受力岩石密度损伤增量及其数字图像

用 CT图像定量分析岩石受力损伤破坏过程的难点 ,是难以知道岩石内部的绝对密度变化量。提出了密度损伤增量的新概念 ,推出了 CT数与密度损伤增量的定量关系式 ,并把 CT图像转换成密度损伤增量图像。通过与基于灰度变化的传统的 CT图像分析方法比较 ,说明密度损伤增量图像的优越性在于不仅可定量分析受力岩石的损伤破坏过程 。

岩石CT密度损伤增量图像“阴阳环”现象的形成机制及其配准校正

通过对岩石试样在加载前后测得的CT数作差值运算,可获得岩石试样在不同应力阶段的CT密度损伤增量。在岩石CT密度损伤增量灰度图像中,试样边界被分成两半,其中一半为黑色,另一半为白色,这一现象称之为“阴阳环”现象。为揭示这一现象的形成机制,对岩石试样某一扫描断面在4个不同应力阶段CT图像的CT数分布进行对比研究。分析结果表明,加载阶段的CT图像相对初始CT图像发生错位。为查清图像错位与“阴阳环”形成之间的关系,建立“阴阳环”生成模型,同时揭示图像错位产生“阴阳环”现象的物理机制。在此基础上,对加载阶段的CT图像进行配准校正,消除密度损伤增量的计算误差。

压缩条件下岩石密度损伤增量的CT动态观测

采用医用计算机层析(CT)设备与其配套的三轴压力仪,对压缩条件下岩石细观损伤过程进行了动态观测。以CT数为基础定义了岩石密度损伤增量,提出了CT数与岩石密度损伤增量的定量关系式。采用CT图像分析了岩石细观损伤过程;利用提出的岩石密度损伤增量定量地分析了峰值强度前的裂纹萌生、扩展、连通的细观损伤演化规律。发现岩石在峰值强度前普遍经历压密和扩容两个阶段,不同层位或同一层位的不同部位损伤具有明显的差异性,即在同一应力作用下各部位的压密程度和扩容状态是不同的。密度损伤增量异常带是微裂纹萌生带,在密度损伤增量与应力关系曲线上的拐点是岩石局部破坏的起始点。

岩石细观损伤过程的CT动态观测

采用宏观轴向应力与密度损伤增量结合分析岩石细观损伤演化过程。根据 CT图像可以求得岩石损伤过程中任意应力阶段任意区域岩石密度损伤增量 ,首次将任意区域岩石压密和扩容定量化。岩石密度损伤增量不仅可以反映岩石损伤程度 ,而且可以描述岩石损伤演化过程。进一步讨论表明 ,岩石密度损伤增量场能圆满地刻画岩石细观损伤状态和岩石细观损伤过程。

低应变率下岩石内部裂纹演化的X射线CT方法

X射线CT方法研究发现单轴压缩条件下岩石经历压密、扩容、CT尺度裂纹演化和破坏过程4个阶段。这表明低应变率条件下岩石的变形破坏过程的细观机制主要表现为裂纹成核、萌生、扩展、贯通过程。CT图像分析和密度损伤增量分析是X射线CT方法的两种手段。CT图像分析可以获得裂纹宽度、长度、方位等定量化参数。密度损伤增量分析可以获得密度损伤增量图像和岩石试件内部任意应力状态、任意部位的密度损伤值。在CT尺度裂纹演化和破坏阶段,由于岩石损伤高度局部化,声发射率参数不能精确反映岩石破坏的细观机制。

CT技术应用于岩石实验动态观测的新进展

首先分析了岩石实验的ＣＴ动态观测现状，提出了密度损伤增量新概念．从理论上推导出ＣＴ 数Ｈ与密度损伤增量的定量关系，应用密度损伤增量定量分析图像特征，并与基于灰度变化的传统 的ＣＴ图像分析方法作了对比，说明密度损伤增量的优越性在于物理含义明确，可以定量刻划岩石 任意应力状态、任意位置的损伤程度．借助于ＣＴ技术，密度损伤增量的量测得到实现，从而真实地

岩石单轴与三轴CT尺度裂纹演化过程观测

结合使用专用三轴压力仪与CT扫描仪,对砂岩和粉砂岩分别进行压缩试验并获得了系列CT图像。发现单轴压缩和三轴压缩时岩石试件均经历压密、扩容、CT尺度裂纹萌生、扩展、扩张、贯通和岩石宏观破坏阶段。在压密阶段和扩容阶段,CT图像无明显变化。采用密度损伤增量定量描述细观裂纹演化的集合效应。在CT尺度裂纹演化阶段,从CT图像出发描述裂纹的空间位置、形态、运动方向分析CT尺度裂纹演化对于岩石变形和强度的影响。裂纹模式图可揭示CT裂纹演化的规律。CT裂纹演化的基本特点是扩展与扩张的交替性。三轴条件下CT裂纹与主应力夹角较大,裂纹面较平直,裂纹扩张困难,呈现剪切破坏特点。

CT图像中裂纹缺陷的理论分析

由于易受到其它因素的影响,用CT图像直接分析材料服役过程中损伤状态的变化往往比较困难。本文从混合体的质量衰减系数的计算角度出发,分析了质量衰减系数的计算原理,得到了它的另一个等价表示;并推导出材料服役环境下,只包含单杂质的情况时,微裂纹群的出现所带来的裂纹缺陷体积百分数、密度变化与CT图像值之间的关系式,最后得到了裂纹缺陷体积百分数与损伤变量的关系式,为后期利用CT进行材料疲劳寿命分析奠定了理论基础。