岩石扩容强烈     

石灰岩局部化变形的图像特征

 根据室内单轴压缩试验视频图像对石灰岩局部化变形的数字特征进行分析。原始视频在岩石单轴抗压试验时摄得,根据试验荷载–时间关系曲线得到加载阶段的视频图像并转化为计算机易于识别的视频格式,利用粒子图像测速技术得到石灰岩试样表面任意时刻任意位置的位移大小,分析不同荷载作用下既有裂纹端点的变化过程及新生裂隙的萌生和扩展过程,选取单帧图像纹理参数作为石灰岩不同变形状态的数字特征参数,分别使用灰度直方图和灰度共生矩阵得到石灰岩图像数字特征参数随时间的变化过程。结果表明,既有裂隙端点和新生裂隙的局部化变形现象非常明显;可以将平稳变形阶段和急剧变形阶段间的分界点作为局部化变形的起始点并据此作为局部化变形的启动条件;图像纹理特征参数能够较好反映不同荷载阶段的变形状态,可以用于预报局部化变形的起始时刻。由于图像特征反映岩石的变形破坏过程,该方法将为研究岩体地区局部化变形和地质灾害的细观机制提供一条新的研究途径。     

低应变率下岩石内部裂纹演化的X射线CT方法

X射线CT方法研究发现单轴压缩条件下岩石经历压密、扩容、CT尺度裂纹演化和破坏过程4个阶段。这表明低应变率条件下岩石的变形破坏过程的细观机制主要表现为裂纹成核、萌生、扩展、贯通过程。CT图像分析和密度损伤增量分析是X射线CT方法的两种手段。CT图像分析可以获得裂纹宽度、长度、方位等定量化参数。密度损伤增量分析可以获得密度损伤增量图像和岩石试件内部任意应力状态、任意部位的密度损伤值。在CT尺度裂纹演化和破坏阶段，由于岩石损伤高度局部化，声发射率参数不能精确反映岩石破坏的细观机制。     

岩石疲劳损伤扩展规律CT细观分析初探

利用笔者研制的CT(ComputerizedTomography)机专用三轴加载试验设备 ,进行了实时的岩石疲劳损伤演化CT细观试验。从细观尺度证实了岩石疲劳破坏存在门槛值 ,研究了循环荷载最大应力值的变化对岩石疲劳破坏的影响机理 ,得到了岩石细观疲劳损伤扩展的初步规律。     

不同尺寸裂隙岩石损伤破坏特性光弹性试验研究

为了充分认识试件尺寸与裂隙倾角对裂隙岩石损伤破坏的影响,开展了不同试件尺寸、不同裂隙倾角的光弹性单轴压缩试验。利用反射式光弹仪直观形象地记录试件损伤破坏全过程的彩色条纹变化,基于光学-应力定律计算得到裂隙岩石损伤破坏过程中试件表面的全场应力应变,分析岩石裂隙扩展失稳的尺寸效应及裂隙倾角对岩石强度及破坏模式的影响,研究裂隙岩石损伤—扩展—破坏的力学机制。试验结果表明:裂隙岩石单轴压缩的应力应变曲线可分为弹性阶段,塑性阶段,峰后软化阶段,残余阶段不明显;裂隙岩石峰前阶段的弹性模量随着试件高宽比的增加而增大,随着裂隙倾角的增加而减小;单轴抗压强度随着高宽比的增加呈减小趋势;峰后的软化阶段受试件尺寸与裂隙倾角的共同影响,裂隙倾角与高宽比越大,岩石的破坏越具有突然性,即脆性越明显;岩石损失破坏时最大应变与应力分布在预制裂纹中心,损伤首先从预制裂纹处发生。随着加载的不断进行,最大应变与应力的位置转变为裂纹的两端,逐渐向平行于轴向加载方向发展直至试件端部。岩石损失破坏时,最大应变与应力分布在预制裂纹中心,损伤首先从预制裂纹处发生。随着加载的不断进行,最大应变与应力的位置转变到裂纹的两端,裂纹逐渐向平行于轴向加载方向发展直至试件端部。     

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。     

基于数字图像处理的冻融页岩温度场的数值分析方法

利用数字图像处理技术与有限元软件ANSYS相结合的方法对冻融岩石CT图像进行处理,获得岩石细观结构图像,分析冻融岩石的温度场分布规律。结果表明,数字图像处理技术可以准确地描述岩石损伤的空间分布,最大限度地挖掘利用岩石CT图像所隐含的信息。岩石细观结构图像与有限元法的结合可实现考虑岩石细观介质及其空间分布的冻融温度场的有限元模拟,岩石的细观结构决定了冻融岩石温度场的分布规律,其对岩石冻融损伤破坏过程有重要影响。提出的冻融岩石温度场研究方法可从细观尺度探索寒区岩石工程冻害产生的原因,为解决寒区岩石工程冻胀、融沉问题提供新的方法。     

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CT图像的混凝土单轴压缩裂隙与应变场分析

利用X射线计算机层析术(CT)对混凝土试件单轴压缩过程进行原位扫描,获得了不同荷载下试件的CT图像.通过对CT图像进行分析,获得了灰度均值及其均方差、孔隙率和计盒维数随荷载变化的规律.结合数字体散斑法(DVSP)获得了试件内部三维位移场与应变场.结果表明:试件内部不同尺度裂隙的发展导致灰度均值及其均方差、孔隙率和计盒维数发生相应的变化,灰度均值及其均方差可以揭示小于CT尺度裂隙的发展规律,孔隙率和计盒维数更适用于描述大于CT尺度裂隙的特征.试件内部的位移场与应变场能够直观地揭示出小于CT尺度微裂隙引起的应变局部化区域的产生及发展过程,为混凝土细观破坏机理研究提供了新方法.     

孔隙水压力作用下热处理北山花岗岩变形特性试验研究

为研究热-水-力耦合作用对岩石变形特性的影响,利用岩石THM耦合试验系统,对高温热处理后的岩石试样开展高孔隙水压力作用下三轴压缩试验,研究了热处理北山花岗岩在水-力耦合作用下的应力-应变曲线、力学特性、破坏特征以及损伤演化过程。研究结果表明,不同孔隙水压力作用下的s_1-e_1曲线在微裂隙压密和线弹性变形阶段基本重合,轴压增大到裂纹扩展阶段s_1-e_1曲线开始明显偏离,孔隙水压力越大,s_1-e_1曲线向1e轴偏离得越快,试样的峰值强度越低,峰值轴向应变越小,剪切破坏面倾角越陡,损伤演化的速度越快。研究成果表明:孔隙水压力对岩石损伤破坏的影响主要表现在加速岩石从裂纹不稳定扩展到宏观失稳的过程。     

冻结裂隙砂岩单轴压缩损伤特性CT试验

对含有预制双裂纹的冻结裂隙砂岩试样单轴压缩细观损伤破坏机理进行了CT动态试验，得到了裂纹萌生、发展、宏观裂纹形成和破坏等不同阶段的岩石损伤CT图像和CT数。研究结果表明，与无预制裂隙的冻结岩石试样相比，已有预制裂纹对冻结裂隙岩石中新裂纹的起裂侮置及贯通性宏观破坏裂纹的形成具有重要影响。预制裂纹的存在导致冻结裂隙砂岩试样的扩容量大于完整冻结试样破坏时的扩容量。     

单轴压缩下混合片麻岩脆性破坏特征分析

岩石单轴压缩变形试验是地下工程勘察中的基本力学试验。本文根据混合片麻岩单轴压缩变形试验的峰前应力—应变曲线,把其破坏过程分为裂纹闭合阶段、线弹性变形阶段、裂纹稳定扩展阶段和裂纹非稳定扩展阶段,并采用滑点回归分析技术得到了混合片麻岩各阶段裂纹临界应力值,即:裂纹闭合应力为23MPa,裂纹起裂应力为45MPa,裂纹损伤应力为86MPa,最后进行了单轴压缩下混合片麻岩脆性破坏过程细观模拟分析,为工程支护设计和围岩破坏机理分析提供参考。     

多裂纹岩石单轴压缩渐进破坏过程精细测试

 综合运用声发射定位技术的灵敏性以及CT技术的直观性等特点,实现对多裂纹岩石单轴压缩渐进破坏过程的精细测试。通过分析加载过程中声发射定位事件、CT扫描切片以及CT数的变化,获取多裂纹岩石裂纹扩展破坏过程。加载之初,岩石试件虽总体上表现为裂纹压密,但局部仍可追踪试件内部原生裂纹起始扩展,并随载荷增加向两端逐渐扩展、渐进破坏直至形成贯通破裂面。为探索岩石微细观破坏机制和裂纹扩展演变规律,推进岩石力学试验可视化技术的发展奠定基础。