显微CT试验技术与花岗岩热破裂特征的细观研究

详细介绍太原理工大学与中国工程物理研究院应用电子学研究所共同研制的μCT225kVFCB型高精度显微CT试验系统的结构与工作原理,该试验机的最大功率为320 W,放大倍数为1～400倍,可分辨1～2μm大小的孔隙及裂隙,为金属及非金属材料的细观试验分析提供了更高精度的试验设备。采用该系统进行花岗岩在常温到500℃高温下的三维细观破裂显微观测,揭示出花岗岩晶体颗粒尺寸为100～300μm的不规则空间结构体。热作用下,随温度升高,花岗岩的热破裂逐渐演化与发展,200℃时,已可见到极少数很小的微裂纹出现。300℃时,部分裂纹搭接形成较大裂纹,裂纹长度增加10倍左右。500℃时,包围花岗岩晶体颗粒的封闭多边形裂纹几乎全部形成,使花岗岩呈现糜棱状的晶体颗粒结构体,90%以上是沿岩石颗粒周边弱的胶结界面上发生的。仅有极少数热破裂裂纹是穿越岩石颗粒的,其概率在10%以下。

基于CT试验的岩体分区破损本构模型

在砂岩单轴压缩CT试验的基础上,定义了岩土材料的安全区、损伤进行区和破损区,对分区的CT阈值标准进行了讨论和经验选定。在此标准下,取得了所有断面在各加载阶段下的分区结果,并以第5扫描断面为例给出了分区的结果。利用数学形态学的图像测量技术对所有断面各区的CT信息进行了检出和统计分析,并对各个区上砂岩CT数随加载过程的变化规律以及破损区产生的条件进行了研究。根据检出的各加载阶段的安全区、损伤进行区和破损区的CT数统计资料,定义了一个基于CT数的统计损伤变量,建立了损伤演化方程,以此为基础建立了可反映砂岩分区破损的本构模型。

上海粉质粘土的三轴CT实时细观试验

采用CT实时试验对上海粘性土的三轴应力条件下的特性进行系统的试验研究。研究表明,上海灰色粉质粘土在三轴应力下细观变形基本上分为4个阶段,即微裂纹压密阶段,初期损伤阶段,损伤快速发展阶段和软化破坏阶段。粉质粘土初始状态为不均一的和初始损伤,受力过程中以局部变形为主,灰色粉质粘土的破坏是由于产生局部变形,形成剪切带造成的,裂纹在峰值强度及峰值强度后完全形成的。

预崩解炭质泥岩路用性能及其基于三轴CT试验的力学特性

为研究预崩解炭质泥岩的路用性能及其在三轴应力条件下的力学特征,利用室内基本物理力学实验与三轴CT同步扫描实验对其进行试验研究。研究结果表明:炭质泥岩矿物组成主要为伊利石、石英、高岭石,压实度是控制回弹模量的主要因素,具有与土相似的性质,不同工点所取试样具有不同的CBR;试件压实度越高,峰值强度越大,偏应力陡增段CT扫描层CT数增大速率比应力应变曲线平缓段的大,表明试验前期试件密度增大速率比试验后期的大;试验前,试件具有较多细小孔洞及裂纹,密度存在较大差异,随着试验的进行,密度差异性降低,炭质泥岩颗粒在围压及偏应力的作用下存在挤密、错动、融合的现象。

粗粒土CT三轴流变试验研究

一些土石坝在建成后后期变形明显,这与粗粒土的流变密切相关。目前,粗粒土流变研究主要集中在力学性质试验和本构模型研究等方面,较少对粗粒土流变中的颗粒运动规律进行研究。通过单级配矾石CT三轴流变试验,研究了粗粒土流变过程中颗粒运动规律。试验结果表明,粗粒土的流变过程就是粗粒土颗粒位置相互调整的过程,即颗粒从不稳定结构状态向稳定结构状态调整变化的过程,直到所有颗粒的能量都达到最小状态,此时颗粒不再发生错动、转动和破碎,粗粒土达到流变稳定状态。对粗粒土三轴流变过程中颗粒运动规律的认识,有助于加深对粗粒土流变性质的了解,为工程应用提供参考。

单轴压缩作用下内置裂隙扩展的CT扫描试验

精选出一种与岩石较为接近的相似材料制作标准试件,并在其内部预置单币状裂隙,进行加载过程中的CT实时扫描试验。通过分析CT扫描图像,初步判定试件的破坏是由裂隙的损伤演化造成的。采用多种区域划分的方法,通过CT数及CT方差的对比分析,获得随载荷的不断增加裂隙被压密、自相似扩展、翼裂纹扩展、微裂纹扩展、裂纹汇合贯通以及裂纹加速扩展、试件崩裂的损伤演化过程;同时,也得到初裂强度、翼裂纹扩展长度和自相似扩展长度等一些重要参数;将试件破坏前的应力、应变过程曲线分为4段,说明预置裂隙的损伤演化过程。

三轴CT条件下预崩解炭质泥岩路堤填料的细观试验

为了研究预崩解炭质泥岩在三轴条件下的细观应力变形及损伤演化规律,采用CT专用三轴试验加载设备对其进行三轴CT试验。试验在3种固结压力下进行,得到各试件的应力变形曲线以及在不同变形阶段3个扫描层的CT数、方差和CT图像。研究结果表明:该试验方法成熟、可行,为进一步深入分析炭质泥岩物理力学特性提供了新的方法;试件固结压力越大,峰值强度越高,其内部细观表现为颗粒的错动与融合,外部表现为中部鼓起,且无明显裂纹;变形形式主要为受力均匀变形,在低围压条件下具有应变软化特征;在初始条件下,试件具有明显各向异性特点,试验后期试件差异性减小;随着变形增大,试件损伤度也逐渐增大,其细观损伤演化是一个非线性的累积增长过程。

非饱和板岩裂隙扩展机制CT试验研究

板岩内部不仅含有大量的由黏土类矿物组成的层理、片理,且还含有数量众多的微裂隙及微孔洞,这使得其力学特性显得相当复杂。采用CT机及配套岩石三轴试验加载设备,完成了2个锦屏II级电站非饱和板岩试样的单轴压缩破坏CT实时试验,得到了试样破坏的各个阶段的CT图像。通过对CT图像的分析处理,从细观角度分析板岩微裂纹萌生、扩展,直至宏观裂纹形成并贯通的整个演化过程,解释含水平层理和垂直层理2种情况下非饱和板岩破坏方式不同的机制。根据CT原理,推导基于CT数的非饱和岩石标量型损伤变量的计算公式。

煤岩三轴细观损伤演化规律的CT动态试验

利用本文第一作者主持设计和研制的与ＣＴ机配套的专用加载设备， 进行了三轴和单轴荷载作用下煤岩破坏全过程的细观损伤演化规律的即时动态ＣＴ（ｃｏｍ ｐｕｔｅｒｉｚｅｄ ｔｏｍ ｏｇｒａｐｈｙ）试验。得到了在不同荷载作用下煤岩中微孔洞被压密→微裂纹萌生→分叉→发展→断裂→破坏→卸载等各个阶段清晰的ＣＴ图象， 引入了初始损伤影响因子，定义了一个基于ＣＴ数的新的损伤变量。

单轴压缩岩石损伤扩展细观机理CT实时试验

利用最新研制的CT机专用加载设备，完成了单轴压缩荷载作用下岩石细观损伤扩展特性CT实时试验。得到了清晰的岩石破坏全过程中微孔洞被压密，微裂纹萌生、发展、贯通破坏和卸荷等不同发展阶段的CT图像。基于岩石损伤扩展的细观机理，将岩石应力－应变全过程曲线分为5段，为岩石损伤本构模型的建立提供了重要基础。结果表明，利用这套设备进行岩石细观损伤力学特性的研究是可行的。

基于细观损伤的混凝土破裂过程的三维数值模拟与CT试验验证

在混凝土细观损伤的CT试验基础上,以密度损伤(CT数变化)变量为基础,建立了混凝土分段损伤演化方程,以此进行了混凝土试件单轴受压的细观损伤数值模拟。并从混凝土破坏图和荷载-位移曲线图两方面比较了数值模拟结果与CT试验结果,结果表明,试件破坏时裂纹扩展过程与CT观测到的相似,实现了将细观密度损伤(CT数变化)与试件的宏观力学性能的劣化相联系,为改进试验设计提供了力学依据,并使在可靠和有效的前提下用数值方法取代部分试验成为可能。

基于图像处理技术和CT试验的裂纹量化描述

首先对CT试验和基于数学形态学的图像处理技术进行了简单介绍。在此基础上,定义了裂纹的提取方法和判定准则,并在此提取结果的基础上,建立了一套对图像进行信息提取、几何测量和空间描述的量化参数体系。以某砂岩CT试验为例,进行了岩土CT图像量化描述。该方法也探索了一种岩土力学CT试验数据分析的新途径。

土石混合体变形破坏结构效应的CT试验研究

利用计算机X射线断层扫描技术,实时监测单轴加载作用下土石混合体试样内部结构的变化规律,分析土石混合体变形破坏的结构效应。基于CT的定位扫描原理,研究试样内部块石的运移规律,并建立内部结构变形与宏观变形的联系。研究结果表明:土石混合体宏观变形破坏主要受控于其内部块石位置的不断调整;等效结构变形量能很好地表征土石混合体的结构性变形。采用阈值分割处理方法分析CT图像,获得加载过程中试样的内部剖面图,并对试样变形破坏的结构效应进行分析。结果表明:试样内部损伤和裂纹扩展起始于块石周边应力集中区,沿块石与土的接触面扩展,直至形成贯通破裂面。通过采用CT技术对土石混合体变形破坏过程进行分级加载实时扫描的研究,为此类介质边坡工程的监测预警提供理论基础。

动力荷载作用下混凝土破裂特征的CT试验研究

汶川地震后,强震作用下的大坝混凝土动态力学性能研究广受关注。本文利用CT技术对动力荷载作用下混凝土细观破裂过程进行实时扫描观测,获得了混凝土试件在动力荷载作用下裂纹的开裂、扩展、贯通的全过程CT图像,并给出了动力压缩、动力拉伸CT试验的初步成果。结果表明:动力压缩荷载条件下混凝土破坏时裂纹起裂点多,裂纹演化速度快,能够解释其动态强度提高的原因;而动力拉伸荷载条件下破裂面较平整,当加载速率较高时,裂纹穿越骨料非常明显。该研究为探索混凝土材料在动力荷载作用下的损伤演化规律提供新的研究途径。

冻土三轴剪切过程中细观损伤演化CT动态试验

对冻结粉质粘土在三轴剪切过程中的结构损伤进行了CT技术动态测试。通过对CT图像及CT数的分析发现:在受载之前冻土结构已经存在孔隙、管状孔隙和低密度区等初始缺陷;变形过程中冻土结构的弹性损伤只占总损伤的比例很小,而结构粘塑性损伤的比例则很大;在三轴剪切过程中和蠕变过程一样存在结构损伤的弱化和强化现象,孔洞几何特征的改变和孔洞的长大、联合,颗粒之间的相互错动及滑移是冻土结构粘塑性损伤发展的重要特征。冻土的结构损伤主要发生在冻土屈服之后,这部分损伤不能用CT数的变化来定量计算。

模拟节理岩体水压致裂的CT实时试验初探

采用自行研制与CT机配套的专用注水加载装置,对含单裂纹试件在水压作用下裂纹扩展并贯通的全过程进行了CT实时监测试验。在不同水压情况下,试件原生裂纹扩展导致微裂纹萌生、发展,最终试件劈裂,同时伴随周围颗粒被挤密压实。CT实验得到了各阶段清晰的CT图象及CT数和方差。通过分析,从细观上掌握了节理岩体水压致裂的损伤演化特性及裂纹扩展规律,提出了损伤和劈裂门槛值概念,并推导了基于CT数的损伤变量。

单轴压缩载荷作用下双裂隙扩展的CT扫描试验

由于精选后的陶瓷材料与岩石性质相似,因此选择陶瓷作为基本材料制作中部含2条圆币状裂隙的试件,进行单轴压缩荷载作用下的CT实时扫描试验,研究试件内双裂隙的扩展和损伤演化规律。采用3种不同区域划分方案,通过CT数、CT方差和CT图像的对比,分析上、下裂隙及岩桥区域不同的扩展状况。分析表明,上裂隙区域一直以压密为主,扩展很小,对试件破坏影响较小;下裂隙区域扩展剧烈,最终形成了宏观裂纹,对试件的破坏影响较大;当上下裂隙之间的中心距离等于4倍的裂隙半径时,裂隙的扩展过程将与裂隙自身参数有关,几乎看不出裂隙之间的相互作用。

基于CT试验的混凝土裂纹扩展演化研究

针对混凝土宏观性能指标与破坏特性细观参数之间关系的技术难题,采用工业CT对单轴压缩条件下的混凝土试样进行了CT扫描试验;利用图像处理技术对混凝土CT图像进行分析,得到不同加载阶段混凝土孔隙和裂纹的三维细观模型及孔隙率变化规律。运用分形理论建立了CT图像分形维数计算模型,对混凝土CT图像分形特征进行了研究。结果表明:混凝土孔隙体积和分形维数的快速增大是混凝土失稳破坏的预警信息;利用混凝土CT三维重建图像结合分形理论观察研究混凝土裂纹扩展全过程,为有效分析混凝土细观损伤破坏提供了新技术。

单轴压缩条件下岩石破损过程的CT试验分析

采用工业计算机层析(ICT)设备与全数字液压实验系统EHF-EG200KN试验机,对大台煤矿冲击倾向性煤层底板岩石试样进行了单轴压缩荷载作用下的CT试验,得到了单轴压缩荷载作用下不同应力阶段岩石试样微裂纹发展的CT图像。通过对CT图像灰度值的分析,得到单轴压缩荷载作用下岩石的损伤破裂过程。为进一步研究煤层底板岩石的破坏及冲击地压的发生机理提供依据。

三轴压缩载荷作用下单裂隙扩展的CT实时扫描试验

为研究岩石裂隙在三轴加载作用下的扩展规律,精选出一种与岩石物理力学性质相似的陶瓷制作试件,并在试件中部预置一条圆币状裂隙,进行三轴加载过程中的CT实时扫描试验。采取3种不同区域划分方案,通过对不同层、不同阶段的CT数、CT方差、CT图像的对比分析,获得裂隙被压密、自相似扩展、翼裂纹扩展、微裂纹扩展、裂纹加速扩展直到试件破坏的整个裂隙扩展过程。试验结果表明,在三轴压缩荷载作用下,裂隙被压密较为明显,翼裂纹扩展缓慢,自相似扩展更大,而且翼裂纹的扩展是从自相似扩展后的边缘开始的。总之,预置裂隙的扩展受围压影响很大,扩展过程相当艰难,试件破坏类似于延性破坏。