巖石細(xì)觀尺度微損傷識(shí)別方法及運(yùn)用★

徐菊萍 朱 潔 于秋仙 盧倩倩 劉汪洋 倪驍慧

(嘉興學(xué)院建筑工程學(xué)院，浙江 嘉興 314001)

·巖土工程·地基基礎(chǔ)·

巖石細(xì)觀尺度微損傷識(shí)別方法及運(yùn)用★

徐菊萍 朱 潔 于秋仙 盧倩倩 劉汪洋 倪驍慧

(嘉興學(xué)院建筑工程學(xué)院，浙江 嘉興 314001)

基于體視學(xué)中二三維幾何特征相關(guān)理論，建立起三維幾何信息獲取參數(shù)，在此基礎(chǔ)上以大理巖細(xì)觀尺度微裂紋為研究對(duì)象，得到了微裂紋間距服從變參數(shù)的廣義極限分布這一特征，并得到損傷發(fā)展在某應(yīng)力區(qū)間較為迅速的結(jié)論。

巖土力學(xué)，細(xì)觀尺度，微裂紋，大理巖

0 引言

巖石是長久的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)中的產(chǎn)物，是由多種礦物晶粒和膠結(jié)物組成的混雜體，形成了不同數(shù)量、尺度上的微裂紋、微孔洞，致使巖石材料在化學(xué)成分、物理性質(zhì)上均具有較為復(fù)雜的特性[1-4]。近年來，在數(shù)字圖像技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上，建立針對(duì)巖石細(xì)觀尺度微損傷識(shí)別方法并以計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)，從而能夠準(zhǔn)確的獲得巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)基本幾何數(shù)據(jù)，為進(jìn)一步進(jìn)行巖石細(xì)觀尺度微損傷的定量研究奠定基礎(chǔ)。

1 巖石細(xì)觀尺度微損傷幾何參數(shù)獲取原理

1.1 巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)的構(gòu)成

某大理巖受荷破壞試樣的細(xì)觀尺度微損傷圖見圖1。

巖石細(xì)觀尺度微結(jié)構(gòu)包括：1)三維結(jié)構(gòu)體，如細(xì)觀尺度中的礦物顆粒、微裂紋等；2)二維結(jié)構(gòu)面，包括細(xì)觀尺度中的礦物顆粒的面、微裂紋的面以及膠結(jié)面；3)一維線，包括細(xì)觀尺度中礦物顆粒的沿晶、穿晶微裂紋，礦物顆粒與膠結(jié)面之間的各類微裂紋等；4)零維點(diǎn)，包括在細(xì)觀尺度下的細(xì)小微裂紋、孔洞等。

1.2 基于體視學(xué)微裂紋三維參數(shù)獲取原理

根據(jù)體視學(xué)中二維幾何特征與三維幾何特征的關(guān)系，得到巖石細(xì)觀尺度微裂紋的三維參數(shù)計(jì)算公式。

1)單位體積內(nèi)的微裂紋面積計(jì)算公式：

(1)

其中,LAC1為水平方向試樣觀察面在單位面積內(nèi)的微裂紋長度；LAC2為豎直方向試樣觀察面在單位面積內(nèi)的微裂紋長度。假定細(xì)觀尺度微裂紋的方位角是隨機(jī)分布的，則式(1)變?yōu)槭?2)：

(2)

其中，LAC為單位量測面積的微裂紋長度。

2)微裂紋的空間寬度計(jì)算公式：寬度是對(duì)大理巖細(xì)觀尺度微結(jié)構(gòu)空間描述的重要參數(shù)之一。圖2為兩個(gè)垂直平面上的投影寬度與實(shí)際微裂紋寬度關(guān)系示意圖，計(jì)算公式如下：

(3)

(4)

其中，ζ為微裂紋在第一切片與水平軸之間的夾角；WCP1為微裂紋在第一切片上的投影長度；WCP2為微裂紋在第二切片上的投影長度。由于有：

sin2ζ+cos2ζ=1

(5)

由式(3)～式(5)可以得到：

(6)

最后得到三維微裂紋寬度公式：

(7)

2 基于體視學(xué)微裂紋間距信息的獲取及結(jié)果分析

在Matlab軟件中進(jìn)行相關(guān)編程實(shí)現(xiàn)以上算法，并對(duì)單軸壓縮大理巖試樣的細(xì)觀微裂紋的SEM圖片進(jìn)行分析，以求獲取不同尺度下微裂紋幾何信息，本文僅對(duì)微裂紋間距進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。經(jīng)過對(duì)微裂紋幾何間距數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，微裂隙間距分布特征基本服從廣義極限分布(GEV)，其密度函數(shù)如下：

(8)

其中，x為對(duì)應(yīng)于微裂紋的間距S；μ為位置參數(shù)；v為比例參數(shù)；k為形狀參數(shù)。圖中GEV的統(tǒng)計(jì)參數(shù)：μ=51.147；v=50.999；k=0.147。

微裂隙間距直方圖見圖3，間距的分布參數(shù)回歸分析見圖4。

由圖4可見，試樣微裂紋間距的統(tǒng)計(jì)參數(shù)在40 MPa～45 MPa區(qū)間內(nèi)有突變，這也表明裂紋間距在這個(gè)應(yīng)力區(qū)間內(nèi)發(fā)生較大的變化，反映出損傷在此階段中較大的發(fā)展。

3 結(jié)語

1)依據(jù)體視學(xué)中幾何特征，經(jīng)過推導(dǎo)得到微裂紋的三維幾何特征參數(shù)計(jì)算公式，進(jìn)一步利用軟件編程實(shí)現(xiàn)該方法在巖石細(xì)觀微裂紋電鏡識(shí)別方面的應(yīng)用。2)應(yīng)用所編程序?qū)δ炒罄韼r試樣進(jìn)行微裂紋分析，在某應(yīng)力區(qū)間損傷發(fā)展較為迅速的結(jié)論。

[1] Batzle M L, Simmons G, Siefried R W. Microcrack closure in rocks under stress: direct observation[J]. Jounal of Geophysical Research,1980(85):7072-7090.

[2] 許 江.對(duì)單軸應(yīng)力狀態(tài)下砂巖微觀斷裂發(fā)展全過程的試驗(yàn)研究[J].力學(xué)與實(shí)踐,1986,8(4):24-28.

[3] 盧應(yīng)發(fā),張梅英,葛修潤.大理巖靜態(tài)和循環(huán)荷載試件的電鏡分析[J].巖土力學(xué),1990,11(4):75-80.

[4] 趙永紅.受單軸壓縮大理巖填充割縫周圍的微裂紋生長[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004,23(15):2504-2509.

The identification method and application of rock meso-scale micro damage★

Xu Juping Zhu Jie Yu Qiuxian Lu Qianqian Liu Wangyang Ni Xiaohui

(ConstructionEngineeringCollege,JiaxingCollege,Jiaxing314001,China)

Based on the 2D and 3D geometric features related theory in stereology, this paper set up 3D geometry information acquisition parameters, basis on this taking the marble meso-scale micro cracks as the research object, gained the characteristics of micro crack spacing to the generalized limit distribution variable parameters, and got the damage development in a certain stress range relatively quickly.

rock and soil mechanics, meso-scale, micro crack, marble

2015-08-23★:嘉興學(xué)院大學(xué)生研究訓(xùn)練(SRT)計(jì)劃項(xiàng)目“巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的宏細(xì)觀損傷特征研究—數(shù)據(jù)處理分析”(編號(hào)：12)；浙江省自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：LQ12E08004)

徐菊萍(1994- )，女，在讀本科生

1009-6825(2015)31-0043-02

P584

A