温度循环作用下深埋隧洞围岩细观结构的定量描述

高温作用和温度循环作用是岩石力学发展面临的新课题。从经历温度循环的裂隙岩体的微裂隙扩展机制研究入手,采用SEM仪器进行了各温度下大理岩断口细观结构试验。基于统计学理论,从细观层次对不同温度下的岩石断口微裂隙参数数据统计分析,得到了岩石微裂隙几何参数在不同温度下的分布概型,并运用Monte-Carlo随机模拟的方法,再现微裂隙在工程岩体中的分布。进行了二维裂隙网络模型的分形计算,分析不同温度条件下岩石细观损伤的分维数及其演化的分形特征,为从传统的力学方法来探索岩石内部介质的微观变化提供了理论依据和参考。     

单轴压缩岩石损伤扩展细观机理CT实时试验

利用最新研制的CT机专用加载设备，完成了单轴压缩荷载作用下岩石细观损伤扩展特性CT实时试验，得到了清晰的石破坏全过程中微孔洞被压密，微裂纹萌生、发展、贯通破坏和卸荷等不同发展阶段的CT图像，基于岩石损伤扩展的细观机理岩石应力-应变全过程曲线分为5段，为岩石损伤本构模型的建立提供了重要基础，结果表明，利用这套设备进行岩石细观损伤学特性的研究是可行的。     

循环荷载下花岗岩细观损伤量化试验研究

在循环荷载作用下,花岗岩宏观尺度疲劳破坏是由于细观尺度微裂纹的萌生、发育和贯通引起的,因此对处于细观尺度的微裂隙进行量化分析,对于理解花岗岩的动力特性有一定的意义。利用扫描电镜（SEM）拍摄得到昌江花岗岩的大量细观结构图片,利用数字图像技术对图片进行处理,提取微裂纹的细观几何信息。从矿物晶体和微损伤形式两个角度定量分析了循环荷载作用过程中的细观损伤特征。研究结果表明：①循环荷载作用过程中穿晶裂纹大部分出现在长石晶体内,而云母晶体则以沿晶裂纹为主;②在3类微裂纹中以沿晶裂纹发育速度最快,是疲劳损伤中主要的损伤形式;③沿晶裂纹和穿晶裂纹发展中所消耗能量占微裂纹开裂能量的大部分     

含水状态下膏溶角砾岩破裂全程的细观力学试验研究

利用新型岩石细观力学试验系统,对石家庄-太原铁路专线太行山隧道工程6#斜井的膏溶角砾岩在单轴压缩荷载作用下的岩石细观损伤裂纹扩展直至破裂的全程进行了实时观测,得到了不同含水状态下岩石初始损伤微裂纹的萌生、扩展、连接、贯通直至宏观破裂的数字显微和全场实时图像。从岩石细观损伤机制出发,结合同时获得的应力-应变曲线,将损伤破裂过程分为4个阶段,得到了含水状态下岩石损伤发展演化的初步规律,并给出了应力损伤门槛值,发现水环境影响下造成的初始损伤微裂纹是水对膨胀软岩力学性质产生软化作用的重要因素。     

不同频率循环荷载作用下花岗岩细观疲劳损伤量化试验研究

花岗岩宏观尺度疲劳破坏是由于细观尺度微裂纹的萌生、发育和贯通引起的,所以对处于细观尺度的微裂纹特征进行量化分析,对于理解花岗岩的动力特性有一定的意义。首先利用RMT-150B多功能全自动刚性岩石伺服试验机,采用振幅为10 MPa,频率分别为0.01、0.02、0.05、0.10、0.20、0.50、1.00 Hz的正弦循环荷载作为动力扰动,对海南昌江花岗岩试样进行单轴循环荷载试验。然后,利用扫描电镜（SEM）拍摄得到花岗岩的大量细观结构图片,运用数字图像技术获取微裂纹的细观几何信息,从方位角、长度、宽度和面积对不同荷载频率相应的花岗岩细观尺度微裂纹特征进行量化分析。研究结果表明,随着循环荷载频率的增加,微裂纹方位角发育离散性增加,而其统计均值则在某一区间内波动;微裂纹长度的发育则较快,而仅当荷载频率达到1 Hz时,宽度才有一定的发展,同时,能量耗散的方式也发生一定的变化。     

花岗岩电镜扫描图像二值化阈值对分形维数影响的研究

电镜扫描应用于岩土工程研究,能观察到岩石的细观结构,从另一个视角揭示岩石力学机理。分形维数是对岩石表面不规则、非线性裂纹裂隙的定量描述,是一个重要的参数指标。本文首先通过花岗岩电镜扫描实验,获得了花岗岩细观图像;其次研究不同二值化阈值下的图像和分形维数,结果显示分形维数随二值化阈值增大而减小;最后,对比迭代法、双峰法和Otsu法三种求最佳二值化阈值方法,表明Otsu法简单易行,得到的图像能反映岩石表面细节,求出的分形维数具有参考对比价值。因此将Otsu法图像二值化阈值得到的分形维数作为对比参考的标准,对岩石细观研究具有重要的参考价值。     

化学溶液及其水压作用下单裂纹灰岩破裂的细观试验

采用岩石破裂全过程的细观力学试验系统进行了化学溶液及其水压力作用下单裂纹灰岩压缩破裂试验。通过电镜扫描、X衍射、水质分析等分析方法,对岩石微观形貌、矿物成分等进行研究。采用数字显微系统,对其压缩破裂过程进行实时观测和记录,得到了岩石破裂过程的细观图像;探讨了蒸馏水、不同pH值的0.1 mol/L Na2SO4溶液及其水压力作用对单裂纹灰岩变形和强度特性的影响。研究表明,受化学侵蚀后岩石的结构及成分均发生了不同程度的变化,导致其非均质性增加,而强度、弹性模量等降低,其力学性质劣化的程度与岩石中矿物成分的变化程度相关;孔隙水压的作用改变了岩石内部裂隙面和颗粒间的受力状态,加速了岩石裂纹的扩展,降低了岩石强度,水化学溶液及其水压作用使得岩石的破裂形式变得更为复杂。     

断裂岩石细观破坏机理及三维接触损伤

以断裂岩体长期稳定性为研究背景,开展岩体断面细观接触演化和长期力学行为的研究,借助CT检测方法,研究断裂岩体双翼表面细观接触状态、接触损伤演化等影响岩体长期力学行为的特征以及断裂岩石蠕变过程中粗糙表面凹凸体磨损及亚表面微裂纹、微孔洞发展等表面接触损伤演化规律。CT图片得出剪切蠕变破碎岩石的多种失稳模式,这几种破坏模式共同存在于岩石断裂面的剪切蠕变过程中,并在断裂面不同位置交替出现。通过三维重构初步了解断裂岩石损伤过程中新生断面的形成过程:断裂面在剪切蠕变过程中微凸体附近易产生损伤形成空洞或初始裂隙,随后大量空洞和裂隙发展形成裂纹网络,裂纹网络贯通形成新断裂面。     

裂隙岩体中弹性波传播特性试验及宏细观损伤本构模型研究

以不同加载方式下裂隙岩体中弹性波传播特性试验为基础,首先通过对比试验中弹性波波速、波幅与岩体宏观损伤的关系,给出了采用弹性波波幅来表征的裂隙岩体宏观损伤变量;其次利用统计强度理论定义了岩石的细观损伤变量,并基于连续损伤理论建立了宏、细观裂隙耦合的裂隙岩体损伤本构模型;最后结合试验数据对该模型进行了验证与分析。研究表明:完整岩体中细观裂隙的起裂和扩展对岩体中传播弹性波的波幅和波速的影响较小,而裂隙岩体中宏观裂隙的张开和闭合对弹性波波幅和波速的影响较大。裂隙岩体在外力作用下时,弹性波波速和波幅的变化规律类似,相较于弹性波波速,弹性波波幅对裂隙岩体宏观损伤的变化表现的更敏感,可用来定义裂隙岩体的宏观损伤变量。不同加载方式下裂隙岩体的损伤特性与宏、细观裂隙以及其所处的应力状态相关,基于宏、细观裂隙耦合的裂隙岩体损伤本构模型可以较好地反映不同加载方式下裂隙岩体的损伤力学特性。在三轴压缩试验中,宏观裂隙对岩体轴向压应力方向上损伤的影响主要体现在试验的中后期阶段,在三轴拉压试验中,宏观裂隙对岩体轴向拉应力方向上损伤的影响贯穿于试验全过程中。     

裂隙岩石单轴压缩损伤扩展细观机理CT分析初探

完成了单一裂纹的裂隙砂岩单轴压缩条件下细观损伤破坏机理CT实时试验,得到了裂纹萌生、发展、宏观裂纹形成、破坏等各阶段的CT图像、CT数和CT数方差。结果表明,与无预制裂隙的岩石试样相比,已有预制裂纹对新的裂纹的起裂位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裂隙砂岩试样的扩容量大于完整试样破坏时的扩容量。     

单轴压缩条件下水泥土细观结构的试验研究

为了探讨单轴压缩条件下水泥土微细结构内部变化规律及对其工程特性的影响,通过单轴压缩条件下不同养护温度及不同土料的水泥土微细结构变化试验,研究水泥土受荷时微细结构的演化规律。利用Geoimage软件提取水泥土微细结构形态参数并进行定量分析,研究孔隙面积比例、颗粒分布分维、颗粒圆度、颗粒定向度、孔隙定向度和欧拉数的演化特性及其对水泥土的密实度,凝聚力,抗压性能的影响。证实土样虽未破坏,但其细部结构形态和参数均发生了明显变化,该变化对水泥土的工程特性影响显著。     

基于变分水平集方法获取岩石的细观结构

岩土工程材料的细观结构特征会在很大程度上影响其宏观力学行为。随着数字图像处理技术的逐渐成熟,基于变分水平集方法的偏微分方程（PDE）方法在图像处理中越来越受重视。在岩石数字图像的基础上,运用基于变分水平集方法的C-V模型,结合图像的背景填充技术实现花岗岩图片的3相分割（长石、石英和云母）,为进一步力学分析提供条件。上述方法可以量化岩石细观结构,最终获得能够准确反映岩石内部特征的图片,为将来的有限元分析提供真实几何模型。处理结果表明,通过选取适当的迭代次数和数字图像处理技术,该法能够获得较高质量的岩石细观结构量化图。     

岩石破裂全程数字化细观损伤力学试验研究

设计基于扫描电镜（SEM）的岩石破裂全过程数字化细观损伤力学试验方案,实现了岩石破裂全过程的显微与宏观实时的数字化监测、控制、记录及分析的岩石力学试验。应用于四川锦屏大理岩预制裂纹试样中进行单轴压缩破坏全程的数字化试验,对微裂纹的萌生、生长及贯通过程进行数字化定量分析,得到试样在受荷过程中微裂纹的面积、方位角、长度、宽度和周长基本几何数据,从宏细观角度描述了岩石试样单轴压缩过程中的破坏机制,并分析得出试样单轴受压破坏过程中虽然微裂纹在某些区域集中,但在整个试样中微裂纹的统计分布依然是服从某一指数分布的这一结论。试验研究结果证明了该试验方案的科学性和先进性。     

Porous Structure Reconstruction Using Convolutional Neural Networks

The three-dimensional high-resolution imaging of rock samples is the basis for pore-scale characterization of reservoirs. Micro X-ray computed tomography (µ-CT) is considered the most direct means of obtaining the three-dimensional inner structure of porous media without deconstruction. The micrometer resolution of µ-CT, however, limits its application in the detection of small structures such as nanochannels, which are critical for fluid transportation. An effective strategy for solving this problem is applying numerical reconstruction methods to improve the resolution of the µ-CT images. In this paper, a convolutional neural network reconstruction method is introduced to reconstruct high-resolution porous structures based on low-resolution µ-CT images and high-resolution scanning electron microscope (SEM) images. The proposed method involves four steps. First, a three-dimensional low-resolution tomographic image of a rock sample is obtained by µ-CT scanning. Next, one or more sections in the rock sample are selected for scanning by SEM to obtain high-resolution two-dimensional images. The high-resolution segmented SEM images and their corresponding low-resolution µ-CT slices are then applied to train a convolutional neural network (CNN) model. Finally, the trained CNN model is used to reconstruct the entire low-resolution three-dimensional µ-CT image. Because the SEM images are segmented and have a higher resolution than the µ-CT image, this algorithm integrates the super-resolution and segmentation processes. The input data are low-resolution µ-CT images, and the output data are high-resolution segmented porous structures. The experimental results show that the proposed method can achieve state-of-the-art performance.     

基于VGG模型的岩石薄片图像识别

岩石薄片图像的复杂性和多解性,导致岩石薄片分类难度较大。尝试将深度学习方法应用于岩石薄片图像分类。实验选取了安山岩、白云岩、花岗岩等6种常见岩石种类的薄片图像,每类1000张图像作为实验数据,建立了岩石薄片分类的VGG模型,经过9万次训练后,测试集识别准确率达到了82%。对实验结果进行了分析,发现相似组成成分的岩石图像容易混淆,如白云岩与鲕粒灰岩均属于碳酸盐岩,容易相互误判。在安山岩特征图中提取出了斜长石斑晶和微晶及隐晶质或玻璃质基质,在鲕粒灰岩特征图中提取了鲕粒及填隙物中的亮晶方解石,也验证了方法的可靠性。     

岩石细观结构对其变形强度影响的数值分析

利用数字图像处理技术表征岩石的非均匀性,并映射到有限元网格中,建立了能比较准确地反映岩石细观结构的数值模型。通过对花岗岩数字图像的处理,利用该模型进行花岗岩单轴压缩数值试验,研究花岗岩细观结构对其变形和强度的影响。研究表明,花岗岩细观结构对应力集中影响显著,在不同方向对花岗岩进行加载时,其抗压强度差异较大,表现出较强的各向异性行为,但对花岗岩弹性模量的影响很小。基于数字图像的数值分析方法为研究岩石细观力学性质提供了一种新的方法。     

红层软岩压缩破坏的分形特征与级联失效过程

基于不同围压条件下的红砂岩三轴压缩试验结果,采用数字图像相关技术对岩样外表面破坏形态进行全程观测,获得不同阶段岩样外表面破坏图像,分别对岩样破坏后阶段的图像进行分析。通过分形盒维数表征岩样外表面裂纹的变化情况,发现岩样破坏越严重,裂纹分形维数越高,且在最后破坏阶段裂纹分形维数出现突变,揭示岩样的破坏特征。引入级联失效数学模型,结合红层软岩内部的矿物成分与细观结构分布特点,概化出其结构的随机连接模型与破坏方式,分析红层软岩加载作用下的内部节点颗粒“容量-荷载”重分配原则以及节点颗粒失效后其初始荷载传递路径。结果表明,红层软岩在受载时为一个级联失效的分阶段破坏过程,级联因子通过级联路径不断传播、增多,级联失效越发明显,同时结合岩石破坏的变形损伤过程与其轴向应力-应变曲线分段特征,揭示该类岩石破坏的级联失效分级标准,为拓展该领域的研究具备一定的参考价值。     

大理岩断裂能与细观结构几何特征相关性

岩石在细观尺度上是由矿物颗粒胶结而成,除细观结构的力学特性外,其几何特征（颗粒界面网络结构和颗粒粒度分布）也对宏观断裂能具有一定的影响。为了探索这种几何特征与大理岩断裂能之间的相关性,从而进一步揭示岩石细观断裂机制,首先通过三点弯曲试验测定大理岩的断裂能,然后在试验后的三点弯试件断口处取岩石切片,进行电镜（SEM）扫描以获取岩石细观结构图像。利用图像处理技术获取岩石细观颗粒的界面网络图。通过对颗粒界面网络图分析,发现颗粒界面网络拓扑结构与颗粒粒度分布具有较强的分形特征。将二者分形维数与试件宏观断裂能相对比,发现它们之间具有很强的相关性。界面网络分形维数与宏观断裂能具有很强的二次相关性,而粒度分布维数与宏观断裂能之间具有较强的线性相关性。宏观断裂能随着两种分形维数的增大而增大。该研究结果揭示了宏观断裂能与岩石细观结构几何特征的相关性,加深了对宏观断裂能细观机制的理解。