单轴条件下砂岩三维破裂过程的CT观测

岩石破裂过程研究一直是岩石力学专家关注的重要问题。本文采用特制的三轴压力仪与医用西门子SOMATOM -plusCT扫描仪结合 ,对砂岩进行了室内单轴压缩试验。通过对砂岩的CT图像和密度损伤增量与应力关系曲线分析 ,结果显示 ,砂岩的破裂演化过程可分为初始损伤的压密、裂纹出现扩展、裂纹归并分岔、裂纹重分岔扩展以及裂纹惯通宏观破坏等五个阶段。在初始损伤的压密阶段 ,砂岩的密度损伤增量为正值 ,速率也为正 ;在裂纹出现扩展阶段 ,砂岩出现局部密度损伤增量减小 ,并随应力增加而由正值转为负值 ,速率也由正变负 ;在裂纹归并分岔阶段 ,砂岩的密度损伤增量全为负值 ,速率也变快 ;在裂纹重分岔扩展阶段 ,砂岩的密度损伤增量继续变负 ,但速率变慢 ;在裂纹惯通宏观破坏阶段 ,砂岩的密度损伤增量继续变负 ,速率变的更快。     

超声波振动下非均匀岩石损伤过程数值模拟与试验

在振动载荷作用下,岩石内部细观缺陷的发展将导致其宏观力学性能的劣化。为了提高超声波振动碎岩效率,采用数值模拟与实验研究相结合的方法,对超声波振动下岩石内部的损伤过程进行分析;采用有限元与统计技术相结合的方法,建立岩石二维模型,引入损伤增量因子的概念,分析岩石非均匀性对岩石裂纹扩展过程的影响。研究结果表明:1)岩石材料在超声波振动下的损伤过程分为萌生、扩展、贯通3个阶段,随着非均匀系数的增加,岩石原始裂纹的扩展效率逐渐加快。2)损伤因子存在一个临界值,约为0.005 4:当某一时刻岩石的损伤因子低于0.005 4时,损伤增量因子与非均匀系数的响应关系不明显;当损伤因子高于0.005 4时,损伤增量因子随着非均匀系数的增大而急剧增大,此时岩石非均匀性对损伤因子的影响不容忽视。     

岩石在复杂荷载下的细观损伤模型

采用微裂纹扩展域的概念，准确地描述了岩石中微裂纹的损伤状态，解决了任意复杂加载路径下的岩石损伤演化问题，用有效场方法来计算岩石损伤柔度张量，反映了岩石微裂纹之间的相互作用。     

弹塑性耦合应变定义与本构方程

岩石屈服之后,弹性参数随塑性变形而变化,即岩石具有弹塑性耦合特征。在弹塑性耦合框架和现有应变分类、定义、本构方程研究的基础上,主要做了以下工作：结合岩石压缩试验,从损伤和塑性变形角度分析了弹性参数随塑性演化的现象;重点研究了加载增量步的应变特征,将与加载应力增量对应的应变增量分解为符合广义Hooke定律的弹性应变增量 、不符合广义Hooke定律的弹性应变增量 和塑性应变增量 ;通过采用加载增量步之后的弹性参数将 与 构造弹性关系,分别在应变空间和应力空间中建立了适用于加载、中性变载和卸载条件的本构方程;对表征物质微观结构变化的内变量进行了讨论。所提出的应变分类和定义方法概念清晰,适合于应变强化阶段和应变软化阶段,且所建立的弹塑性耦合本构方程能够反映不同加载条件对弹性参数变化速率的影响,符合岩石的弹塑性耦合力学特性。     

爆破荷载作用下岩体损伤破坏的分形研究

通过对现有损伤参量的定义方法的分析,尝试采用分形维数作为表征岩石损伤的参量,建立分形维数与损伤程度的相对关系。根据盒维数算法思想及数字图像存储原理,编写了基于Matlab的数字图像的简易盒维数算法。结合实际工程爆破施工,采用数字式全景钻孔摄像系统进行了现场测试。通过对实测的爆前、爆后岩体的影像资料进行裂纹提取及图形处理,得到了爆破前后岩体损伤裂纹对应的分形维数,确定了爆破作用下所产生的损伤增量。结果表明,用分形维数来描述岩石的损伤,克服了其他定义方法涉及过多岩石特性参数的不便,其结果为研究岩石的损伤程度及演化过程,探索了一条新的途径。     

循环冲击下波阻抗定义岩石损伤变量的研究

在动静组合加载试验系统上,对有轴向预应力的岩石进行循环冲击时无法测量其声波波速,以致于不能用声波波速值的变化研究此过程中岩石的损伤演变特性,为此提出了基于岩石波阻抗定义其损伤变量的方法。在理论上证明裂隙岩石的密度和纵波波速间具有良好的正向相关性,在同一损伤过程中,岩石的波阻抗与其纵波波速的相对变化量接近,根据密度和纵波波速都能反映岩石损伤的现实,得出基于岩石波阻抗定义岩石损伤的方法是可行的结论,并给出其定义损伤变量的表达式。根据一维应力波理论,推导出由入射波和反射波或透射波求解波阻抗的表达式。对利用霍布金森压杆装置进行试验时应力波在岩石试件两界面间多次透反射的过程进行了分析,在此基础上,确定了由试验数据计算循环冲击过程中岩石波阻抗的方法。对岩石试件进行了无初始应力的循环冲击试验,测量了岩石在每次冲击后的纵波波速,得出了基于波阻抗和纵波波速定义的损伤变量具有相同的变化趋势的结论,并分析了二者之间有差别的原因。研究结果表明,在入射能大小接近的循环冲击过程中,利用波阻抗定义岩石损伤变量的方法是可行的     

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。     

峰后裂隙岩石非线性损伤特性与数值模拟研究

在地下洞室、隧道等工程中,裂隙岩石峰值强度后的损伤破坏特性及演化机制对控制围岩稳定至关重要,目前,对岩石峰后的损伤破坏特性研究不充分,认识不全面,易出现大体积塌方、大变形等工程事故。针对峰后裂隙岩石的力学性质,开展室内三轴试验,分析其非线性损伤破坏特性;假设岩石损伤满足Weibull分布规律,引入损伤变量,推导出峰后裂隙岩石非线性损伤破裂本构方程;将上述本构方程与能量耗散原理、应变能密度理论相结合,建立了峰后裂隙岩石的非线性损伤破坏准则;采用FISH语言开发了基于上述破坏准则的峰后岩石损伤破裂计算程序,用连续的方法模拟分析了峰后裂隙岩石的非连续损伤破裂过程,揭示了裂隙岩石峰后损伤破坏特性及其演化规律,并与裂隙岩石的三轴压缩试验结果进行了对比。结果表明:上述本构方程与判别准则能较好地模拟峰后裂隙岩石非线性损伤破裂过程。为有效控制围岩稳定提供一种新的理论分析手段。     

岩石的三维定量结构分析方法

岩石的三维定量结构分析方法刘嵘（中国地质大学地球科学学院,武汉,４３００７４）Ｘ光ＣＴ是一种非破坏性的探测不透明固体内在特征的技术。它能形成二维图片,图片上的明暗特征与内部物质对Ｘ光的吸收程度有关,这种吸收性主要决定于物质密度的差异。ＣＴ技术首图１扇...     

考虑温度效应的岩石损伤内时本构关系

本文根据岩石类材料受载时的损伤破坏机理,首次引入两个损伤变量 D_1和 D_0用以反映外载荷体量和偏量的作用,在内时理论的基础上建立起考虑温度效应的岩石损伤本构方程,并导出具有明确物理意义的本构方程增量型关系式。在不同温度下用大理岩试样进行了压缩实验和声发射实验。根据实验所得结果,确定了本构方程中材料的所有参数,得到了大理岩材料受温度影响其性质发生变化的一些有意义的结论。     

利用CT扫描技术进行冻土研究的现状和展望

介绍了CT扫描技术的特点, 回顾了利用CT扫描试验进行冻土研究的历史和现状, 包括研制与CT配套使用的用于冻土的辅助设备、 利用CT数进行冻土内部结构变化分析、 利用CT数定义损伤并进行损伤演化研究、 利用CT图像进行细观结构分析等, 总结了冻土研究领域的代表性成果. 最后, 指出在现有的技术条件下利用CT扫描技术进行冻土研究所遇到的问题、 以及可能的解决办法. 其中, 着重介绍了高质量CT图像的获取、 CT数的变化与冻土试样感兴趣区域内的各组分变化的联系、 冻土CT图像的数字化处理方向. 结果表明: CT扫描技术是现阶段对冻土内部细观结构进行无损检测的最理想有效的技术之一, 借助辅助设备及图像数字化处理, 势必对冻土领域的研究发展起到更大作用.     

基于CT图像直方图技术的冻结岩石未冻水含量及损伤特性分析

未冻水含量是影响岩石低温冻结过程中热力学性质的重要因素, 是冻土科学研究中的重要问题. 采用CT无损识别技术进行不同温度梯度下岩石CT扫描实验, 获得了20℃、-2℃、-5℃、-10℃、-20℃、-30℃下岩石的CT扫描图像. 以数字图像处理理论为依据, 运用CT图像直方图技术进行不同温度梯度下冻结岩石CT图像解析, 完成了冻结岩石未冻水含量及损伤信息的定量分析. 研究结果表明: -2~-5℃是岩石内未冻水含量急剧减小的温度区间; 当温度降到-10℃时, 岩石内未冻水全部冻结成冰. 根据CT数直方图峰形形状可判别低温环境下冻结岩石的损伤大小及分布均匀性. 论文所提出的冻结岩石CT图像直方图技术为定量分析不同温度梯度下冻结岩石未冻水含量、损伤扩展随温度的变化规律提供了新的方法和思路.     

爆炸荷载作用下裂隙岩体内损伤范围的观测研究

通过电法CT成像技术,探测微量炸药爆炸前后裂隙岩体深孔之间电阻率的变化,查明探测切面内的岩体损伤裂隙发育形态和空间展布。通过实验可知：微量炸药爆炸后在裂隙岩体的炮孔深部可以形成一定范围、一定数量和一定宽度的裂隙,其中裂隙形成的区域主要集中在炮孔口深的2/3处,当炮孔深度3 m,装药量为330 g时,在眼深1.5～2.5 m处裂隙较为发育,炮孔间距为1.2 m～1.5 m时,可在岩体内部形成贯通裂隙。     

图像测量技术在岩土工程CT图像定量分析中的应用

首先对计算机层析成像技术(CT技术)原理进行了简单的介绍,基于图形图像处理技术,引入了数学形态学中图像平移、反射、腐蚀、膨胀等运算方法,基于定义的兴趣域边界提取算法和形状因子实现了其几何测量和空间描述,定量分析了CT图像兴趣域的空间物理特性.该方法异于以往数学建模的思路,而是借用数学形态学中空间几何描述的思想,以实现对岩土体中的天然缺陷及其演化过程进行合理刻画.该项工作对于推动岩土工程CT图像定量化描述具有一定意义.     

Numerical experimental study on failure process of sandstone containing natural damage under freeze-thaw cycle北大核心CSCD

Natural damage such as fissures and pores make the rock microstructure show strong heterogeneity,which influences the failure process and mode. In this paper,the numerical test of freeze-thaw sandstone splitting failure with natural damage was carried out based on CT non-destructive identification technology,combined with digital image processing technology and CASRock numerical simulation software. The analysis of splitting failure mode,deformation localization and crack evolution process of freeze-thaw sandstone with natural damage reveals the failure mechanism of sandstone with natural damage under freeze-thaw and load. The results show that the expansion of primary pores（cracks）and the formation of new pores in sandstone are the main forms of freeze-thaw rock failure evolution. The failure of rock containing natural damage under freeze-thaw and load is related to the degree and distribution of natural damage. The generation of secondary cracks mostly occurs in natural damage-intensive areas. During the loading process,the stress in the localized damage zone is far greater than sandstone’s overall stress,and rock’s failure in the localized damage zone is synchronized with the energy release and stress release in the region. Localized damage reflects the evolution of cracks in rocks and helps to predict the direction of sandstone crack development. The failure mode of rock is related to the number of freeze-thaw cycles. The freeze-thaw cycles make the sandstone with natural damage gradually change from brittle failure to ductile failure,and the change of the overall strength of the rock is a gradual deterioration process. © 2022 Science Press (China).     

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。     

大坂山隧道围岩冻融损伤的CT分析

为了研究大坂山隧道围岩的抗冻特性,将采自隧道Ｋ１０６＋４００截面处的岩样加工成２４块样品,样品的高度和直径均为５０ｍｍ。将样品分成４组,每组６个样品。根据《公路工程石料试验规程》中的岩石抗冻融,试样冻融后的抗压强度分别为７７．７１,６８．９５,６３．７７和５０．７７ＭＰａ,实验结果表明,该隧道围岩抗冻性能良好,不会由于冻融产生过快的风化,力学性能较稳定。此外,还利用对冻融产 试样进行了检测,检测结     

冻结温度对岩石细观损伤扩展特性影响研究初探

岩石冻融过程的细观损伤研究是近年来冻融损伤研究的一个新方向。岩石中的水分一般含有各种盐分，而盐分的存在降低了水的冰点，同时岩石本身的结构构造和力学性能也有差异性，这就使得岩石的冻结问题更为复杂，笔者采用三种不同岩样，首先，使其饱水；然后，将其分别降低到0℃，-10℃和-20℃，利用CT扫描实验技术，研究了不同冻结温度条件下岩石内部的细观损伤扩展机理、水分迁移、冰的形成及其损伤结构的变化。利用区段划分的手段和区段统计频率，分析了损伤演化过程，对寒区岩土工程的研究具有一定的指导意义。     

岩石单轴受力CT识别损伤本构关系的探讨

对岩石在单轴受力状态下的损伤扩展进行CT扫描，分别利用CT扫描和Lemaitre等效应变假设计算其损伤变量。损伤本构关系分析表明，Lemaitre等效应变假设采用不同形式损伤变量时，既有形式上的差异，又有其内在的联系。     

CT扫描确定土壤大孔隙分布

对含有各种大孔隙的原状土柱和已知直径大孔隙的填充土柱进行CT扫描实验,阐明CT扫描原理和过程,对CT图像进行处理,得到大孔隙数目、大小、形状和连通性在土柱横断面和纵断面上的分布.采用图像处理软件Photoshop、地理信息系统软件ARC/INFO和Mapinfo分析结果表明:CT扫描是一种有发展前景的、非破坏性的确定土壤大孔隙分布的方法.