三轴加卸载条件下岩石损伤破坏机理CT试验分析

1、第27卷第12期2010年12月长 江 科 学 院 学 报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基金项目:国家自然科学基金项目(40872192,50639090;交通部科技项目(2009353342530作者简介:刘小红(1975-,男,江西南昌人,博士研究生,主要从事岩石力学试验研究和岩土变形安全监测方面的工作,(电话150*(电子信箱xiaohong li u168163.co m 。文章编号:1

2、001-5485(201012-0042-05三轴加卸载条件下岩石损伤破坏机理CT 试验分析刘小红1,2,晏鄂川1,朱杰兵2,汪 斌2(1.中国地质大学(武汉工程学院,武汉 430074;2.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室,武汉 430010摘要:利用RM T150岩石力学测试系统和高分辨率Sensation 40型医用CT 机,对恒定围压下不同轴向加载应力阶段的粉砂岩试样进行多次CT 扫描试验,得到了不同轴向应力条件下岩石断面的CT 图像特征。基于CT 数原理,分析了岩石不同应力状态下的损伤演化过程与损伤程度,通过试样CT 图像三维重建,较真实地反应了岩石试样细观损伤过程。试验研究

3、表明:试样在试验过程中经历压密、扩容及破坏阶段;岩石压缩损伤演化是有一个相对较长应力段的量变积累过程,裂纹产生及其扩展的质变过程具有突发性;试样破坏后,远离破裂面区域存在 密度回弹 现象。关 键 词:CT 试验;三轴压缩;加卸载;损伤演化;岩石力学中图分类号:TU 452 文献标识码:A1 概 述我国实施西部大开发战略以来,西部的两路交通、水利水电、探矿等重大工程正如火如荼地进行,也使我国在岩石力学领域的研究工作提高到一个新的水平。室内岩石力学试验及其本构关系的研究也取得了重大发展,完整岩石材料试件由变形到破坏经历了渐进性损伤累计和裂纹扩展为主的几个阶段,岩石裂纹演化过程的观察和描述成为解决问

4、题的关键,也提高了室内完整岩块试件力学试验的研究价值。计算机断面X -射线技术(C o mpu terized To m o -graphy ,CT是目前对岩石内部损伤可视化分析研究切实可行的有效方法1,2的开端3。CT 方法的最大优点在于能无损地检测出材料和结构的内部变化,同时具有较高的分辨能力。应用CT 技术观测岩石内部结构变化和裂纹演化过程是试验岩石力学的研究热点,作为一种无损伤检测技术,可以动态、定量和无损伤测量岩土材料在受力过程中内部结构变化过程。Ka w akata 、U eta 、葛修润、杨更社、丁卫华等国内外学者已取得了不少关于岩石在受力条件下损伤与破裂过程中的CT 试验研究成

5、果4-9。本文综合利用岩石力学测试系统和高分辨率CT 机,对三轴压缩下均质粉砂岩的CT 细观损伤破坏机理进行了初步研究。提取断面内统计域内CT 数的最小值、最大值、均值及其方差,对同一扫描断面内不同压力状态下的CT 数进行对比分析,了解CT 数的变化规律;依据相关学者的研究成果,计算不同阶段中岩石损伤变量及损伤增量;并对不用应力阶段下的试样进行CT 三维重建,了解试样在压缩期间由损伤到破坏演化的特征规律。2 试验设备及方法2.1 试验设备计算机断面X-射线测试系统采用水利部岩土力学与工程重点实验室的So m ato m C T 系统(德国西门子公司生产的Sensation 40型医用螺旋CT

6、机,空间分辨40层,分辨率为0.3mm 0.3mm 0.6mm,见图1。三轴压缩试验采用与RMT-150岩石力学测试系统配套的HOEK 微型三轴室(图2 。图1 CT 试验机F ig .1 A CT exp eri m ental equ i pm en t图2 虎克微型三轴室Fig .2 A HOEK m i n -i tr i axi a l cell2.2 试验方法简介岩样取自锦屏交通辅助洞内所取的三叠系上统(T 3青灰色均质粉砂岩,并制成 50mm 100mm 圆柱体标准样。限于篇幅,本文以10-5#和10-7#2个试样试验数据为例进行分析。试验过程主要有以下4个阶段:首先,试验前对试

7、样进行一次整体CT 扫描;其次,在恒定围压 2= 3=20M Pa (加载速率为0.2M Pa /s下进行轴向压缩试验,轴向加载速率为1kN /s ,在试样破坏前的80MPa 和试样损伤(应力应变曲线屈服时人为卸轴向应力,并分别对损伤试样进行CT 扫描;最后,对该样在围压20MPa 下进行三轴压缩破坏,并对破损试样进行一次整体CT 扫描。图3为10-5#试样在相同围压下不同应力阶段卸轴压所得的应力-应变曲线图。3 CT 试验分析依据CT 的定量描述参数是CT 数(又称H ounsfied 数,简称H ,英国学者H ounsfi e l d 教授将空气、水和图3 10-5#试样各阶段加卸载应力-

8、应变曲线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 数分别定义为-1000,0和-100,所以被检测物体对X 射线的吸收系数与CT 数之间的换算关系10为H = t - ww1000 。(1式中:H 为CT 数; t , w 分别为相应矿物、水对X 射线线性吸收系数。岩石CT 图像反映岩石各部位对X -射线吸收程度的大小,本质上是一幅数字图像,每一像素点的值即为C T 数。CT 数大小在CT 图像上由灰度表示,根据CT 物理原理,CT 数与对应的岩石密度成

9、正比,CT 图像中的亮色表示岩石高密度区,暗色表示岩石低密度区。杨更社(1998年首次提出了基于C T 数变化的岩石损伤变量演化公式:D =-1m 20g。(2式中:m 0是CT 设备的分辨率; 0是岩石无损伤时的密度。葛修润等(1999年对公式(2作了进一步改进,推导出D =1m 201-1000+H i 1000+H 0 ,(3式中H 0,H i 分别是特定统计区域内岩石无损和有损伤时的CT 数平均值。丁卫华等(2003年提出密度损伤增量概念和密度损伤增量公式:D = t - 0=H i -H 01000+H 0 ,(4式中,密度损伤增量 D 指岩石内部任意部位在任意应力状态时相对与初始应

10、力状态的密度相对变化量。4 试验结果及分析利用虎克微型三轴室,针对粉砂岩在恒定围压43第12期刘小红等 三轴加卸载条件下岩石损伤破坏机理CT 试验分析状态下进行三轴压缩试验,对不同轴向应力状态下卸载试样进行了整体CT 扫描。调用CT 扫描图,从下往上依次五等分,在断面内选取一定研究区域对其面积内CT 数进行了统计。表1中为所选研究区域内C T 数及其方差数值统计结果,10-7#试样选取了包含破裂面的较大研究区域,10-5#试样选取了远离破裂面的较小研究区域。图4和图5为试样试验过程中某一断面不同扫描阶段CT 扫描图以及CT 数的均值分布规律直方图。图4 10-7#试样各应力阶段下7-1断面CT

11、 图像及较大统计区CT 数直方图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依据试验结果,结合相关学者的公式,计算出了试样试验过程中岩石损伤变量D ,图6和图7为相关成果数据的关系曲线图。最后,选取10-5#试样各个扫描阶段试样的C T 图进行三维重建,得到同一视角下试样各个阶段的三维重建图,见图8。试验数据分析:(1从表1,图4、图5中可以看出:包含破裂面的较大研究区域内CT 数范围跨度较大,数值为11.003071

12、之间;远离破裂面较小研究区域内CT 数分布较为集中,数值分布在15122415之间,但两者直方图均呈 正态分布 型。(2依据C T 图像原理,从图4、图6中可以看出:10-7#试样试验过程中包含破裂面的较大研究区域内4次测读的CT 数均值依次降低,由于CT 扫描次数有限,故压密阶段应发生在80M Pa 的轴向压 力之前;试样在试验过程中由扩容阶段进入破坏后,CT 数值急剧降低。图5 10-5#试样各应力阶段下5-3断面CT 图像及较小统计区CT 数直方图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图6 不同轴向压力状态下CT 数均值变化曲线Fig .6 Re l at i ona l curve of m ean s CT numbersund er d ifferen t ax i al stress stages44 长江科学院院报 2010年 图7 不同轴向压力状态下岩石损伤变量DF ig .7 R elational curves of rock da m age var i ab l e under differen t axial stress stages(*由于在第二次试验工程中,试样已局

14、部产生损伤裂纹,使得试样最终三轴压缩破坏强度仅为175M Pa图8 10-5#试样不同轴向应力状态下试样CT 三维重建图Fig .8 CT reconstructed 3D i m ages und er d ifferen t stress stages of Sa mp le No .10-5表1 各扫描阶段不同断面统计区域内CT 数成果T ab le 1 R esu lts of CT numb ers in every scan stage and differen t section statist i cal areas断面包含破裂面的较大区域(10-7#远离破坏面的较小区域(10

15、-5#第1次扫描第2次扫描第3次扫描第4次扫描第1次扫描第2次扫描第3次扫描1778.3(77.11555-20471573-21981763.6(75.4注: 数据格式:最小值-最大值平均值(方差; 远离破坏面区域CT 数统计面积0.360.49c m 2,包含破裂面较大区域CT 数统计面积 3.665.82c m 2。(3依据CT 数原理以及其变化规律,从图5、图6可知:10-5#试样在远离破坏面的较小研究面积内CT 数经历了增加、降低、再增加的过程;试样在试验过程中首先经历明显的压密阶段,然后进入扩容状态直至破坏,破坏后,存在CT 数增大即 密度回弹 的现象。(4从图7中可以看出:岩石损

16、伤变量D 压密阶段显示为正,扩容阶段和破坏后显示为负;10-7#试样试验过程中损伤变量D 值范围在-0.3770之间;10-5#试样试验过程中损伤变量D 值范围在45第12期刘小红等 三轴加卸载条件下岩石损伤破坏机理CT 试验分析-0.2230.081之间。(5从图4中可以看出,10-7#试样7-1扫描断面内的第3次扫描图中已有较大损伤,产生了较清晰微裂纹。从图8中可以看出:10-5#试样在轴压80M Pa状态之前,试样内无损伤;在182M Pa的应力状态时,试样底部已经产生明显裂纹损伤(肉眼观看不明显;对损伤试样进行最后三轴压缩破坏,得到试样完全破坏强度值仅为175M Pa。试验表明:在01

17、82M Pa的较大轴向应力范围内,试样处于损伤的累积阶段,裂纹的产生及其扩展具有突发性,往往发生在峰值强度前一小段范围内。5 结论与讨论本文通过对锦屏粉砂岩的三轴加卸载条件下的CT扫描试验分析研究,主要得出以下几点认识:(1采用计算机断面X-射线CT方法能轻易获得岩石样品扫描断面的CT图像及从CT图像中能提取岩石结构演化的重要信息;能把同一状态下全部C T扫描图像重组成为精确的细观裂纹的空间立体,便于直观了解不同状态下裂纹演化特点。(2粉砂岩试样在三轴压缩试验过程中CT数的变化规律,进一步验证了试验过程中试样依次经历了压密、扩容和破坏各阶段。(3在远离破裂面的较小范围统计区域内,CT 数经历了

18、增大、减小、再增大的过程,说明试样在试验过程中经历了压密、扩容以及破坏后部分反弹,即破坏后,存在 密度回弹 现象。该现象有待进一步分析。(4通过CT扫描及试样三维图重建,可以明显看出:三轴压缩试验过程中试样大部分处于损伤累计阶段,裂纹的产生及其扩展具有突发特性。(5本文的分析研究是初步的,三轴试验过程中整体扫描的次数较少,受试验设备的限制,试验中岩石压缩试验与CT扫描并非同步进行(非动态即时扫描,这也使本次试验存在不足。参考文献:1 杨更社.岩体损伤及检测M.西安:陕西科学技术出版社,1998.(YANG G eng-s he.R ock M ass D a m ag e andM easur

19、 i ngM.X i an:Shanx i Science and T echno l ogyP ress,1998.(i n Chinese2 葛修润,任建喜,蒲毅彬,等.岩土损伤力学宏细观试验研究M.北京:科学出版社,2004.(GE X i u-run,REN Jian-x,i PU Y-i b i n,et al.M acro-and M icro-expe r-im ent S t udy on D a m age M echan i cs o f R ocks and So ilsM.B eiji ng:Sc i ence P ress,2004.(i n Chinese3 RAY

20、NAUD S,FABRE D,M AZEROLLE F.A nalysis ofthe i nterna l structure o f rocks and character izati on o fm e-chanical de for m ati on by a non-destruc ti ve m e t hod:X-raytomodensitom etryJ.T ectonophy si cs,1989,159:149-159.4 KAWAKATA H,CHO A,YANAG I DAN I T,et al.T he ob-servations o f faulti ng i n

21、W ester l y g ranite under triax i a lco m pressi on by X-ray CT scanJ.Inte rnati onal Jour-na l of R ock M echanics and M i ning Sc i ences and G eo m e-chanics A bstracts,1997,34(3:151-162.5 U ETA K,TAN I K,KATO T.Co m pute rized X-ray to m o-graphy analysis o f three-di m ensi onal fault geo m et

22、ries inbase m ent i nduced w rench faulti ngJ.Eng i neer i ng G eo l o-gy,2000,56:197-210.6 杨更社,谢定义,张长庆,等.岩石损伤特性的CT识别J.岩石力学与工程学报,1996,15(1:48-54.(YANG G eng-s he,X IE D i ng-y,i ZHANG Chang-qi ng,eta1.CT i dentifica ti on of rock dam age propertiesJ.Ch-inese Journal of R ock M echan ics and Eng i ne

23、ering,1996,15(1:48-54.(in Ch i nese7 仵彦卿,曹广祝,王殿武.基于X-射线CT方法的岩石小裂纹扩展过程分析J.应用力学学报,2005,22(3:484-490.(W U Y an-q i ng,CAO G uang-zhu,W ANGD i an-w u.M icro fracturi ng pro cesses o f rock by rea-l ti m eobserva ti on of X-ray CTJ.Chinese Journa l o f A ppli ed M echanics,2005,22(3:484-490.(i n Chinese

24、8 任建喜,葛修润,蒲毅彬.岩石破坏全过程的CT细观损伤演化机理动态分析J.西安公路交通大学学报,2000,20(2:12-15.(REN Ji an-x,i GE X i u-run,PU Y-ibi n.CT rea-l ti m e ana l ys i s o f m eso-dam age propaga ti onl aw o f t he w ho le pro cess of rock fa il ureJ.Journal of X ian H i gh w ay U niversit y,2000,20(2:12-15.(i n Ch-inese9 任建喜,葛修润.单轴压缩岩

25、石损伤演化细观机理及其本构模型研究J.岩石力学与工程学报,2001,20(4:425-431.(REN Jian-x i,GE X i u-run.Study ofrock m eso-da m age evo l ution l aw and its constit u tive m ode lunder un i ax ial compression l oadingJ.Chi nese Journa lof R ockM echanics and Eng i neeri ng,2001,20(4:425-431.(i n Chinese10HERM AN G T.F rom Pro j

26、ection to R econstruction I m ag e-the Theory F undamenta l o f CTM.T ranslated by YANH ong-fan.Be ijing:T he Sc i ence and T echno l ogy P ress,1985.(编辑:赵卫兵(下转第51页46 长江科学院院报 2010年第 12期 秦 强等 锚杆声波反射法质量检测的数值模拟分析 51 验研究 J. 煤炭学报, 2000, 25( 2: 160- 163. ( L I Y I , W ANG Cheng Experi ent study on bole bo

27、nd ing in teg r. m i ty w ith stress re flected w ave m ethod J. Journa l of Ch ina Coal So ciety 2000, 25( 2: 160- 163. ( in Chinese , 5 汪天翼, 肖国强, 成传 欢. 声 频应力 波法检 测水布 垭工 程锚杆施工 质量 J. 长 江科学 院院 报, 2004 21 ( 4: , 22 - 24. ( WANG T ian-y,i X I AO G uo iang CHENG -q , Chuan-huan. A pplication of son ic f

28、requency stress wave in inspection o f ancho rage construction quality in 6 R esearch Institute 2004, 21( 4: 22- 24. ( in Ch inese , 朱自强, 何现启. 全长锚 杆的无 损检测 研究 J. 工程 地球物 理 学 报 报, 2005, 5 ( 2 : 330 - 334. ( ZHU Zi qiang HE X ian-q.i R esearch on nondestructive de tection , techn ique o f ful-g routed b

29、o lt J . Chinese Journal o f Enl g ineering G eophy sics, 2005 5 ( 2 : 330 - 334. ( in Ch, i nese (编辑: 曾小汉 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页 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 . ,