三軸加卸載條件下巖石損傷破壞機理CT試驗分析

1、第27卷第12期2010年12月長 江 科 學 院 學 報Journa l o f Y angtze R i ver Scientific R esearch Institute V o l.27 N o.12D ec.2010收稿日期:2009-12-01;修回日期:2010-03-09基金項目:國家自然科學基金項目(40872192,50639090;交通部科技項目(2009353342530作者簡介:劉小紅(1975-,男,江西南昌人,博士研究生,主要從事巖石力學試驗研究和巖土變形安全監(jiān)測方面的工作,(電話150*(電子信箱xiaohong li u168163.co m 。文章編號:1

2、001-5485(201012-0042-05三軸加卸載條件下巖石損傷破壞機理CT 試驗分析劉小紅1,2,晏鄂川1,朱杰兵2,汪 斌2(1.中國地質大學(武漢工程學院,武漢 430074;2.長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室,武漢 430010摘要:利用RM T150巖石力學測試系統(tǒng)和高分辨率Sensation 40型醫(yī)用CT 機,對恒定圍壓下不同軸向加載應力階段的粉砂巖試樣進行多次CT 掃描試驗,得到了不同軸向應力條件下巖石斷面的CT 圖像特征?；贑T 數(shù)原理,分析了巖石不同應力狀態(tài)下的損傷演化過程與損傷程度,通過試樣CT 圖像三維重建,較真實地反應了巖石試樣細觀損傷過程。試驗研究

3、表明:試樣在試驗過程中經(jīng)歷壓密、擴容及破壞階段;巖石壓縮損傷演化是有一個相對較長應力段的量變積累過程,裂紋產(chǎn)生及其擴展的質變過程具有突發(fā)性;試樣破壞后,遠離破裂面區(qū)域存在 密度回彈 現(xiàn)象。關 鍵 詞:CT 試驗;三軸壓縮;加卸載;損傷演化;巖石力學中圖分類號:TU 452 文獻標識碼:A1 概 述我國實施西部大開發(fā)戰(zhàn)略以來,西部的兩路交通、水利水電、探礦等重大工程正如火如荼地進行,也使我國在巖石力學領域的研究工作提高到一個新的水平。室內巖石力學試驗及其本構關系的研究也取得了重大發(fā)展,完整巖石材料試件由變形到破壞經(jīng)歷了漸進性損傷累計和裂紋擴展為主的幾個階段,巖石裂紋演化過程的觀察和描述成為解決問

4、題的關鍵,也提高了室內完整巖塊試件力學試驗的研究價值。計算機斷面X -射線技術(C o mpu terized To m o -graphy ,CT是目前對巖石內部損傷可視化分析研究切實可行的有效方法1,2的開端3。CT 方法的最大優(yōu)點在于能無損地檢測出材料和結構的內部變化,同時具有較高的分辨能力。應用CT 技術觀測巖石內部結構變化和裂紋演化過程是試驗巖石力學的研究熱點,作為一種無損傷檢測技術,可以動態(tài)、定量和無損傷測量巖土材料在受力過程中內部結構變化過程。Ka w akata 、U eta 、葛修潤、楊更社、丁衛(wèi)華等國內外學者已取得了不少關于巖石在受力條件下?lián)p傷與破裂過程中的CT 試驗研究成

5、果4-9。本文綜合利用巖石力學測試系統(tǒng)和高分辨率CT 機,對三軸壓縮下均質粉砂巖的CT 細觀損傷破壞機理進行了初步研究。提取斷面內統(tǒng)計域內CT 數(shù)的最小值、最大值、均值及其方差,對同一掃描斷面內不同壓力狀態(tài)下的CT 數(shù)進行對比分析,了解CT 數(shù)的變化規(guī)律;依據(jù)相關學者的研究成果,計算不同階段中巖石損傷變量及損傷增量;并對不用應力階段下的試樣進行CT 三維重建,了解試樣在壓縮期間由損傷到破壞演化的特征規(guī)律。2 試驗設備及方法2.1 試驗設備計算機斷面X-射線測試系統(tǒng)采用水利部巖土力學與工程重點實驗室的So m ato m C T 系統(tǒng)(德國西門子公司生產(chǎn)的Sensation 40型醫(yī)用螺旋CT

6、機,空間分辨40層,分辨率為0.3mm 0.3mm 0.6mm,見圖1。三軸壓縮試驗采用與RMT-150巖石力學測試系統(tǒng)配套的HOEK 微型三軸室(圖2 。圖1 CT 試驗機F ig .1 A CT exp eri m ental equ i pm en t圖2 虎克微型三軸室Fig .2 A HOEK m i n -i tr i axi a l cell2.2 試驗方法簡介巖樣取自錦屏交通輔助洞內所取的三疊系上統(tǒng)(T 3青灰色均質粉砂巖,并制成 50mm 100mm 圓柱體標準樣。限于篇幅,本文以10-5#和10-7#2個試樣試驗數(shù)據(jù)為例進行分析。試驗過程主要有以下4個階段:首先,試驗前對試

7、樣進行一次整體CT 掃描;其次,在恒定圍壓 2= 3=20M Pa (加載速率為0.2M Pa /s下進行軸向壓縮試驗,軸向加載速率為1kN /s ,在試樣破壞前的80MPa 和試樣損傷(應力應變曲線屈服時人為卸軸向應力,并分別對損傷試樣進行CT 掃描;最后,對該樣在圍壓20MPa 下進行三軸壓縮破壞,并對破損試樣進行一次整體CT 掃描。圖3為10-5#試樣在相同圍壓下不同應力階段卸軸壓所得的應力-應變曲線圖。3 CT 試驗分析依據(jù)CT 的定量描述參數(shù)是CT 數(shù)(又稱H ounsfied 數(shù),簡稱H ,英國學者H ounsfi e l d 教授將空氣、水和圖3 10-5#試樣各階段加卸載應力-

8、應變曲線F ig .3 Curve of stress -strai n under d ifferentstre ss stages of s a m p le N o .10-5冰的CT 數(shù)分別定義為-1000,0和-100,所以被檢測物體對X 射線的吸收系數(shù)與CT 數(shù)之間的換算關系10為H = t - ww1000 。(1式中:H 為CT 數(shù); t , w 分別為相應礦物、水對X 射線線性吸收系數(shù)。巖石CT 圖像反映巖石各部位對X -射線吸收程度的大小,本質上是一幅數(shù)字圖像,每一像素點的值即為C T 數(shù)。CT 數(shù)大小在CT 圖像上由灰度表示,根據(jù)CT 物理原理,CT 數(shù)與對應的巖石密度成

9、正比,CT 圖像中的亮色表示巖石高密度區(qū),暗色表示巖石低密度區(qū)。楊更社(1998年首次提出了基于C T 數(shù)變化的巖石損傷變量演化公式:D =-1m 20g。(2式中:m 0是CT 設備的分辨率; 0是巖石無損傷時的密度。葛修潤等(1999年對公式(2作了進一步改進,推導出D =1m 201-1000+H i 1000+H 0 ,(3式中H 0,H i 分別是特定統(tǒng)計區(qū)域內巖石無損和有損傷時的CT 數(shù)平均值。丁衛(wèi)華等(2003年提出密度損傷增量概念和密度損傷增量公式:D = t - 0=H i -H 01000+H 0 ,(4式中,密度損傷增量 D 指巖石內部任意部位在任意應力狀態(tài)時相對與初始應

10、力狀態(tài)的密度相對變化量。4 試驗結果及分析利用虎克微型三軸室,針對粉砂巖在恒定圍壓43第12期劉小紅等 三軸加卸載條件下巖石損傷破壞機理CT 試驗分析狀態(tài)下進行三軸壓縮試驗,對不同軸向應力狀態(tài)下卸載試樣進行了整體CT 掃描。調用CT 掃描圖,從下往上依次五等分,在斷面內選取一定研究區(qū)域對其面積內CT 數(shù)進行了統(tǒng)計。表1中為所選研究區(qū)域內C T 數(shù)及其方差數(shù)值統(tǒng)計結果,10-7#試樣選取了包含破裂面的較大研究區(qū)域,10-5#試樣選取了遠離破裂面的較小研究區(qū)域。圖4和圖5為試樣試驗過程中某一斷面不同掃描階段CT 掃描圖以及CT 數(shù)的均值分布規(guī)律直方圖。圖4 10-7#試樣各應力階段下7-1斷面CT

11、 圖像及較大統(tǒng)計區(qū)CT 數(shù)直方圖Fig .4 CT i m ages and its h istogra m at 7-1scan sectionunder differen t stress stages of Sa m p l e N o .10-7依據(jù)試驗結果,結合相關學者的公式,計算出了試樣試驗過程中巖石損傷變量D ,圖6和圖7為相關成果數(shù)據(jù)的關系曲線圖。最后,選取10-5#試樣各個掃描階段試樣的C T 圖進行三維重建,得到同一視角下試樣各個階段的三維重建圖,見圖8。試驗數(shù)據(jù)分析:(1從表1,圖4、圖5中可以看出:包含破裂面的較大研究區(qū)域內CT 數(shù)范圍跨度較大,數(shù)值為11.003071

12、之間;遠離破裂面較小研究區(qū)域內CT 數(shù)分布較為集中,數(shù)值分布在15122415之間,但兩者直方圖均呈 正態(tài)分布 型。(2依據(jù)C T 圖像原理,從圖4、圖6中可以看出:10-7#試樣試驗過程中包含破裂面的較大研究區(qū)域內4次測讀的CT 數(shù)均值依次降低,由于CT 掃描次數(shù)有限,故壓密階段應發(fā)生在80M Pa 的軸向壓 力之前;試樣在試驗過程中由擴容階段進入破壞后,CT 數(shù)值急劇降低。圖5 10-5#試樣各應力階段下5-3斷面CT 圖像及較小統(tǒng)計區(qū)CT 數(shù)直方圖F ig .5 CT i m age s and its h istogra m at 5-3scan sec ti onunder d if

13、ferent stress stages of Sa mp le No .10-5圖6 不同軸向壓力狀態(tài)下CT 數(shù)均值變化曲線Fig .6 Re l at i ona l curve of m ean s CT numbersund er d ifferen t ax i al stress stages44 長江科學院院報 2010年 圖7 不同軸向壓力狀態(tài)下巖石損傷變量DF ig .7 R elational curves of rock da m age var i ab l e under differen t axial stress stages(*由于在第二次試驗工程中,試樣已局

14、部產(chǎn)生損傷裂紋,使得試樣最終三軸壓縮破壞強度僅為175M Pa圖8 10-5#試樣不同軸向應力狀態(tài)下試樣CT 三維重建圖Fig .8 CT reconstructed 3D i m ages und er d ifferen t stress stages of Sa mp le No .10-5表1 各掃描階段不同斷面統(tǒng)計區(qū)域內CT 數(shù)成果T ab le 1 R esu lts of CT numb ers in every scan stage and differen t section statist i cal areas斷面包含破裂面的較大區(qū)域(10-7#遠離破壞面的較小區(qū)域(10

15、-5#第1次掃描第2次掃描第3次掃描第4次掃描第1次掃描第2次掃描第3次掃描1778.3(77.11555-20471573-21981763.6(75.4注: 數(shù)據(jù)格式:最小值-最大值平均值(方差; 遠離破壞面區(qū)域CT 數(shù)統(tǒng)計面積0.360.49c m 2,包含破裂面較大區(qū)域CT 數(shù)統(tǒng)計面積 3.665.82c m 2。(3依據(jù)CT 數(shù)原理以及其變化規(guī)律,從圖5、圖6可知:10-5#試樣在遠離破壞面的較小研究面積內CT 數(shù)經(jīng)歷了增加、降低、再增加的過程;試樣在試驗過程中首先經(jīng)歷明顯的壓密階段,然后進入擴容狀態(tài)直至破壞,破壞后,存在CT 數(shù)增大即 密度回彈 的現(xiàn)象。(4從圖7中可以看出:巖石損

16、傷變量D 壓密階段顯示為正,擴容階段和破壞后顯示為負;10-7#試樣試驗過程中損傷變量D 值范圍在-0.3770之間;10-5#試樣試驗過程中損傷變量D 值范圍在45第12期劉小紅等 三軸加卸載條件下巖石損傷破壞機理CT 試驗分析-0.2230.081之間。(5從圖4中可以看出,10-7#試樣7-1掃描斷面內的第3次掃描圖中已有較大損傷,產(chǎn)生了較清晰微裂紋。從圖8中可以看出:10-5#試樣在軸壓80M Pa狀態(tài)之前,試樣內無損傷;在182M Pa的應力狀態(tài)時,試樣底部已經(jīng)產(chǎn)生明顯裂紋損傷(肉眼觀看不明顯;對損傷試樣進行最后三軸壓縮破壞,得到試樣完全破壞強度值僅為175M Pa。試驗表明:在01

17、82M Pa的較大軸向應力范圍內,試樣處于損傷的累積階段,裂紋的產(chǎn)生及其擴展具有突發(fā)性,往往發(fā)生在峰值強度前一小段范圍內。5 結論與討論本文通過對錦屏粉砂巖的三軸加卸載條件下的CT掃描試驗分析研究,主要得出以下幾點認識:(1采用計算機斷面X-射線CT方法能輕易獲得巖石樣品掃描斷面的CT圖像及從CT圖像中能提取巖石結構演化的重要信息;能把同一狀態(tài)下全部C T掃描圖像重組成為精確的細觀裂紋的空間立體,便于直觀了解不同狀態(tài)下裂紋演化特點。(2粉砂巖試樣在三軸壓縮試驗過程中CT數(shù)的變化規(guī)律,進一步驗證了試驗過程中試樣依次經(jīng)歷了壓密、擴容和破壞各階段。(3在遠離破裂面的較小范圍統(tǒng)計區(qū)域內,CT 數(shù)經(jīng)歷了

18、增大、減小、再增大的過程,說明試樣在試驗過程中經(jīng)歷了壓密、擴容以及破壞后部分反彈,即破壞后,存在 密度回彈 現(xiàn)象。該現(xiàn)象有待進一步分析。(4通過CT掃描及試樣三維圖重建,可以明顯看出:三軸壓縮試驗過程中試樣大部分處于損傷累計階段,裂紋的產(chǎn)生及其擴展具有突發(fā)特性。(5本文的分析研究是初步的,三軸試驗過程中整體掃描的次數(shù)較少,受試驗設備的限制,試驗中巖石壓縮試驗與CT掃描并非同步進行(非動態(tài)即時掃描,這也使本次試驗存在不足。參考文獻:1 楊更社.巖體損傷及檢測M.西安:陜西科學技術出版社,1998.(YANG G eng-s he.R ock M ass D a m ag e andM easur

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29、o lt J . Chinese Journal o f Enl g ineering G eophy sics, 2005 5 ( 2 : 330 - 334. ( in Ch, i nese (編輯: 曾小漢 Shu ibuya P ro ject J. Journa l of Y angtze R iver Sc ientific Num erical Simulation of Sonic R eflectionM ethod Applied to Rock Bolts Anchoring Quality D etection Q ING Q iang, ZUO F eng-chun

30、Y IN Jian in, XIAO Guo iang , -m -q ( Key L aborato ry of Geo technicalM echan ics and Eng ineering of the M in is try ofW ater Resources , Yangtze R iver Scientific Research Inst itute W uhan , 430010 Ch in a , Abstract In order to stu dy th e propagat io n property of son ic w ave for the quality

31、detection of rock bo lts usin g sonic : re flect ion m ethod 3D FEM si ulat io n of the dyna ic responses are conducted for the anchorage syste w ith or , m m m w ith out defects. T he acce le rat io n response sig na l at bolt head is nor al and attenua ted qu ick ly for ancho rage system m w ith o

32、ut defect both in grouting mo rtar and in good quality surround ing rock and it is abnor al and d istorted on in , m terface of different m edium s for the anchorage system hav ing loca l de fect or uncom pacted m ortar . K ey w ord s rock bo l; quality tes; son ic reflection m ethod dynam ic respon

33、se num erica l si u latio n : t t ; ; m ( 上接第 46頁 CT Test Analysis on Rock Breakage M echanis U nder m Triaxial Loading -Unloading Condition L IU X ia o -hong , YAN E- chuan , ZHU Jie ing , WANG B in -b 1 2 , 1 2 2 ( 1 Faculty of Eng in eering, Ch in a University of Geosciences( W uhan, W uhan 430074 China . , ; 2 Key Labo ratory of GeotechnicalM echan ics and Eng ineering of theM in istry o fW ater Resources . ,