岩石损伤特性的CT识别

首次将ＣＴ检测技术用于岩石损伤特性的研究，分析了ＣＴ扫描对岩石损伤的定性和定量的成果与规律。     

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图像的冻结岩石冰含量及损伤特性分析

冻结岩石中冰含量对其热力学及损伤特性有重要影响,研究岩石冻结过程中冰含量随温度的变化规律可以为冻结岩石工程的安全稳定性评价提供科学依据。运用CT识别技术,进行不同温度梯度下冻结岩石的CT扫描实验,获得20 ℃、-2 ℃、-5 ℃、-10 ℃、-20 ℃、-30 ℃下岩石的CT扫描图像,实现了冻结岩石CT图像的伪彩色增强和直方图分析,完成了冻结岩石冰含量及损伤信息的数字表述,对冰含量随温度的变化规律进行定量分析。依据损伤力学理论,定义以冰含量表示的冻结损伤变量,探讨了未冻水含量和温度梯度对冻结岩石损伤特性的影响规律。研究结果表明:(-2 ℃,-5 ℃)是水冰剧烈相变的温度区间,冻结损伤演化起始和急剧增大阶段;(-5 ℃,-10 ℃)是冻结损伤发展阶段;(-20 ℃,-30 ℃)是冻结损伤趋于稳定的温度区间。所定义的冻结损伤变量能够描述温度降低过程中岩石损伤的演化过程,基于冻结岩石CT图像伪彩色增强的冻结岩石损伤演化的定量分析为冻结岩石工程的稳定性研究提供了新的思路和方法。     

混凝土单轴压缩分形损伤演化的CT试验研究

在试验室对混凝土立方体试块进行了单轴压缩试验,完成破坏试验后用断层扫描CT技术研究混凝土立方体试件破坏过程的演化灾变过程,重点利用分形数学理论对混凝土试件的裂缝形成演化过程进行了分析研究,得出了一些有价值的结论。     

岩石损伤CT数分布规律的定量分析

在岩石CT扫描CT数分布规律的基础上，建立了CT数分布规律的数学模型，推导了岩石损伤密度与CT数的定量关系。重要的是将CT数和岩石损伤变量联系起来，推导了用CT数表达岩石损伤变量的公式，并和Bellion公式和Lemaitre用材料密度表达损伤变量公式进行计算分析比较，从而验证本文用CT数表达岩石损伤变量公式的正确性。     

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。     

砂岩单轴压缩与劈裂破坏过程的损伤研究

在对赵固矿煤层顶板砂岩进行单轴压缩试验的基础上,结合颗粒流程序获得砂岩细观力学参数并采用编制的fish程序进行了单轴压缩和巴西劈裂试验,研究砂岩在压缩和劈裂破坏过程中的损伤演化机制。得到如下结论:压缩破坏在主控破裂面上接触力集中传递,在损伤区接触力向临近岩体转移,劈裂破坏中接触力在劈裂方向由圆盘边缘向内扩散,垂直劈裂方向由圆盘中心向边缘逐渐减小;压缩破坏砂岩损伤发展经历弥散分布、聚集成核、形成局部裂隙和宏观裂纹贯通失稳4个阶段;劈裂破坏中损伤分布在劈裂径向一定宽度范围内,微裂纹从受力复杂的圆盘边缘萌生沿着径向不断发展并突然贯通。     

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。     

钢筋混凝土柱的临界轴压比与轴压比限值

从钢筋混凝土基本原理出发,重新推导了对称配筋矩形柱的临界轴压比公式,结果表明:临界轴压比设计值应为0.5左右,取决于截面材料属性,而非0.9;临界轴压比的设计值与标准值之比稍大于1.0,而非荷载分项系数与材料分项系数之乘积1.63.通过PM相关曲线的简单数值算例对推导结果进行了验证,并采用约束混凝土本构模型对规范轴压比限值进行了相关讨论.     

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.     

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。     

基于图像法的拱桥结构损伤识别

基于结构响应向量理论,以桥面一阶竖向振动频率和拱肋一阶横向振动频率等动力分量结合5根典型吊杆张力等静力分量构建七元结构响应向量(SSRV),通过损伤前后SSRV模和方向角的轨迹图谱的变化来反演拱桥损伤情况。     

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。     

压应力对岩石破碎的分维的影响

对不同围压的实验中的砂岩破碎碎屑，用筛析法和比重计法分析砂岩碎屑的分布，发现砂岩破碎碎屑是分形分布。不同围压的实验中，碎屑分布的分维值不同。随着围压（有效压应力）的增加，砂岩破碎碎屑的分维增大。文中解释了砂岩碎屑分维增大的原因，研究了碎屑分形分布的物理机制。     

煤岩三轴细观损伤演化规律的CT 动态试验

利用本文第一作者主持设计和研制的与ＣＴ机配套的专用加载设备,进行了三轴和单轴荷载作用下煤岩破坏全过程的细观损伤演化规律的即时动态试验。得到了在不同荷载作用下煤岩中微孔洞被压密→微裂纹萌生→分叉→断裂→破坏→卸载等各个阶段清晰的ＣＴ图象,引入了初始损伤影响因子,定义了一个基于ＣＴ数的新的损伤变量。     

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。     

渗透环境下化学腐蚀裂隙岩石破坏过程的CT 试验研究

 通过CT扫描试验研究渗透及无渗透环境下受化学腐蚀及未受化学腐蚀预制裂隙砂岩的三轴压缩破坏过程,分析试件破坏过程中各层面的CT数变化规律,并对渗透环境下不同试验阶段试验参数的变化规律以及渗透环境对砂岩强度的影响进行分析。试验结果表明,在微裂隙扩展与主裂隙贯通的过程中,对于无渗透环境,由于微裂隙发育导致裂尖处有所密合,之后随着试件的破裂CT数逐步减小;而对于渗透环境,由于孔隙水压力作用,在此过程中裂尖处无密合现象,而是继续开裂,CT数继续减小直至破坏。试件破坏后,无渗透环境下试件破坏时产生的裂隙较单一,而渗透环境下由于渗透作用和孔隙水压力作用,试件破坏时产生的裂隙相对来说较复杂,说明渗透环境对试件的破坏损伤作用较大。在试件变形从应力–应变曲线的线性阶段开始到裂尖破裂阶段,渗透环境的影响对应力以及变形所经历的时间大小起主要决定作用;在试件变形从裂尖破裂到裂隙贯通阶段,应力以及变形所经历的时间受化学腐蚀程度和渗透环境共同影响。渗透环境对砂岩强度的影响非常明显,无渗透环境下试件的强度远大于渗透环境下试件的强度,如试件经浓度为0.01 mol/L,pH值为2的NaCl溶液腐蚀后,其强度只有无渗透环境下的16.6%。     

围压作用下岩石冲击破坏与变形特性试验研究

采用φ100mm分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置研究了不同应力状态的砂岩在冲击荷载作用下的力学性能,分析了不同围压水平下砂岩破坏的变形过程与破坏形态.结果表明:围压水平对砂岩的破坏形态有较大的影响.单轴作用下砂岩为脆性压碎破坏,在围压作用下砂岩的破坏形态同单轴作用下砂岩的破坏形态有较大不同,体现出明显的塑性屈服,...     

基于CT图像的混凝土细观损伤数值模拟研究

针对混凝土细观损伤机理进行了研究,将混凝土看作由骨料、砂浆和孔隙组成的细观多相复合材料,通过CT技术对其单轴压缩损伤机制进行了分析,并对所得结果处理后通过MIMICS软件建立了相应三维细观模型,结合ABAQUS工具进行了数值模拟研究.结果表明:数值模拟得到的混凝土损伤图可以较好地反映混凝土试件单轴受压的整个损伤过程;混...