基于CT图像的岩石破裂过程裂纹分形特征分析

基于CT图像处理技术的混凝土细观破裂分形分析
田威;党发宁;陈厚群
【期刊名称】《应用基础与工程科学学报》
【年(卷),期】2012(20)3
【摘要】以单轴压缩条件下混凝土细观损伤演化的CT图像为研究对象,借助于数字图像处理技术对CT图像进行了阈值分割,提取出了图像中的裂纹形态,分析了单轴压缩条件下混凝土内部微裂纹的萌生、扩展和贯通的全过程,并利用差分盒维数法估算出图像裂纹扩展的分形维数.在此基础上,获得了载荷、扩展裂纹及分形维数三者之间的关系.结果表明:在单轴压缩条件下,定义的分形维数随着裂纹的扩展逐渐增加,可将细观结构分形维数作为研究混凝土细观裂纹扩展的定量参数.
【总页数】8页(P424-431)
【关键词】混凝土;CT图像;裂纹扩展;图像处理;分形维数
【作者】田威;党发宁;陈厚群
【作者单位】长安大学建筑工程学院;西安理工大学岩土工程研究所;中国水利水电科学研究院工程抗震中心
【正文语种】中文
【中图分类】TU22
【相关文献】
1.基于CT扫描试验及数字图像处理的混凝土宏细观建模研究 [J], 王梦蔚;卢广达;黄丹
2.基于CT图像的建筑混凝土破裂细观结构智能处理分析 [J], 赵亮;李昌华;党发宁;陈登峰;毛建东
3.基于 CT 处理技术的岩石细观破裂过程的分形分析 [J], 王巍;刘京红;史攀飞
4.基于数字图像处理的岩石细观破裂力学分析 [J], 于庆磊;唐春安;朱万成;刘红元;梁正召
5.基于CT图像的再生混凝土细观破坏裂纹分形特征 [J], 商效瑀;杨经纬;李江山因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

基于CT的岩石三维裂隙定量表征及扩展演化细观研究一、本文概述随着科学技术的发展，尤其是计算机断层扫描（CT）技术的广泛应用，岩石内部细微结构的研究进入了全新的阶段。

岩石作为一种典型的非均质材料，其内部存在着大量复杂的裂隙结构，这些结构对岩石的物理力学性质具有重要的影响。

因此，对岩石裂隙进行定量表征及扩展演化的细观研究，对于理解岩石的力学行为、预测地质灾害、优化岩石工程设计等都具有重要的理论和实践意义。

本文旨在通过基于CT的岩石三维裂隙定量表征及扩展演化细观研究，深入探讨岩石内部裂隙的三维几何特征、分布规律以及在外界条件作用下的扩展演化过程。

研究内容包括但不限于：利用CT技术获取岩石内部裂隙的三维图像数据，通过图像处理和分析技术提取裂隙的几何参数，建立裂隙的三维模型；分析裂隙在不同尺度下的分布规律和统计特性，揭示裂隙网络的复杂性；研究在外部应力、温度、渗流等条件下，裂隙的扩展演化规律和机制，预测岩石的破坏行为。

本文的研究方法和技术手段包括CT扫描技术、图像处理技术、三维建模技术、统计分析方法以及数值模拟技术等。

通过这些方法的综合运用，期望能够实现对岩石裂隙的精确表征和深入理解，为岩石力学和相关领域的研究提供新的思路和方法。

本文的研究结果也将为岩石工程的实践提供有益的参考和指导。

二、岩石三维裂隙CT扫描技术与数据处理岩石的三维裂隙定量表征首先依赖于高精度的CT扫描技术。

CT 扫描技术，即计算机断层扫描技术，以其非破坏性、高分辨率和强大的三维重建能力，在岩石力学、地质工程和其他相关领域得到了广泛应用。

CT扫描通过获取物体内部不同角度的射线投影图像，再经过特定的算法重构出物体的内部三维结构，为岩石内部裂隙的精细观察提供了有力手段。

在岩石CT扫描过程中，首先需要对岩石样品进行预处理，如表面清洁、固定和标记等，以确保扫描结果的准确性和可对比性。

随后，将岩石样品置于CT扫描设备中，通过精确控制扫描参数，如射线能量、曝光时间、扫描角度等，获取高质量的投影图像数据。

第27卷 增1岩石力学与工程学报 V ol.27 Supp.12008年6月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering June ，2008收稿日期：2007–01–30；修回日期：2007–05–16基金项目：国家自然科学基金资助项目(50649028，50679073)；国家自然科学基金重点项目(90510017)作者简介：尹小涛(1975–)，男，1998年毕业于西安地质学院水文地质与工程地质专业，现为博士研究生，主要从事岩土工程数值分析及岩土细观CT 实验条件下砂岩破裂分形特性研究尹小涛1，王水林1，党发宁2，丁卫华2，陈厚群2，3(1. 中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071；2. 西安理工大学 岩土工程研究所，陕西 西安 710048；3. 中国水利水电科学研究院，北京 100044)摘要：利用单轴压缩条件下砂岩CT 资料，对有裂纹出现的σ = 20.59～31.03 MPa 阶段的CT 图像利用所设计的裂纹提取滤波器进行裂纹提取操作，其中提取阈值，是在进行敏感性分析后选定的。

在所取得的裂纹二值化图像的基础上，利用码尺法、盒计数法、小岛法和Sandbox 法对各载荷步下裂纹面积和长度的分维数进行了计算。

最后，对裂纹分维数随加载过程的变化进行分析，利用分维数的演化信息讨论砂岩破裂的分形特性。

关键词：岩石力学；砂岩；分形；分维数；裂纹中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2008)增1–2721–06STUDY ON FRACTAL CHARACTERISTICS OF SANDSTONEDAMAGE-FRACTURE UNDER CT TEST CONDITIONYIN Xiaotao 1，WANG Shuilin 1，DANG Faning 2，DING Weihua 2，CHEN Houqun 2，3(1. State Key Laboratory of Geomechanics and Geotechnical Engineering ，Institute of Rock and Soil Mechanics ，Chinese Academy of Sciences ，Wuhan ，Hubei 430071，China 2. Institute of Geotechnical Engineering ，Xi ′an University of Technology ，Xi ′an ，Shaanxi710048，China ；3 Chinese Institute of Water Resource and Hydropower Research ，Beijing 100044，China )Abstract ：Firstly ，cracks located in the CT images scanned at the stages of stress changing from 20.59 MPa to 31.03 MPa are obtained from the images by means of CT data about sandstone under the uniaxial compression condition. The filter designed in the paper is used to pick up cracks ，in which the threshold value is determined after sensitivity analysis. Based on these binary images of crack under each loading step condition ，the fractal dimension of area and length of the crack in the sandstone are computed by the methods of yardstick ，box-counting ，island and sandbox. Finally ，the relation between the fractal dimension of crack and the loading process is analyzed ，and the fractal feature on the damage and fracture of sandstone is discussed through the evolution information of the fractal dimension.Key words ：rock mechanics ；sandstone ；fractal ；fractal dimension ；crack1 引 言岩石是一种具有特殊物理力学性质的含天然损伤的地质材料，天然缺陷多产生于成岩作用过程、各类地质构造作用过程和人类侵扰活动，经历了漫长的地质历史演化和人类文明的发展过程。

基于工业CT扫描的岩芯裂缝结构表征
工业CT扫描作为一种无损检测技术，被广泛应用于岩芯测井
图像分析领域。

利用CT技术可以非常直观地获得岩芯内部的
结构信息，其中包括岩芯中的裂缝结构。

岩芯裂缝结构的表征可以为地质勘探研究提供重要的信息，进而指导石油勘探开发活动。

基于工业CT扫描技术，可以实现对岩芯中的裂缝结构进行三
维可视化，从而更加全面地了解它们的形态和分布。

首先，
CT图像可以提供较高的空间分辨率，部分情况下甚至可以达
到亚毫米级别，这对于裂缝尺寸的测量十分有利。

其次，岩芯中的裂缝具有不同的形态和分布，工业CT扫描技术可以精确
地重构出三维裂缝结构，如裂缝的长宽比、角度、分布密度等。

最后，对于某些特殊的情况，比如岩芯中存在微细的裂隙，
CT技术可以通过增强对比度等手段实现其有效检测。

岩芯中的裂缝结构表征是岩相学、地质力学、油气地质等多学科研究的重要内容。

其中，岩相学主要关注岩体中微观结构和组成的研究，而岩芯中的裂缝作为一种重要的微观结构，对于不同类型的物性参数表征具有重要的作用。

地质力学则更注重于岩芯中裂缝对于岩石力学强度和稳定性的影响，分析岩芯的裂缝结构能够帮助我们更好地理解裂缝的传播规律和破坏机理。

在油气地质方面，岩芯中裂缝的表征可以为油气储层评价和开发提供有价值的参考。

总之，工业CT扫描技术是岩芯裂缝结构表征中一种高效、准
确的方法，它能够为地质勘探和油气开发提供重要的信息。

结
合其他地质学和工程学方法，如SEM、X射线衍射等，可以实现对于岩芯组成和结构的全面分析，帮助人们更好地了解地球内部的构造和演化过程。

基于模式跟踪和路径搜索的岩心CT序列图像裂缝分割
李博;熊淑华;滕奇志
【期刊名称】《计算机应用》
【年(卷),期】2022(42)S01
【摘要】岩心计算机断层扫描(CT)序列图裂缝分割是数字岩心裂缝分析的前提。

针对传统基于阈值和形态特征的分割方法难以有效对裂缝目标进行批量分割的问题,提出一种基于裂缝位置连续性的裂缝分割方法。

首先,利用人工交互对首帧图像进
行分割,获得参考模式;其次,对相邻帧进行阈值分割,并将分割结果与参考模式进行与运算和或运算,获得去除噪声的裂缝位置模式;最后,在裂缝位置模式内搜索相邻帧中的裂缝目标连通域,并采用A*算法对断裂的裂缝目标进行连接,形成完整的裂缝目标。

对于交叉缝,采用8邻域特征模板提取交叉点,将交叉缝分割简化为单裂缝分割。

实验结果表明,所提方法能够在去除噪声的同时对单裂缝和交叉缝进行批量完整分割。

【总页数】6页(P327-332)
【作者】李博;熊淑华;滕奇志
【作者单位】四川大学电子信息学院
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.41
【相关文献】
1.基于最大类间方差遗传算法的岩心CT扫描图像分割方法
2.一种改进的基于遗传算法优化的OTSU算法在岩心CT扫描图像分割中的应用
3.基于光流网络模型的
岩心CT序列图像裂缝分割4.基于裂缝平移的岩心CT序列图像裂缝批量提取5.基于Hessian矩阵和熵的CT序列图像裂缝分割方法
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图像的岩体裂隙识别及爆破块度预测研究本次研究的主要目的是利用数字图像处理的方法对岩体的裂隙进行识别，并通过数据分析与计算，预测出爆破后岩体的块度。

本文主要从以下几个方面进行探讨。

一、研究背景针对岩体爆破的方案设计和效果评估，需要提前对岩体的结构与属性进行研究，其中岩体裂隙是岩体结构重要组成部分，需要进行深入的识别和分析。

同时，为了掌握爆破后块度的情况，需要进行预测试验及计算分析。

二、数据采集本研究采用了数字图像技术，通过高清晰度的拍摄仪器在现场采集大量石材的照片，并借助计算机软件对照片进行了处理和分析，得出石材的彩色图像，以及石材之间的分割情况、裂隙的分布情况等参数。

三、数字图像处理与分析本研究采用了MATLAB软件对图像进行处理和分析。

对于采集到的石材图像，首先进行了去噪和增强处理，然后利用灰度共生矩阵的方式提取了图像的特征值。

在特征值分析的基础上，通过阈值分割算法将图像分为裂隙和石头两个部分，然后计算裂隙的长度、宽度及其百分比等参数，为后续研究提供了数据基础。

四、数据分析与建模本研究采用了支持向量机（SVM）的算法对研究数据进行了建模。

将图像处理和分析得到的参数作为输入，爆破块度作为输出，构建SVM模型进行数据训练。

最终成功得出了爆破前块度与岩体的裂隙特征之间的关系，为矿山工程爆破设计提供了可靠的科学依据。

五、总结本次研究成功应用了数字图像处理技术和数学计算方法，对岩体裂隙进行了识别和分析，同时预测出了岩体的爆破块度。

研究成果可为矿山工程的爆破设计提供指导意义，为了安全高效的开采提供了理论基础和实践经验。

未来可通过进一步的研究完善模型，加强数据的准确性和可靠性，并进行更加复杂多样的爆破方案模拟和优化策略。

基于CT图像的岩石破裂过程裂纹分形特征分析刘京红;姜耀东;赵毅鑫;祝捷【摘要】The rock material features random distribution's microscopic hole and cracks. The rock macroscopic breaks are closely related to the internal microcrack's distribution as well as their growth and opening. The change of the rock material's internal hole and the slit region size distribution along with the stress change process were clearly observed through analysis of the rock CT images. The fractal dimension was used to analyze the fracture growth to the rupture process of rock. The rock breakage mechanism was revealed through analysis of the creation, growth and opening of rock crack. This analysis introduces the microscopic hole and the crack distribution to the mesomechanic model accurately and builds the foundation to connect the rock material's internal structure and the macroscopic mechanical properties.%岩石材料存在不同阶次随机分布的微观孔隙和裂纹,其受载后的宏观断裂失稳和破坏与内部微裂纹的分布以及微裂纹的产生、扩展和贯通有密切关系.通过对岩石CT图像中各点材料进行分析,清晰地看到岩石材料中孔洞及裂纹区域的大小分布随应力的变化过程.利用分形维数对裂纹扩展至破裂过程进行分析,揭示岩石裂纹从萌生、扩展到贯通的细观破损机理.为把微观孔隙和裂纹的分布更准确地引入细观力学模型,从而将岩石材料的内部结构与宏观力学性质相关联打下基础.【期刊名称】《河北农业大学学报》【年(卷),期】2011(034)004【总页数】4页(P104-107)【关键词】分形维数;细观力学;CT图像;岩石;裂纹扩展【作者】刘京红;姜耀东;赵毅鑫;祝捷【作者单位】河北农业大学城乡建设学院,河北保定071001;中国矿业大学力学与建筑工程学院,北京100083;中国矿业大学力学与建筑工程学院,北京100083;中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京100083;中国矿业大学力学与建筑工程学院,北京100083;中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京100083;中国矿业大学力学与建筑工程学院,北京100083;中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京100083【正文语种】中文【中图分类】TU457作为一种复杂的地质材料,岩石材料是具有非均质的不连续的多相复合结构,而且存在着大量各种随机分布的天然缺陷,因此岩石的物理力学特性通常表现为各向异性及非线性。

㊀第46卷第3期煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报Vol.46㊀No.3㊀㊀2021年3月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYMar.㊀2021㊀基于实时CT 扫描的岩石真三轴条件下三维破裂演化规律李兆霖1,2,王连国3,姜崇扬3,陆银龙3,李文帅4(1.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州㊀221116;2.中国矿业大学露天矿山高新技术研究中心,江苏徐州㊀221116;3.中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州㊀221116;4.山东科技大学土木工程与建筑学院,山东青岛㊀266590)摘㊀要:实时准确掌握岩石破坏全过程中内部裂隙扩展演化规律,对于科学指导地下岩体工程稳定性控制,推动矿山资源安全开采具有重要的工程意义㊂研制一套能够与CT 扫描系统配套的真三轴加载试验设备,位于CT 扫描区域的设备部件均采用新型碳纤维材料的设计,包含竖向加载系统㊁横向加载系统㊁真三轴压力室等核心部件,使得X 射线能够有效通过装置中预先设计的CT 扫描区域,实现了真三轴应力环境下实时CT 扫描的功能㊂利用该设备开展了三轴不同应力条件下完整岩石和含裂隙岩石加载实时CT 扫描试验,获得了整个加载过程中岩石应力-应变曲线㊂获取了不同工况下岩石内部裂纹形态的空间三维CT 特征,结果发现:与CTT 条件下岩石内部裂纹复杂的空间扩展形态相比,TTT 条件下岩石内部裂纹空间形态简单,为一沿σ2方向的平面裂纹㊂说明了真三轴条件下岩石内部裂隙具有明确的扩展方向(沿σ2方向扩展)㊂TTT -c2(含裂隙且沿σ2方向)和TTT -c3(裂隙沿σ3方向)2种工况下岩石内部均出现了4条萌生裂纹,但前者萌生裂纹均与预制裂纹前缘线共面,而且预制裂纹面仍然基本保持完整;后者均与预制裂纹前缘线垂直,呈现横切预制裂隙的趋势,最终形成了复杂的裂隙网络,导致预制裂隙多处出现挤压破坏㊂真三轴3种工况下所有的裂纹倾角分布极为集中,均与σ2方向大致平行,表明了中间主应力对岩石内部萌生裂纹扩展方向起到决定性的作用,岩石内部裂隙扩展发育过程强烈依赖中间主应力方向㊂关键词:岩石;真三轴;实时CT ;裂隙扩展;空间三维重构中图分类号:TD315㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀文章编号:0253-9993(2021)03-0937-13移动阅读收稿日期:2020-12-16㊀㊀修回日期:2021-02-20㊀㊀责任编辑:黄小雨㊀㊀DOI :10.13225/ki.jccs.YT20.1964㊀㊀基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2020QN42)㊀㊀作者简介:李兆霖(1990 ),男,河南巩义人,博士后㊂E -mail:lzhlcumt@163．com ㊀㊀通讯作者:王连国(1964 ),男,山东高唐人,教授㊂E -mail:cumt_lgwang@163．com㊀㊀引用格式:李兆霖,王连国,姜崇扬,等.基于实时CT 扫描的岩石真三轴条件下三维破裂演化规律[J].煤炭学报,2021,46(3):937-949.LI Zhaolin,WANG Lianguo,JIANG Chongyang,et al.Three-dimensional fracture evolution patterns of rocks under true triaxial conditions based on real-time CT scanning[J].Journal of China Coal Society,2021,46(3):937-949.Three-dimensional fracture evolution patterns of rocks under true triaxialconditions based on real-time CT scanningLI Zhaolin 1,2,WANG Lianguo 3,JIANG Chongyang 3,LU Yinlong 3,LI Wenshuai 4(1.School of Mines ,China University of Mining &Technology ,Xuzhou ㊀221116,China ;2.High-Tech Research Center for Open Pit Mines ,China University of Mining and Technology ,Xuzhou ㊀221116,China ;3.State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering ,China University of Mining &Technology ,Xuzhou ㊀221116,China ;4.School of Civil Engineering and Architecture ,Shandong University of Science and Technology ,Qingdao ㊀266590,China )Abstract :The real-time and accurate grasp of the internal fracture expansion and evolution law in the whole process of rock failure is of great engineering significance for scientifically guiding the stability control of underground rock engi-neering and promoting the safe mining of mineral resources.A set of true triaxial loading test equipment that can be煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报2021年第46卷matched with the CT scanning system has been developed.The equipment components located in the CT scanning area are designed with new carbon fiber materials,including core components such as vertical loading system,lateral loading system,true triaxial pressure chamber,etc.,so that X-rays can effectively pass through the pre-designed CT scanning area in the device.The function of real-time CT scanning under true triaxial stress environment is realized.This equip-ment is used to carry out real-time CT scanning tests of intact rock and rock with fractures under triaxial different stress conditions,and obtained the rock stress-strain curve during the entire loading process.The spatial three-dimen-sional CT characteristics of the internal cracks in the rock under different working conditions are obtain,and the results show that:compared with the complicated spatial expansion of the internal cracks in the rock under the CTT condition, the spatial morphology of the internal cracks in the rock under the TTT condition is simple,which is a plane crack a-longσ2directions.It shows that under true triaxial conditions,the internal fractures of the rock have a clear expansion direction(expanding along theσ2direction).Four initiation cracks appeared in the rock under the two conditions of TTT-c2(with cracks along theσ2direction)and TTT-c3(cracks along theσ3direction).However,the initiation cracks of the former are all coplanar initiation cracks with the front edge of the pre-crack,and the pre-crack surface re-mains basically intact.The latter are all perpendicular to the front of the pre-crack,showing a trend of transversely cut-ting the pre-crack.Eventually a complex network of fractures is formed,resulting in more prefabricated fractures and backlog damage.Under the three working conditions of true triaxial,all the crack inclination angle distributions are ex-tremely concentrated,which are roughly parallel to theσ2direction.It shows that the intermediate principal stress plays a decisive role in the propagation direction of initiating cracks in the rock,and the propagation and development process of the internal rock cracks strongly depends on the direction of the intermediate principal stress.Key words:rocks;true triaxial;real-time CT;fracture extension;three-dimensional reconstruction㊀㊀巷道等地下工程开采过程中往往面临着复杂的围岩应力状态变化,致使岩石发生破裂[1]㊂岩石破裂的本质是其内部裂纹扩展发育并逐渐贯通,进而引起宏观承载能力逐步劣化的力学过程[2]㊂实时准确掌握岩石破坏全过程中内部裂隙扩展演化规律,对于科学指导深部地下岩体工程稳定性控制,推动深部矿山资源安全开采具有重要的工程意义[3]㊂相关学者采用多种手段实时监测岩石破裂演化全过程㊂秦昌安等[4]利用高速相机实时观测了试样破裂全过程中裂隙扩展规律㊂苏方声等[5]结合了数字图像相关方法实时捕捉了试样起裂㊁扩展贯通全过程中表面变形场演化规律㊂NGUYEN等[6]通过DIC 技术量化了裂纹扩展模式㊂ZHANG[7],SONG[8]等均有相关研究㊂LU等[9]采用高速显微观测结合DIC 技术进一步从细观角度研究裂隙扩展规律㊂显然上述方法仅能对试样表面破裂演化情况进行实时观察,具有明显的局限性㊂为实现岩石内部破裂过程的实时监测,相关学者探索使用声发射(AE)定位等间接方法研究试样内部裂隙演化规律㊂其基本原理是捕捉岩石破裂过程中释放的应变能(即AE信号),通过声发射计数和振幅等参数的反演间接推测岩石内部破裂空间分布规律[10]㊂QIN[11],YAO[12]等基于声发射定位技术分析了岩石内部裂隙扩展规律㊂刘飞跃等[13]利用声发射空间三维定位信息反演了岩石破裂动态应力场变化㊂声发射定位技术目前已在室内岩石试验和现场微震监测等方面获得了广泛的应用㊂但是这种利用声波等信号受到外界环境干扰等作用明显,其反演得到的裂隙定位精度较低,裂隙分布信息精度不足㊂尽管王志明等[14]通过改进算法提高对声发射源的空间定位精度,然而由于在岩石内部微破裂是不可见的,导致声发射结果无法直接与微破裂建立关系[15],无法获得直观的裂隙扩展可视化图像㊂为了更清晰直观地分析岩样内部破裂行为,近年来具有能够无损探测物体内部任意断面结构的X射线CT扫描技术被引入到了岩石力学试验研究中[16],并成为了岩石力学研究领域的一个热点问题[17]㊂CT 扫描监测技术能够实现对试样内部空间结构形貌特征的高效㊁无损透视,其为可视化地揭示岩石试样内部复杂的三维裂隙几何结构和分布形态提供了一种十分有效的手段[18]㊂许多学者尝试利用CT扫描技术来观测试验岩样内部裂纹的分布规律㊂YANG 等[19]利用CT研究了常规三轴压缩破裂后的大理岩试样内部裂隙分布形态㊂付裕等[20]对煤样进行CT 扫描,并对裂隙结构进行提取和三维重建,定量分析了试样内部裂隙空间展布规律㊂RAYNAUD等[21]基于CT扫描研究了三轴不同围压条件下岩样破坏特征,分析了岩样的脆延转化特征㊂郎颖娴[22]㊁郭东839第3期李兆霖等:基于实时CT 扫描的岩石真三轴条件下三维破裂演化规律明[23]㊁WANG [24]等采用CT 扫描手段分析了岩石破裂特征㊂以上这些CT 扫描试验研究大都是在试验完成以后的卸载试样上进行,未能实现将CT 扫描技术与试样加载环境有机结合,故无法获得岩石破坏全过程中内部裂隙扩展演化特征的CT 图像,这也极大地限制了CT 扫描技术在岩石力学研究中的应用[25]㊂只有将CT 扫描技术与相应的岩石力学加载系统有效协作,才能最大限度地将CT 技术应用于岩石破裂过程的研究中[26]㊂为实现这种结合,近年来,相关学者已积极探索了实时CT 扫描的岩石力学试验技术与方法㊂VIG-GIANI [27]利用X 射线能够穿透的三轴压力室,开展了常规三轴压缩条件下细粒硬土中剪切带演化规律的实时扫描试验㊂宋勇军等[28]开展了冻结红砂岩单轴压缩破坏CT 实时试验研究,分析了冻结岩样的损坏特征及演化规律㊂SUZANNE 等[29]利用CT 设备实时观测了岩石常规三轴压缩破坏过程,分析了岩石变形破坏特征㊂FENG [30],CHEN 等[31]利用LY12型轻金属材料加工制成的三轴压力室配合CT 装置,研究了常规三轴加载过程中岩石内部的损伤与破裂演化规律㊂FAN 等[32]开展了高温环境下的岩石实时X -ray 扫描试验,并定量分析了不同热处理方式下岩石细观结构变化规律㊂ZHAO [33]㊁冯子军[34]等基于CT 扫描技术研究了岩石经高温后细观损伤破裂特征㊂GLATZ [35]㊁王国营[36]㊁李江华[37]等利用CT 扫描技术定量分析了高温对岩石内部细观结构的损伤演化规律㊂然而,目前现有这些研究主要集中在单轴或常规三轴应力环境下的实时CT 扫描试验研究,而对真三轴加载环境下的实时CT 扫描试验研究尚未见报道㊂由于深部地下岩体工程中岩石均处于真三轴应力状态,因此发展一种能够对真三轴应力环境下的岩石内部裂隙扩展演化过程进行实时CT 扫描试验方法,对于深入和正确认识实际岩石工程中真三轴应力环境下岩石破裂特征与机制具有重要的意义㊂鉴于此,笔者提出并研制了一套能够与X 射线CT 扫描系统配套的岩石真三轴加载试验系统,首次实现岩石真三轴应力环境与CT 扫描系统的有机结合㊂利用该套系统开展真三轴应力环境下试样压缩破裂演化过程的实时CT 扫描试验,分析试样破裂过程中内部裂隙扩展演化规律,揭示岩石真三轴破裂演化机理㊂1㊀试验方法1．1㊀真三轴实时CT 加载装置该套试验装置主要由CT 机㊁竖向加载系统㊁横向加载系统㊁真三轴压力室㊁数据采集系统等多个部件组成(图1)㊂整体设计思路是将含有金属部件置于CT 扫描区之外,CT 扫描区内只保留能穿过X 射线的碳纤维等非金属材料㊂图1㊀真三轴实时CT 加载试验设备总体设计Fig．1㊀Overall design of the true three-axis real-time CT loading test equipment㊀㊀笔者所采用的CT 机是一台三维旋转式锥形束CT 机㊂主要由X 射线源㊁面阵探测器㊁旋转机架等组成㊂其中,X 射线源焦点尺寸为0．3mm,面阵探测器尺寸为193mm ˑ243mm,射线源与面阵探测器间水平距离为589mm㊂CT 扫描视场范围为153．6mm ˑ153．6mm ˑ151．2mm,对应的CT 切片图像像素为512piexl ˑ512piexl ˑ504piexl,每个像素的尺寸为0．3mm ˑ0．3mm㊂图2(a)所示竖向加载系统主要包括竖向加载框架㊁竖向加载活塞㊁竖向传感器等构成㊂其中竖向加载框架采用4个高抗拉强度的碳纤维材料制造的一体式异形立柱嵌套在上下金属横梁的设计方式,异形立柱端部为楔形结构㊂横向加载系统由2套正交的反力结构布置,主要由横向加载活塞㊁横向传感器㊁水939煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报2021年第46卷平反力梁㊁横向反力墙等构成㊂其中横向加载活塞采用同步双压头加载系统代替传统的单压头加载系统,并由同一台液压泵通过分流阀来控制,通过碳纤维材料制成的水平反力梁将压力(合力)传递至试样上㊂图2㊀真三轴实时CT 加载试验系统实物图和CT 扫描结果Fig．2㊀Physical diagram and CT scan results of the true three-axis real-time CT loading test system㊀㊀真三轴压力室(图2(b))采用了6块碳纤维板加工制成压板按照 错位互扣方式 放置[38],当试样受压产生变形时,6块碳纤维压板会随之发生互不干扰的错动来有效避免压板之间的相互挤压作用㊂试验系统采用称重式压力传感器实时采集试样σ1,σ2和σ3三个主应力方向的载荷变化㊂压力传感器与数据采集系统连接,数据采样间隔为1s㊂试样3个主应力方向的变形特征根据实时CT 扫描系列图像,利用图像处理方法来间接计算获得㊂图2(c)展示了有效CT 扫描区域,该区域中的CT 图像十分清晰且无伪影㊂1．2㊀试样制备试验所用的试样采自中国西部鄂尔多斯地区中生代侏罗纪-白垩系地层的泥岩,分为完整和含裂隙岩石2组试样㊂该泥岩呈灰色,层理不发育,质偏软,结构致密但胶结性差,遇水或潮湿空气后极易崩解㊂如图3所示,从现场采集到的大块完整无节理的泥岩体上进行切割加工制取岩样㊂试样为长方体,尺寸为25mm ˑ25mm ˑ50mm,岩样尺寸的加工误差不超过ʃ0．5mm㊂对切割获得的试样表面采用磨石机进行仔细研磨,使其表面光滑平整且每组对面相互平行,由此获得完整岩石㊂在制备好的完整长方体试样的基础上,利用线锯方法人工预制一条长度为7．5mm,宽度为2mm 的贯通裂隙,裂隙倾角为45ʎ,由此制成含裂隙岩石㊂1．3㊀试验方法本试验中,根据试样和应力条件共分为4种工况,编号分别为CTT (完整岩石常规三轴试验)㊁TTT(完整岩石真三轴试验)㊁TTT -c2(裂隙沿σ2方向的岩石真三轴试验)㊁TTT -c3(裂隙沿σ3方向的岩石真三轴试验)㊂为便于分析,在试样上建立空间局部图3㊀泥岩试样制备过程Fig．3㊀Preparation process of two groups of mudstone直角坐标系o -xyz ,如图4所示㊂坐标原点o 与试样顶点重合,σ1方向与坐标轴x 平行,y ,z 轴根据应力情况与其余两个主应力平行㊂其中TTT -c2代表了含裂隙岩石真三轴试验,裂隙方向沿y 方向,与σ2方向平行;TTT -c3代表了含裂隙岩石真三轴试验,裂隙方向沿z 方向,与σ3方向平行㊂试样长㊁高㊁宽尺寸分别记为l ,h 和w ㊂岩石真三轴实时CT 加载破裂全过程试验过程相较于传统的岩石力学试验更为复杂和繁琐㊂首先对试样进行初始CT 扫描(定义为第0次扫描),了解和掌握试样内部的初始损伤和缺陷分布情况,选择无明显初始损伤的试样开展进一步试验㊂随后利用开发的岩石真三轴实时CT 加载装置开展岩石真三轴破裂演化全过程的实时扫描试验,包含2个阶段(图5),图中(i )表示进行第i 次CT 扫描(i =1,2,3, ,n )㊂(1)阶段I:将试样加载至三维初始应力状态㊂首先按照力加载控制方式将试样加载至静水压力状态(σ1=σ2=σ3=1．6MPa),CTT 工况下该状态即为49第3期李兆霖等:基于实时CT 扫描的岩石真三轴条件下三维破裂演化规律初始应力状态(t 1时刻)㊂其余3种工况保持σ3不变,继续以相同的加载速率施加应力σ1和σ2至σ1=σ2=3．2MPa,此时为三维初始应力状态(t 1时刻),并对试样进行第1次CT 扫描㊂图4㊀不同试样上建立的局部空间直角坐标系Fig．4㊀Local spatial cartesian coordinate systems established on different specimens图5㊀试验加载方案及CT 扫描方案Fig．5㊀Test loading scheme and CT scan scheme㊀㊀(2)阶段II:将试样加载轴向应力至破坏㊂保持σ2和σ3不变,以相同的加载速率逐渐施加轴向应力σ1至不同的CT 扫描水平,CT 扫描按照试样σ1的变化来控制,大致以每增加载荷Δσ(1~2kN)进行一次CT 扫描的频次进行,当CT 扫描发现试样内部损伤显著增多时调小CT 扫描的载荷增量水平Δσ,以较全面地捕获真三轴条件下试样内部裂隙萌生与扩展演化全过程的CT 重构图像㊂2㊀岩石应力-应变特征2．1㊀岩石压缩过程试验获得的试样在不同工况条件下载荷-时间历程曲线如图6所示㊂从图6中可以看到,试样的整个加载过程大致可以分为3个阶段,即初始加载阶段(OA /OᶄAᶄ段,图5中的阶段I)㊁轴向载荷增加阶段(AB /AᶄBᶄ段,图5中的阶段II)和轴向载荷跌落阶段(BC /BᶄCᶄ段)㊂图6㊀试验加载过程中试样3个主应力分量随时间变化曲线Fig．6㊀Curves of the three principal stress components ofthe specimen with time during the test loading岩石在轴向载荷增加阶段σ2和σ3载荷近似保持不变(波动误差ʃ0．09MPa),而σ1呈阶梯式增加㊂CT 扫描过程中σ1载荷也是基本保持恒定不变的(波149煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报2021年第46卷动误差ʃ0．12MPa)㊂由此可见,本文采用的σ1,σ2和σ3加载系统能够有效地保障岩石在实时三轴应力状态下进行在线CT扫描㊂4种工况下岩石加载过程中轴向应力均出现了多次显著的波动,这种应力波动实质上应当是与岩石内部裂隙扩展情况密切相关的㊂通过对比CTT和TTT两种条件下应力波动可以发现前者岩石轴向应力出现了多次显著的波动,而后者尽在靠近峰值应力状态时出现了2次应力波动㊂由此也可以推断本文CTT条件下岩石加载过程中内部出现了较多的微破裂㊂类似的规律TTT-c3条件下相比TTT-c2条件下试样内部产生了更多的微破裂㊂当岩石进入峰后状态以后,岩石处于非稳定状态(其应力状态难以控制),岩石轴向载荷发生迅速跌落㊂2．2㊀岩石变形特征图7为TTT条件下第0次CT扫描(未加载)获得的岩石一个横切面CT切片图像(切面垂直于图4中的y方向,位置为y=h/2)㊂由图7可以看出,由于岩石与其紧贴的碳纤维压板密度不相同导致CT图像上两者图像灰度存在明显差别,若能精确地识别出岩石与压板的接触界面(即岩石边缘)则可以实现对岩石全局变形的直接测量㊂然而,CT扫描图像上岩石边缘图像灰度分布并非理想的阶跃剧变形式,而是一种渐变的形式(由于边缘变化引起的)㊂图7㊀基于CT图像与Sigmoid边缘检测方法的岩石边缘识别Fig．7㊀Rock edge recognition based on CT image and Sigmoid edge detection method㊀㊀为准确识别CT图像中岩石边缘,考虑到岩石边缘CT图像灰度渐变的S形曲线特征,其与Sigmoid函数模型非常接近,因此本文尝试利用Sigmoid函数来拟合岩石图像边缘㊂Sigmoid函数又称为S函数,它是一个连续㊁光滑㊁单调的阈值函数,在神经网络中应用广泛,其表达式为I(X)=A1-A21+exp[(X-X0)/d X]+A2(1)其中,A1,A2,X0和d X均为拟合系数;I(X)为岩石左㊁右2个边缘区域中坐标为X位置处的图像灰度值,根据图像处理方法中的边缘定义,即图像灰度曲线斜率变化最大的点即为边缘,因此对式(1)求一阶导数Iᶄ(X),并寻找Iᶄ(X)最大值对应点即为岩石边缘位置㊂经过推导可以发现当X=X0时Iᶄ(X)取最大值,故X0为岩石边缘点的精确位置㊂图7给出了岩石左㊁右边缘CT图像灰度值的拟合结果㊂可以看到,岩石左右两侧边缘位置分别为194．01piexl和359．49piexl,故岩石在x方向尺寸为l=(359．49piexl-194．01piexl)ˑ0．3mm/piexl=49．644mm,其与岩石游标卡尺测量结果49．66mm非常接近,这说明了利用CT图像和Sigmoid边缘检测方法来测量岩石尺寸的可行性和有效性㊂基于CT图像的岩石三轴压缩变形测量方法,笔者对4种工况下岩石压缩过程中所获不同应力状态下的CT图像(每种岩石选择相互正交的3个中点切面)按照图7方法进行计算,即可求得岩石整个加载过程中3种主应力方向尺寸变化,通过应变公式ε=Δl/l(Δl为变形量差值)即可获得岩石整个加载过程中的轴向应力(σ1)与轴向应变(ε1)㊁侧向应变(ε2和ε3)之间的关系如图8所示㊂不同工况下岩石轴向变形过程均大致分为3个阶段:弹性阶段I(OA/OᶄAᶄ)㊁峰前损伤阶段II(AB/ 249第3期李兆霖等:基于实时CT扫描的岩石真三轴条件下三维破裂演化规律图8㊀基于CT 图像计算获得的岩石应力-应变曲线Fig．8㊀Stress-strain curves of rocks obtained basedon CT image calculationsAᶄBᶄ)和峰后阶段III(BC /BᶄCᶄ)㊂在弹性阶段,岩石轴向应力与轴向应变近似成线性关系,而在损伤阶段岩石则表现出明显的非线性变形特征㊂进一步可以发现,CTT 条件下岩石在较低应力水平时(42．9%σp ,σp 为峰值应力大小)就进入了损伤阶段AB ,而在TTT 条件下岩石在接近峰值应力时(86．7%σp )才进入损伤阶段AᶄBᶄ㊂类似的规律TTT -c2条件下岩石进入损伤阶段的载荷水平要小于TTT -c3条件㊂当岩石进入峰后阶段,轴向载荷迅速跌落,不同工况下岩石变形均表现出显著的应变软化特征㊂3㊀基于实时CT 图像的岩石裂隙扩展演化特征㊀㊀图9,10分别给出了CTT 和TTT 条件下不同应力水平时岩石内部裂纹形态的空间三维CT 特征,图11给出了对应的轴向应力时刻㊂为展示裂隙扩展细节,选取了不同的切面,其中x ,y ,z 分别代表切面法线方向(同下文)㊂在弹性阶段I,CTT 和TTT 两种加载条件下岩石内部均没有出现肉眼可见裂纹㊂当进入损伤阶段以后(阶段II 和阶段III),CTT 和TTT 加载条件下岩石破裂行为产生明显差异㊂在CTT 条件下,岩石在较低应力(6．3MPa)时即出现了肉眼可见裂纹a,而在TTT 条件下当轴向载荷水平接近峰值时(13．0MPa)岩石内部CT 图像才开始出现裂纹㊂图9㊀CTT 条件下岩石内部裂纹形态的空间三维CT 特征Fig．9㊀Spatial 3D CT characteristics of rock internal crackmorphology under CTT conditions在CTT 条件下(图9),岩石内部最终出现了大致呈 X 形分布的3条主裂纹(a,b 和c)㊂其中,裂纹b 逐渐从岩石上侧面向下侧面扩展,并且在扩展过349煤㊀㊀炭㊀㊀学㊀㊀报2021年第46卷程中裂纹扩展路径逐渐由σ2方向向σ3方向发生的偏转,同时还沿着σ1方向逐渐扩展㊂裂纹a 形态和扩展路径更为复杂,其在x 2切面上由两条呈 V 分布的分支裂纹逐渐相向扩展(一条由上侧面ң下侧面,另一条由下侧面ң上侧面)而连接贯通形成主裂纹,在σ1方向最终与裂纹b 相贯通㊂裂纹c 在岩石进入峰后状态III 才出现,其在x 1切面上由上向下扩展,而在x 2切面上的扩展方向恰好相反(由下向上),裂纹扩展路径呈不规则曲线状,裂纹面形态复杂㊂图10㊀TTT 条件下岩石内部裂纹形态的空间三维CT 特征Fig．10㊀Spatial 3D CT characteristics of rock internalcrack morphology under TTT conditions在TTT 条件下(图10),岩石内部最终仅出现1条主裂纹a,其裂纹面大致与σ2方向平行,其在峰值前扩展长度较小,而在进入峰后阶段裂隙快速扩展形成了宏观破裂面㊂综上可见,CTT 加载条件下岩石内部裂纹扩展过程和形态更为复杂,岩石最终破裂面呈相互交错的曲面状,而TTT 条件下岩石内部裂纹扩展则相对简单,最终破裂面呈单一规则平面㊂说明了常规三轴下围压σ2=σ3导致岩石内部裂隙发育较为随机,而真三轴条件下围压σ2>σ3造成岩石内部裂隙具有明确的扩展方向(沿σ2方向扩展),结合深部地下岩体工程中岩石处于一般应力状态(σ1>σ2>σ3)以及现场岩体破坏特征更加说明岩石真三轴力学试验能更加准确反映岩石实际破坏演化规律㊂图11㊀CTT 和TTT 条件下CT 扫描对应的轴向应力时刻Fig．11㊀Axial stress moments corresponding to CT scansunder CTT and TTT conditions为进一步研究真三轴条件下岩石内部裂隙扩展规律,分析真三轴应力状态对裂隙扩展机理的影响,选取含裂隙且方向分别沿σ2(TTT -c2)和σ3(TTT -c3)的2种岩石进行真三轴岩石试验,图12和13分别给出了不同应力水平时岩石内部裂纹形态的空间三维CT 特征,图14给出了对应的轴向应力时刻㊂由图12和13可以看出在弹性阶段I,TTT -c2和TTT -c3两种条件下岩石预制裂纹前缘为分别平行于σ2和σ3方向的光滑直线(以下简称预制裂纹前缘线),预制裂纹尖端以及岩石内部均未出现肉眼可见的新生裂纹㊂当岩石进入损伤阶段II 后,岩石内部开始出现肉眼可见的新生裂纹,TTT -c2和TTT -c3两种条件下岩石内部裂隙扩展规律出现了明显的差别㊂3．1㊀不同岩石内部裂隙起裂特征TTT -c2条件下(图12),当岩石轴向为7．7MPa时在预制裂隙尖端萌生了2条新的裂纹a 和b,这和传统的二维简单应力条件下贯通预制裂隙岩石表面观测结果是一致的㊂这2条新生裂纹a 和b 分别与预制裂纹前缘线是共面的,但是其并没有和预制裂纹一样完全贯通岩石,这意味着在真三轴应力条件下预制裂纹尖端(尖端T1和尖端T2)处实际的裂纹起裂行为并不是沿预制裂隙前缘线同时发生的,而是从岩石表面向岩石内部逐步发展的㊂这种三维条件下的预制裂纹起裂现象在传统的二维预制裂隙试验中尚未能被发现㊂与TTT -c2条件预制裂纹起裂现象不同,TTT -c3449。