基于实时CT扫描的岩石真三轴条件下三维破裂演化规律.pdf

第4 6 卷第3 期 2 0 2 1 年3 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 6N o ．3 M a r ．2 0 2 1 基于实时C T 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2 2 1 1 1 6 ；2 ．中国矿业大学露天矿山高新技术研究中心，江苏徐州2 2 1 1 1 6 ；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2 2 1 1 1 6 ；4 ．山东科技大学土木工程与建筑学院，山东青岛2 6 6 5 9 0 摘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。研制一套能够与C T 扫描系统配套的真三 轴加栽试验设备，位于C T 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、横向加载系统、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C T 扫 描区域，实现了真三轴应力环境下实时C T 扫描的功能。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C T 扫描试验，获得了整个加载过程中岩石应力一应变曲线。获取 了不同工况下岩石内部裂纹形态的空间三维C T 特征，结果发现与C T F 条件下岩石内部裂纹复杂 的空间扩展形态相比，r I f I T r 条件下岩石内部裂纹空间形态简单，为一沿o r ，方向的平面裂纹。说明 了真三轴条件下岩石内部裂隙具有明确的扩展方向 沿盯方向扩展 。1 ] [ T c 2 含裂隙且沿盯方 向 和T I T I 一c 3 裂隙沿盯，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。真三轴3 种工 况下所有的裂纹倾角分布极为集中，均与盯，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。 关键词岩石；真三轴；实时C T ；裂隙扩展；空间三维重构 中图分类号T D 3 1 5文献标志码A文章编号0 2 5 3 - 9 9 9 3 2 0 2 1 0 3 0 9 3 7 1 3 T h r e e ．d i m e n s i o n a lf r a c t u r ee v o l u t i o np a t t e r n so fr o c k su n d e rt r u et r i a x i a l c o n d i t i o n sb a s e do nr e a l ．t i m eC Ts c a n n i n g L IZ h a o l i n l ”，W A N GL i a n g u 0 3 ，J I A N GC h o n g y a n 9 3 ，L UY i n l o n 9 3 ，L IW e n s h u a i 4 1 ．S c h o o lo f M i n e s ，C h i n aU n i v e r s i t yo f M i n i n g ＆T e c h n o l o g y ，X u z h o u2 2 1 1 1 6 ，C h i n a ；2 ．H i g h - T e c hR e s e a r c hC e n t e r f o rO p e nP i tM i n e s ，C h i n aU n i v e r s i t yo f M i n i n ga n dT e c h n o l o g y ，X u z h o u2 2 1 1 1 6 ，C h i n a ；3 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r y f o rG e o m e c h a n i ∞a n dD e e pU n d e r g r o u n dE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e n i 妒o f M i n i n g ＆ T e c h n o l o g y ，X u z h o u2 2 1 1 1 6 ，C h i n a ；4 ．S c h o o lo f C i v i lE n g i n e e r i n ga n d A r c h i t e c t u r e ，S h a n d o n gU n i v e r s i t yo f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，Q i n g d a o2 6 6 5 9 0 ，C h i n a A b s t r a c t T h er e a l t i m ea n da c c u r a t eg r a s po ft h ei n t e r n a lf r a c t u r ee x p a n s i o na n de v o l u t i o nl a wi nt h ew h o l ep r o c e s so f r o c kf a i l u r ei so fg r e a te n g i n e e r i n gs i g n i f i c a n c ef o rs c i e n t i f i c a l l yg u i d i n gt h es t a b i l i t yc o n t r o lo fu n d e r g r o u n dr o c ke n g i - n e e r i n ga n dp r o m o t i n gt h es a f em i n i n go fm i n e r a lr e s o u r c e s ．As e to ft r u et r i a x i a ll o a d i n gt e s te q u i p m e n tt h a t c a nb e 收稿日期2 0 2 0 - 1 2 - 1 6 修回日期2 0 2 1 0 2 2 0责任编辑黄小雨 I l g I 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．e n k i ．j C C S ．Y T 2 0 ．1 9 6 4 基金项目中央高校基本科研业务费专项资金资助项目 2 0 2 0 Q N 4 2 作者简介李兆霖 1 9 9 0 一 ，男，河南巩义人，博士后。E m a i l l z h l c u m t 1 6 3 ．e o m 通讯作者王连国 1 9 6 4 一 ，男，山东高唐人，教授。E - m a i l c u m t l g w a n g 1 6 3 ．c o m 引用格式李兆霖，王连国，姜崇扬，等．基于实时C T 扫描的岩石真三轴条件下三维破裂演化规律[ J ] ．煤炭学报， 2 0 2 1 ，4 6 3 9 3 7 9 4 9 ． L IZ h a o l i n ，W A N GL i a n g u o ，J I A N GC h o n g y a n g ，e ta 1 ．T h r e e d i m e n s i o n Mf r a c t u r ee v o l u t i o np a t t e r n so fr o c k su n d e r t r u et r i a s i a lc o n d i t i o n sb a s e do nr e a l ．t i m eC Ts c a n n i n g 【J 】．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 2 1 ，4 6 3 9 3 7 9 4 9 ． 移动阅读 万方数据 9 3 8 煤炭 学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 m a t c h e dw i t ht h eC Ts c a n n i n gs y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e d ．T h ee q u i p m e n tc o m p o n e n t sl o c a t e di nt h eC Ts c a n n i n ga r e a a r ed e s i g n e dw i t hn e wc a r b o nf i b e rm a t e r i a l s ，i n c l u d i n gc o r ec o m p o n e n t ss u c ha sv e r t i c a ll o a d i n gs y s t e m ，l a t e r a ll o a d i n g s y s t e m ，t r u et r i a x i a lp r e s s u r ec h a m b e r ，e t c ．，S Ot h a tX r a y sc a ne f f e c t i v e l yp a s st h r o u g ht h ep r e d e s i g n e dC Ts c a n n i n g a r e ai nt h ed e v i c e ．T h ef u n c t i o no fr e a l t i m eC Ts c a n n i n gu n d e rt r u et r i a x i a ls t r e s se n v i r o n m e n ti sr e a l i z e d ．T h i se q u i p m e n ti su s e dt oc a r r yo u tr e a l - t i m eC Ts c a n n i n gt e s t so fi n t a c tr o c ka n dr o c k w i t hf r a c t u r e su n d e rt r i a x i a ld i f f e r e n t s t r e s sc o n d i t i o n s ，a n do b t a i n e dt h er o c ks t r e s s s t r a i nc u r v ed u r i n gt h ee n t i r el o a d i n gp r o c e s s ．T h es p a t i a lt h r e e - d i m e n s i o n a lC Tc h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n t e r n a lc r a c k si nt h er o c ku n d e rd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n sa r eo b t a i n ，a n dt h er e s u l t s s h o wt h a t c o m p a r e dw i t ht h ec o m p l i c a t e ds p a t i a le x p a n s i o no ft h ei n t e r n a lc r a c k si nt h er o c ku n d e rt h ec r l 3 “ c o n d i t i o n ， t h es p a t i a lm o r p h o l o g yo ft h ei n t e r n a lc r a c k si nt h er o c ku n d e rt h er I ’】[ T I ’c o n d i t i o ni ss i m p l e ．w h i c hi sap l a n ec r a c ka l o n g 盯，d i r e c t i o n s ．I ts h o w st h a tu n d e rt r u et r i a x i a lc o n d i t i o n s ，t h ei n t e r n a lf r a c t u r e so ft h er o c kh a v eac l e a re x p a n s i o n d i r e c t i o n e x p a n d i n ga l o n gt h eo r 2d i r e c t i o n ．F o u ri n i t i a t i o nc r a c k sa p p e a r e di nt h er o c ku n d e rt h et w oc o n d i t i o n so f r 1 1 T c 2 w i t hc r a c k sa l o n gt h eo r 2d i r e c t i o n a n d1 T 1 1 - c 3 c r a c k sa l o n gt h eo r 3d i r e c t i o n ．H o w e v e r ，t h ei n i t i a t i o n c r a c k so ft h ef o r m e ra r ea l lc o p l a n a ri n i t i a t i o nc r a c k sw i t ht h ef r o n te d g eo ft h ep r e c r a c k ，a n dt h ep r e c r a c ks u r f a c er e m a i n sb a s i c a l l yi n t a c t ．T h el a t t e ra r ea l lp e r p e n d i c u l a rt ot h ef r o n to ft h ep r e - c r a c k ，s h o w i n gat r e n do ft r a n s v e r s e l yc u t t i n gt h ep r e c r a c k ．E v e n t u a l l yac o m p l e xn e t w o r ko ff r a c t u r e si sf o r m e d ，r e s u l t i n gi nm o r ep r e f a b r i c a t e df r a c t u r e sa n d b a c k l o gd a m a g e ．U n d e rt h et h r e ew o r k i n gc o n d i t i o n so ft r u et r i a x i a l ，a l lt h ec r a c ki n c l i n a t i o na n g l ed i s t r i b u t i o n sa r ee x t r e m e l yc o n c e n t r a t e d ，w h i c ha r er o u g h l yp a r a l l e lt ot h e 盯2d i r e c t i o n ．I ts h o w st h a tt h ei n t e r m e d i a t ep r i n c i p a ls t r e s sp l a y s ad e c i s i v er o l ei nt h ep r o p a g a t i o nd i r e c t i o no fi n i t i a t i n gc r a c k si nt h er o c k ，a n dt h ep r o p a g a t i o na n dd e v e l o p m e n t p r o c e s so ft h ei n t e r n a lr o c kc r a c k ss t r o n g l yd e p e n d so nt h ed i r e c t i o no ft h ei n t e r m e d i a t ep r i n c i p a ls t r e s s ． K e yw o r d s r o c k s ；t r u et r i a x i a l ；r e a l - t i m eC T ；f r a c t u r ee x t e n s i o n ；t h r e e d i m e n s i o n a lr e c o n s t r u c t i o n 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⋯。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旧J 。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∞j 。 相关学者采用多种手段实时监测岩石破裂演化 全过程。秦昌安等H 1 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。苏方声等∞o 结合了数 字图像相关方法实时捕捉了试样起裂、扩展贯通全过 程中表面变形场演化规律。N G U Y E N 等∞1 通过D I C 技术量化了裂纹扩展模式。Z H A N G J ，S O N G 旧1 等均 有相关研究。L U 等一1 采用高速显微观测结合D I C 技术进一步从细观角度研究裂隙扩展规律。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。 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 A E 定位等间接方法研究试样内部 裂隙演化规律。其基本原理是捕捉岩石破裂过程中 释放的应变能 即A E 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n0 | 。Q I N [ 1 1 | ，Y A O [ 1 2 1 等基于声发射定位技术分析 了岩石内部裂隙扩展规律。刘飞跃等纠利用声发射 空间三维定位信息反演了岩石破裂动态应力场变化。 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。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。尽管王 志明等4 1 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5 | ，无法获 得直观的裂隙扩展可视化图像。 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c T 扫描技术被引入到了岩石力学试验研究中D 6 ] ， 并成为了岩石力学研究领域的一个热点问题ⅢJ 。C T 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、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8 。。许多学者尝试利用c T 扫描技 术来观测试验岩样内部裂纹的分布规律。r A N G 等9 。利用C T 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。付裕等㈣1 对煤样进行c T 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。R A Y N A U D 等心基 于C T 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。郎颖娴∽引、郭东 万方数据 第3 期李兆霖等基于实时c T 扫描的岩石真三轴条件下i 维破裂演化规律 9 3 9 明。玎j 、W A N G _ 4 等采用c T 扫描手段分析了岩石破 裂特征。 以上这些C T 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C T 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C T 图像，这也极大地限 制了C T 扫描技术在岩石力学研究中的应用一5 。只 有将C T 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C T 技术应用于岩石破裂过 程的研究中。2 ⋯。 为实现这种结合，近年来，相关学者已积极探索 了实时C T 扫描的岩石力学试验技术与方法。V I G ． G I A N l l 邛’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。宋勇军等。2 8 。开展了冻结红砂岩单 轴压缩破坏C T 实时试验研究，分析了冻结岩样的损 坏特征及演化规律。S U Z A N N E 等1 29 。利用c T 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。F E N G 。3 0 j ，C H E N 等“ 1 。利用L Y l 2 型轻 金属材料加工制成的三轴压力室配合C T 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。F A N 等‘3 2 。开展了高温环境下的岩石实时x r a y 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。Z H A O 。3 3 。、冯子军’3 4 。等基于C T 扫描技术研究了岩石经高温后细观损伤破裂特 征。G L A T Z 。3 53 、王国营‘3 6 j 、李江华。”l 等利用C T 扫 厂] 、、．．．．．．．．．J 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。 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C T 扫描试验研究，而对 真三轴加载环境下的实时C T 扫描试验研究尚未见 报道，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C T 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。 鉴于此，笔者提出并研制了一套能够与x 射线 C T 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C T 扫描系统的有机结 合。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C T 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。 1 试验方法 1 ．1 真三轴实时C T 加载装置 该套试验装置主要由C T 机、竖向加载系统、横 向加载系统、真三轴压力室、数据采集系统等多个部 件组成 图1 。整体设计思路是将含有金属部件置 于C T 扫描区之外，C T 扫描区内只保留能穿过x 射 线的碳纤维等非金属材料。 图1真三轴实时C T 加载试验没备总体设i f A 一水、卜加载系统 B 一竖向加载系统 C 一真t 轴压力薯蔓 D 水平反力墙 E l 卜横粱 F 一横向同步加载胝头 G 一竖向加载压头 H 一水、f ，反力粱 I 一反／J 妒柱 J C T { 1 捕区 K 一门i ／J 传感器 笔者所采用的C T 机是一台三维旋转式锥形束 C T 机。主要由x 射线源、面阵探测器、旋转机架等 组成。其中，x 射线源焦点尺寸为0 ．3I n l l l ，面阵探测 器尺寸为1 9 3I T l l n x 2 4 3n l n l ，射线源与面阵探测器间 水平距离为5 8 9m m 。C T 扫描视场范围为 1 5 3 ．6m m 1 5 3 ．61 1 1 1 1 1 X 1 5 1 ．2I l l I n ，对应的C T 切片图 像像素为5 1 2p i e x l x 5 1 2p i e x l x 5 0 4p i e x l ，每个像素的 尺寸为0 ．3I l l I l l x 0 ．3I l l i l l 。 图2 a 所示竖向加载系统主要包括竖向加载框 架、竖向加载活塞、竖向传感器等构成。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粱的设计方式，异形 立柱端部为楔形结构。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、横向传感器、水 万方数据 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 平反力梁、横向反力墙等构成。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， 真确l ⅢI 载址髓 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；， a 真三轴实时C T 试验系统实物 b 真三轴压力室结构示意 C 实时c T 扫描结果 图2真三轴实时C T 加载试验系统实物图和C T 扫描结果 F i g ．2 P h y s i c a ld i a g r a ma n dC Ts c a nr e s u l t s o ft h et r u et h r e e a x i s r e a l t i m eC Tl o a d i n gt e s ts y s t e m 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”放置口8 i ，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。 试验系统采用称重式压力传感器实时采集试样 o r ，，o r 和矿，三个主应力方向的载荷变化。压力传感 器与数据采集系统连接，数据采样间隔为lS 。试样 3 个主应力方向的变形特征根据实时C T 扫描系列图 像，利用图像处理方法来间接计算获得。图2 C 展 示了有效C T 扫描区域，该区域中的C T 图像十分清 晰且无伪影。 1 ．2 试样制备 试验所用的试样采自中国西部鄂尔多斯地区中 生代侏罗纪一白垩系地层的泥岩，分为完整和含裂隙 岩石2 组试样。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。 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。试样为长方体，尺寸为 2 5m m X 2 5m m 5 0m m ，岩样尺寸的加工误差不超 过0 ．5m m 。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。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 ．5m m ，宽度为2m m 的贯通裂隙，裂隙倾角为4 5 。， 由此制成含裂隙岩石。 1 ．3 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C T I 完整岩石常规三轴试验 、 T T T 完整岩石真三轴试验 、T T T - c 2 裂隙沿o r 方向 的岩石真三轴试验 、‘1 7 丌一c 3 裂隙沿o r ，方向的岩石 真三轴试验 。为便于分析，在试样上建立空间局部 大块完整泥岩完整岩石 含裂隙岩Z 图3 泥岩试样制备过程 F i g ．3P r e p a r a t i o np r o c e s so ft w og r o u p so fm u d s t o n e 直角坐标系。一戈弘，如图4 所示。坐标原点O 与试样 顶点重合，o r ，方向与坐标轴戈平行，Y ，z 轴根据应力 情况与其余两个主应力平行。其中T I T l l - c 2 代表了 含裂隙岩石真三轴试验，裂隙方向沿Y 方向，与矿方 向平行；T r T c 3 代表了含裂隙岩石真三轴试验，裂隙 方向沿三方向，与o r ，方向平行。试样长、高、宽尺寸 分别记为f ，h 和枷。 岩石真三轴实时C T 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。首先 对试样进行初始C T 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。随后利用开 发的岩石真三轴实时C T 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c T 扫描 i 1 ，2 ，3 ， ⋯，凡 。 1 阶段I 将试样加载至三维初始应力状态。 首先按照力加载控制方式将试样加载至静水压力状 态 盯。 o r o r ， 1 ．6M P a ，C T T 工况下该状态即为 万方数据 第3 期 李兆霖等基于实时C T 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 。时刻 。其余3 种工况保持o r ，不 变，继续以相同的加载速率施加应力矿。和盯至 a C T T 矿， 盯 3 ．2M P a ，此时为三维初始应力状态 t 。时 刻 ，并对试样进行第1 次C T 扫描。 b T T T C T T T c 2 d T T T c 3 图4 不同试样上建立的局部空间直角坐标系 F i g ．4 L o c a ls p a t i a lc a r t e s i a nc o o r d i n a t es y s t e m se s t a b l i s h e do nd i f f e r e n ts p e c i m e n s 蚓5 试验加载方粟及C l 扫描方案 F i g ．5 T e s tl o a d i n gs c h e m ea n dC Ts c a ns c h e m e 2 阶段I I 将试样加载轴向应力至破坏。保持 盯和盯，不变，以相同的加载速率逐渐施加轴向应力 盯。至不同的C T 扫描水平，C T 扫描按照试样o r ．的变 化来控制，大致以每增加载荷A o - 1 ～2k N 进行一 次C T 扫描的频次进行，当C T 扫描发现试样内部损 伤显著增多时调小C T 扫描的载荷增量水平A o - ，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C T 重构图像。 2 岩石应力一应变特征 2 ．1 岩石压缩过程 试验获得的试样在不同工况条件下载荷一时间 历程曲线如图6 所示。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 O A ／O7 A ’段，图5 中的阶段I 、轴向载荷增加阶 段 A B ／A ’B7 段，图5 中的阶段I I 和轴向载荷跌落阶 段 B C ／B7 C7 段 。 t ／s a 完整岩f I ∥s b 含裂隙≯t i 图6 试验加载过程中试样3 个主应力分量随时间变化曲线 F i g ．6 C u r v e so ft h et h r e ep r i n c i p a ls t r e s sc o m p o n e n t so f t h es p e c i m e nw i t ht i m ed u r i n gt h et e s tL o a d i n g 岩石在轴向载荷增加阶段盯和o - ，载荷近似保 持不变 波动误差0 ．0 9M P a ，而盯．呈阶梯式增加。 C T 扫描过程中盯．载荷也是基本保持恒定不变的 波 5 2 9 6 3 O 日“主／D 万方数据 9 4 2 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 动误差0 ．1 2M P a 。由此町见，本文采用的盯．，盯， 和o r ，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C T 扫描。 4 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。通过对比C ‘I r r 和 ‘I ’r r 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。由此也可以推断本文 C T T 条件下岩石加载过程中内部出现了较多的微破 裂。类似的规律T T T c 3 条件下相比‘I ’r r c 2 条件下 试样内部产生了更多的微破裂。当岩石进入峰后状 2 7 0 2 3 0 喜 薰1 9 0 逝 亚15 0 11 0 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。 2 ．2 岩石变形特征 图7 为‘I T I Y l l 条件下第0 次C T 扫描 未加载 获 得的岩石一个横切面C T 切片图像 切面垂直于图4 中的Y 方向，位置为Y h ／2 。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C T 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而 即岩石边缘 则可以实现对 岩石全局变形的直接测量。然而，C T 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 。 1 9 U1 9 31 9 61 9 92 0 23 ，43 5 73 6 】3 6 33 6 6 XX 图7基于C T 图像与S i g m o i d 边缘检测方法的岩石边缘识别 F i g ．7 R o c ke d g er e c o g n i t i o nb a s e dO i lC Ti m a g ea l l dS i g m o i de d g ed e t e c t i o nm e t h o d 为准确识别C T 图像中岩石边缘，考虑到岩石边合结果。可以看到，岩石左右两侧边缘位置分别为 缘C T 图像灰度渐变的s 形曲线特征，其与S i g m o i d 】9 4 ．0 1p i e x l 和3 5 9 ．4 9p i e x l ，故岩石在z 方向尺寸为 函数模型非常接近，因此本文尝试利用S i g m o i d 函数 f 3 5 9 ．4 9p i e x l 一1 9 4 ．0 1p i e x l 0 ．3m n r ／p i e x l 来拟合岩石图像边缘。S i g m o i d 函数又称为s 函数，4 9 ．6 4 4m i l l ，其与岩石游标卡尺测量结果4 9 ．6 6m m 它是一个连续、光滑、单调的阈值函数，在神经网络中非常接近，这说明了利用C T 图像和S i g m o i d 边缘检 应用广泛，其表达式为测方法来测量岩石尺寸的可行性和有效性。 舭 2 再面甫F 摘州z 1 其中，A 。，A ，x 。和拟均为拟合系数；， x 为岩石左、 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 ，’ X ，并寻找，’ X 最大值对应点即为岩石边缘位 置。经过推导可以发现当X X 。，时，’ X 取最大值， 故％为岩石边缘点的精确位置。 图7 给出了岩石左、右边缘C T 图像灰度值的拟 基于C T 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C T 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s A 1 ／I A