本文摘要：摘要：巖石破裂是裂紋萌生、擴展演化直至貫通的過程，為了研究受載巖石發(fā)生變形破壞其內(nèi)部裂紋動態(tài)擴展演化過程，利用工業(yè)CT對巖石破裂過程進行階段性觀測掃描，通過CT圖像堆棧矢量化處理構(gòu)建巖石三維裂隙模型，并對裂紋結(jié)構(gòu)特征參數(shù)進行統(tǒng)計分析，定量化表
摘要：巖石破裂是裂紋萌生、擴展演化直至貫通的過程，為了研究受載巖石發(fā)生變形破壞其內(nèi)部裂紋動態(tài)擴展演化過程，利用工業(yè)CT對巖石破裂過程進行階段性觀測掃描，通過CT圖像堆棧矢量化處理構(gòu)建巖石三維裂隙模型，并對裂紋結(jié)構(gòu)特征參數(shù)進行統(tǒng)計分析，定量化表征巖石破裂過程中裂紋擴展情況。在此基礎(chǔ)上，提取裂紋擴展路徑上的局部破壞形態(tài)特征，結(jié)合巖礦鑒定實驗進行細(xì)觀尺度分析研究。研究結(jié)果表明：利用裂隙體積、表面積及分形維數(shù)等參數(shù)可以將三維裂隙擴展過程量化，且參量呈現(xiàn)“基本不變→小幅增大→大幅激增”的變化規(guī)律;CT切片圖像中裂紋面積可以表征巖石局部裂紋擴展特征，且與同階段三維裂隙的擴展演化特征相對應(yīng);巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)對裂隙擴展影響較大，裂隙擴展遇到礫石將形成繞礫擴展、穿礫擴展及分叉擴展三種方式。研究成果將為巖石失穩(wěn)破壞、工程巖體致災(zāi)預(yù)警工作提供研究基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：CT掃描;裂紋演化;三維重構(gòu);量化表征;擴展特征
引言
巖石作為一種非均質(zhì)的天然地質(zhì)材料，其內(nèi)部主要由巖石基質(zhì)、孔隙類原始缺陷以及其它礦物質(zhì)共同組成，這些組成部分在巖石中的隨機分布決定了巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，巖石內(nèi)部的復(fù)雜結(jié)構(gòu)將影響著巖石物理力學(xué)特性以及裂隙擴展演化。分析巖石在荷載作用下內(nèi)部裂隙萌生、發(fā)育擴展至貫通的動態(tài)演化過程，量化表征裂隙擴展演化特征，能夠更好的了解巖石破壞過程，有利于進一步揭示巖石斷裂破壞機制，為巖體工程穩(wěn)定性評價以及地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警工作提供研究基礎(chǔ)。
國內(nèi)外學(xué)者針對巖石破裂過程中裂紋擴展演化規(guī)律以及分布形態(tài)特征進行了大量的研究工作，YU等[2]采用聲發(fā)射和攝影監(jiān)測技術(shù)對不同含水率含預(yù)制裂隙粉砂巖裂隙擴展規(guī)律進行分析，研究裂隙角及含水率對其力學(xué)性質(zhì)及裂紋擴展的影響;WANG等[3]利用數(shù)碼相機記錄雙軸壓縮下含裂隙類巖石材料的裂紋擴展過程，將巖橋貫通模式分為三類并分析預(yù)制裂隙角、巖橋角及側(cè)向應(yīng)力對裂紋擴展的影響;WANG等[4]研究含不同層理傾角人工層狀巖石的單軸壓縮壓裂響應(yīng)特征，確定種獨立裂紋類型，分析層理傾角對裂紋擴展的影響;呂艷偉等[5]采用數(shù)字圖像處理技術(shù)對復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下巖石的裂紋擴展特征和機制進行研究;張國凱等[6]利用聲發(fā)射以及高速攝像技術(shù)綜合分析裂紋擴展特征，并探究裂紋擴展對巖石強度以及破壞特征的影響。
上述研究主要針對含預(yù)制裂隙巖石試件中裂紋形成并擴展為宏觀裂紋的過程進行分析，其中預(yù)制裂隙以及層理的存在對裂紋擴展演化起著決定性的作用，人為影響因素干擾較大，而且研究多集中于巖石試件觀測面進行二維角度分析。通過攝影監(jiān)測技術(shù)能夠得到巖石表面二維裂紋擴展形態(tài)，而巖石變形破壞作為三維巖石力學(xué)問題，需要對巖石內(nèi)部裂紋擴展演化特征進行研究。
CT掃描成像系統(tǒng)作為一種無損檢測手段，運用其掃描成像原理及三維重構(gòu)的可視化功能，能夠快速、無損獲取巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)分布特征，近些年工業(yè)CT常用于巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征對巖石宏觀力學(xué)特性和破壞特征影響方面的研究。JU等[10]提出了一種結(jié)合CT掃描與伺服控制三軸加載技術(shù)的新方法，實現(xiàn)了對不同加載階段和圍壓下煤的裂隙網(wǎng)絡(luò)空間形貌與分布特征的原位觀測與定量表征。WANG等[11]對龍馬溪頁巖在壓縮狀態(tài)下進行了原位CT掃描實驗，實驗結(jié)果顯示頁巖樣品經(jīng)歷了壓縮、損壞、開裂、裂紋擴展和破壞階段，并且裂隙的形成與擴展受層狀結(jié)構(gòu)和層狀弱膠結(jié)介質(zhì)的影響。
DUAN等[12]利用不同應(yīng)力水平下CT掃描圖像重建三維體視圖，討論了初始礦物分布、內(nèi)部孔隙演化以及最終裂隙形態(tài)的相互關(guān)系。WANG等[13]在三軸壓縮條件下基于工業(yè)CT掃描對雙土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化進行原位實時量化表征，結(jié)果表明巖土界面滑移以及大孔隙形成等行為導(dǎo)致的局部變形對于裂隙擴展有很大的控制作用。
YANG等14對不同孔徑的空心砂巖試樣在不同圍壓下進行了一系列射線CT觀測和三維數(shù)值模擬，對比了射線CT觀測和模擬得到的空心砂巖的表面和內(nèi)部斷裂特征，分析了圍壓對不同孔徑空心砂巖裂縫演化機理的影響;ZHAO等15對重慶砂巖試件進行了三軸壓縮試驗和射線CT試驗，利用局部閾值分割算法來分割射線CT圖像中的裂紋、孔洞和實體物體，建立三維裂紋損傷本構(gòu)模型研究巖石三維破裂行為。
ZHOU等16應(yīng)用射線CT成像和數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)，通過數(shù)字層狀各向異性指數(shù)和數(shù)字損傷比對層狀各向異性損傷和空間裂紋演化進行了定量分析，研究了單軸壓縮條件下砂巖的空間裂紋行為;周尚志等17對CT圖像的幾何信息和CT數(shù)進行統(tǒng)計，定量化描述混凝土體損傷破裂演化;田威等18以混凝土為研究對象，運用CT實時掃描觀測分析破裂過程;劉俊新等19對受載泥頁巖試樣進行CT掃描分析其內(nèi)部裂紋擴展過程;鄧遠(yuǎn)剛等20對失穩(wěn)破壞后的巖石斷裂面進行CT掃描并分析裂紋擴展演化規(guī)律;劉京紅等21將混凝土CT掃描圖像進行三維模型重構(gòu)，結(jié)合分形理論定量描述裂紋擴展規(guī)律;姬程飛等22對CT掃描圖像進行圖像處理分析研究巖石內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)特征。
上述學(xué)者運用工業(yè)CT掃描觀測分析巖石失穩(wěn)破壞過程，其中針對不同加載階段的裂隙擴展演化特征進行多尺度的定性、定量分析相對較少。鑒于此，筆者為了定量刻畫受載巖石變形破壞過程中內(nèi)部裂隙動態(tài)擴展演化過程，進行單軸循環(huán)加卸載實驗以及工業(yè)CT掃描試驗，對各應(yīng)力加載階段掃描所得巖石切片圖像進行矢量化處理構(gòu)建裂隙體三維可視化模型�；诩虞d過程中的CT掃描階段，從整體到局部、從宏觀到細(xì)觀，多尺度統(tǒng)計分析裂隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征參數(shù)以及分布形態(tài)，從而量化表征巖石破裂過程中裂隙動態(tài)擴展演化過程。
在此基礎(chǔ)上，提取裂隙演化路徑上的破壞形態(tài)特征并獲取關(guān)鍵特征周邊礦物信息，進一步揭示巖石斷裂破壞機制。研究結(jié)論可為探究巖石失穩(wěn)破壞裂隙演化規(guī)律提供科學(xué)依據(jù)，為巖土工程中動力災(zāi)害發(fā)生機理和防治技術(shù)研究提供理論基礎(chǔ)，為科學(xué)評價巖土工程的安全穩(wěn)定性提供理論支撐。
2實驗設(shè)計
2.1巖樣制備
本次實驗所用的巖石試件為粗粒紅砂巖，試件呈顆粒狀碎屑結(jié)構(gòu)，主要由碎屑顆粒和填隙物組成，其中碎屑顆粒主要為石英、長石及巖屑，顆粒大小在0.5～30mm不等，填隙物主要為泥質(zhì)、碳酸鹽礦物及細(xì)粉砂，碎屑顆粒和填隙物之間為孔隙式膠結(jié)。利用室內(nèi)專業(yè)切割機將巖石加工成尺寸為100mm×100mm×100mm的正方體試件，并采用磨石機將巖石試件的端面以及邊緣處進行打磨處理，然后將巖石試件進行標(biāo)號(CGRSCT，CoarseGrainRedSandstoneCT，粗顆粒紅砂巖CT)并放置在實驗室環(huán)境中以備預(yù)實驗以及后續(xù)實驗使用。
2.2實驗設(shè)備
本次實驗的實驗設(shè)備包括單軸壓縮加載系統(tǒng)和工業(yè)CT掃描成像系統(tǒng)，單軸壓縮加載系統(tǒng)采用TAW3000型電液壓伺服巖石加載壓力機，軸向壓力最大可達(dá)到000kN，加載精度誤差不超過1%。CT掃描成像系統(tǒng)采用通用電氣公司GE旗下的德國Phoenix微焦點射線工業(yè)CT，該系統(tǒng)的細(xì)節(jié)分辨率可達(dá)到1μm，能夠清晰、直觀地展示巖石內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、組成和缺陷狀況，結(jié)合專業(yè)CT圖像軟件VGStudioMax以及Avizo軟件可以進行快速數(shù)據(jù)采集、三維模型重建以及數(shù)據(jù)處理分析。
2.實驗方案
中科院地質(zhì)所李曉等23研發(fā)的高能加速器CT可旋轉(zhuǎn)式巖石力學(xué)剛性伺服試驗機，首次實現(xiàn)了大尺度試樣、模擬深部地層溫壓環(huán)境、可透視巖石損傷破裂全過程的試驗?zāi)繕?biāo)，但目前采用工業(yè)CT對破裂過程進行實時掃描的研究多以小尺寸巖石試樣為主2425，針對較大尺寸巖石試樣進行的研究較少。并且在進行地下開采、巷道掘進以及硐室開挖等實際巖土工程的施工活動中，巖體往往處于反復(fù)加卸載的受力環(huán)境中26。為了研究裂紋階段性擴展演化特征規(guī)律，深入了解巖石破裂過程，決定采用單軸循環(huán)加卸載的加載方式，并結(jié)合工業(yè)CT掃描進行實驗。
3裂隙擴展演化特征規(guī)律分析
3.1二維裂紋擴展定性描述
為了研究巖石破裂在各加載階段中裂紋動態(tài)擴展演化過程，對CT掃描切片圖像進行灰度均衡化處理以方便觀察，并且對裂紋擴展行為進行階段定性描述。階段Ⅰ：初始狀態(tài)的巖石試樣左側(cè)存在一條原生裂紋A1，增加荷載，裂紋A1微張，右上方礫石邊界處出現(xiàn)新生裂紋B1;階段Ⅱ：原生裂紋A1生長發(fā)育，左上方萌生新裂紋A2，B1沿礫石邊界繼續(xù)擴展形成次生裂紋，裂紋B2自右下方萌生并沿軸向與B1次生裂紋相遇形成剪切合并，隨后繼續(xù)擴展;階段Ⅲ：裂紋A1、A2繼續(xù)擴展演化，左上方出現(xiàn)新生裂紋A3，裂紋B1擴張并在合并點位置衍生新裂紋向下擴展，裂紋B2沿軸向向上延伸并演化出大量衍生裂紋，在B2左側(cè)的礫石邊界處出現(xiàn)新生裂紋B3、B4;階段Ⅳ：此時處于峰后殘余應(yīng)力階段，受載巖石發(fā)生變形破壞，內(nèi)部的宏觀裂紋相互匯集，并最終貫通形成復(fù)雜的裂紋網(wǎng)絡(luò)。
3.2裂紋局部擴展特征分析
觀察巖石破裂后內(nèi)部裂隙結(jié)構(gòu)主要由原生裂隙面區(qū)域、礫石周邊新生裂隙區(qū)域以及二者貫通區(qū)域三部分共同組成，為了進一步研究巖石裂紋擴展演化過程，本部分將在上節(jié)巖石裂隙發(fā)育整體性定量表征的基礎(chǔ)上，對巖石內(nèi)局部裂紋擴展過程進行量化分析。構(gòu)建與巖石試樣等比例(100mm×100mm×100mm)的三維坐標(biāo)系，將CT圖像堆棧放置于坐標(biāo)系內(nèi)，選取YZ、XZ、XY方向內(nèi)10mm、50mm、90mm處的CT切片進行分析，提取各應(yīng)力階段下CT圖像中的裂紋并將其面積作為裂紋特征參數(shù)進行統(tǒng)計研究，量化表征巖石破裂過程中的局部裂紋擴展演化特征。
巖石論文投稿刊物：《巖石礦物學(xué)雜志》創(chuàng)刊于1982年。自創(chuàng)刊以來始終遵循“百花齊放，百家爭鳴”的辦刊方針，堅持普及與提高并舉的辦刊宗旨，開展學(xué)術(shù)交流和討論，以廣大地學(xué)科研、教學(xué)人員為主要讀者對象，為加速現(xiàn)代化建設(shè)服務(wù)。
4結(jié)論
(1)將巖石內(nèi)部裂隙三維可視化處理，利用裂隙體積、表面積及分形維數(shù)等特征參數(shù)將裂隙擴展過程量化，這類參量均呈現(xiàn)出“基本不變→小幅增大→大幅激增”的變化規(guī)律，與巖石破壞過程中的各應(yīng)力階段相對應(yīng)，可表征加載過程中巖石的損傷弱化過程，其中階段Ⅲ(非穩(wěn)定破裂發(fā)展階段)中裂隙體積增長貢獻率為75.6%，裂隙結(jié)構(gòu)特征參數(shù)增速較快且變化幅度較大，說明巖石破裂過程中裂隙擴展演化主要在此階段進行;(2)以CT掃描切片圖像的裂紋面積為特征參數(shù)來量化巖石局部裂紋擴展過程，實現(xiàn)從整體到局部多尺度全方位的分析過渡，其中原生裂隙面區(qū)域最先產(chǎn)生裂隙，礫石富集應(yīng)力集中區(qū)域最終破壞程度最大，在時空層次與巖石三維裂隙擴展演化特征一致。(3)巖礦鑒定實驗結(jié)果對裂紋擴展形態(tài)特征的形成機制進行研究，巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)對裂隙擴展影響較大，著重分析了遇到礫石后裂隙的擴展方式，總結(jié)得出裂隙擴展存在三種方式，繞礫擴展、穿礫擴展及分叉擴展，在細(xì)觀尺度上對裂隙擴展演化行為有了進一步的認(rèn)識。
參考文獻
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作者：張艷博1,，徐躍東1,2，劉祥鑫1,2，姚旭龍1,2，王帥1,2，梁鵬1,2，孫林1,2，田寶柱1,2
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