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岩石单轴压缩破坏过程的CT试验研究

王彦琪  
【摘要】:一直以来,岩石的破坏过程,作为岩石力学研究的基本内容,受到了岩石力学研究学者和工程技术人员的普遍关注,这也从根本上促进了岩石力学学科的不断发展。但是,无论是全应力—应变曲线对岩石破坏过程的描述,还是基于损伤理论的各种损伤变量,以及建立在格里菲斯(Griffith)能量平衡理论基础上的断裂力学,对岩石破裂的细观过程和基本机理,都没有给出一种为大家所公认的解释。 本文正是为了探究岩石破裂过程中,其内部微细观破裂的发展和演化过程,而展开的一系列试验性研究工作。主要是利用自主设计研制的微型单轴煤岩试验机,配合我校显微CT实验室的μCT225KVFCB型高精度显微CT系统,对煤岩试件在单轴压缩载荷作用下的变形破坏过程进行了实时的监测,并借助试验获得大量显微CT图像,分析岩石变形破坏的细观过程和内部破裂演化的基本规律。 文章首先介绍了CT技术的基本原理和μCT225KVFCB型高精度显微CT系统,交代了自主设计研制的微型单轴煤岩试验机的工作原理和基本结构,以及与显微CT系统的配合使用方法。 之后,作者又进行了一系列煤、砂岩和水泥砂浆试件的单轴压缩试验,分析研究了不同岩土材料的破坏过程和破坏规律。并利用显微CT系统对煤样、水泥砂浆试件的单轴压缩试验进行了全程的实时监测,从细观层次上分析研究了试验过程中煤样、水泥砂浆试件的变形破坏过程和基本规律。 主要针对显微CT系统实时监测煤岩单轴压缩破坏过程中,因位移的误差会引起扫描试样的定位不准确,影响试验结果的这一问题,创造性地引入了计算机图像检索技术,并且具体提出了针对CT图像的图像检索计算方法。结果表明,基于Manhattan距离的CT图像相似性检索算法,能够在煤岩试件单轴压缩试验的众多CT图像中,检索出煤岩试件同一层位在不同应力状态下的CT图像,检索的结果真实可靠。在此基础上,作者还编制了基于Vasiual Basic6.0语言的计算机程序,实现了图像检索计算过程的自动化。 这种图像检索的概念,为CT图像的处理提供了新思路,也为借助CT图像系统地分析研究煤岩试件单轴压缩过程中的微裂纹分布状况和演化规律,提供了可靠的技术支持。 利用课题组开发的CT图像处理程序,重构建立了水泥砂浆试件单轴压缩试验过程中的剖面CT图像。对这些剖面CT图像,进行了有针对性的分析,更加清晰地反映了试件在单轴压缩破坏过程中的细微观变化规律。 提出了基于CT图像的破裂度概念,即CT图像中孔隙像素点所占的百分比。从基于CT图像的破裂度概念出发,统计分析了水泥砂浆试件在单轴压缩过程中的破裂度变化规律。分析发现,水泥砂浆试件单轴压缩破坏过程中的内部破裂结构,大量产生于试验过程中的屈服变形阶段,宏观破裂在进入残余变形阶段之前已经基本形成。 经过对大量CT图像的分析发现,当背景CT阈值μ在0.025~0.035范围时,便能够很好地分辨出水泥砂浆试件CT图像中的破裂孔隙单元和实体单元。通过选定的CT阈值,对试验中的CT图像进行了二值化处理,并借助二值化的CT图像,探讨了水泥砂浆试件在单轴压缩破坏过程中的一些基本规律。


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