本文摘要：摘要：巖石破裂是裂紋萌生、擴展演化直至貫通的過程，為了研究受載巖石發生變形破壞其內部裂紋動態擴展演化過程，利用工業CT對巖石破裂過程進行階段性觀測掃描，通過CT圖像堆棧矢量化處理構建巖石三維裂隙模型，并對裂紋結構特征參數進行統計分析，定量化表
摘要：巖石破裂是裂紋萌生、擴展演化直至貫通的過程，為了研究受載巖石發生變形破壞其內部裂紋動態擴展演化過程，利用工業CT對巖石破裂過程進行階段性觀測掃描，通過CT圖像堆棧矢量化處理構建巖石三維裂隙模型，并對裂紋結構特征參數進行統計分析，定量化表征巖石破裂過程中裂紋擴展情況。在此基礎上，提取裂紋擴展路徑上的局部破壞形態特征，結合巖礦鑒定實驗進行細觀尺度分析研究。研究結果表明：利用裂隙體積、表面積及分形維數等參數可以將三維裂隙擴展過程量化，且參量呈現“基本不變→小幅增大→大幅激增”的變化規律;CT切片圖像中裂紋面積可以表征巖石局部裂紋擴展特征，且與同階段三維裂隙的擴展演化特征相對應;巖石細觀結構對裂隙擴展影響較大，裂隙擴展遇到礫石將形成繞礫擴展、穿礫擴展及分叉擴展三種方式。研究成果將為巖石失穩破壞、工程巖體致災預警工作提供研究基礎。
關鍵詞：CT掃描;裂紋演化;三維重構;量化表征;擴展特征
引言
巖石作為一種非均質的天然地質材料，其內部主要由巖石基質、孔隙類原始缺陷以及其它礦物質共同組成，這些組成部分在巖石中的隨機分布決定了巖石內部結構特征，巖石內部的復雜結構將影響著巖石物理力學特性以及裂隙擴展演化。分析巖石在荷載作用下內部裂隙萌生、發育擴展至貫通的動態演化過程，量化表征裂隙擴展演化特征，能夠更好的了解巖石破壞過程，有利于進一步揭示巖石斷裂破壞機制，為巖體工程穩定性評價以及地質災害預警工作提供研究基礎。
國內外學者針對巖石破裂過程中裂紋擴展演化規律以及分布形態特征進行了大量的研究工作，YU等[2]采用聲發射和攝影監測技術對不同含水率含預制裂隙粉砂巖裂隙擴展規律進行分析，研究裂隙角及含水率對其力學性質及裂紋擴展的影響;WANG等[3]利用數碼相機記錄雙軸壓縮下含裂隙類巖石材料的裂紋擴展過程，將巖橋貫通模式分為三類并分析預制裂隙角、巖橋角及側向應力對裂紋擴展的影響;WANG等[4]研究含不同層理傾角人工層狀巖石的單軸壓縮壓裂響應特征，確定種獨立裂紋類型，分析層理傾角對裂紋擴展的影響;呂艷偉等[5]采用數字圖像處理技術對復合應力狀態下巖石的裂紋擴展特征和機制進行研究;張國凱等[6]利用聲發射以及高速攝像技術綜合分析裂紋擴展特征，并探究裂紋擴展對巖石強度以及破壞特征的影響。
上述研究主要針對含預制裂隙巖石試件中裂紋形成并擴展為宏觀裂紋的過程進行分析，其中預制裂隙以及層理的存在對裂紋擴展演化起著決定性的作用，人為影響因素干擾較大，而且研究多集中于巖石試件觀測面進行二維角度分析。通過攝影監測技術能夠得到巖石表面二維裂紋擴展形態，而巖石變形破壞作為三維巖石力學問題，需要對巖石內部裂紋擴展演化特征進行研究。
CT掃描成像系統作為一種無損檢測手段，運用其掃描成像原理及三維重構的可視化功能，能夠快速、無損獲取巖石內部結構分布特征，近些年工業CT常用于巖石內部結構特征對巖石宏觀力學特性和破壞特征影響方面的研究。JU等[10]提出了一種結合CT掃描與伺服控制三軸加載技術的新方法，實現了對不同加載階段和圍壓下煤的裂隙網絡空間形貌與分布特征的原位觀測與定量表征。WANG等[11]對龍馬溪頁巖在壓縮狀態下進行了原位CT掃描實驗，實驗結果顯示頁巖樣品經歷了壓縮、損壞、開裂、裂紋擴展和破壞階段，并且裂隙的形成與擴展受層狀結構和層狀弱膠結介質的影響。
DUAN等[12]利用不同應力水平下CT掃描圖像重建三維體視圖，討論了初始礦物分布、內部孔隙演化以及最終裂隙形態的相互關系。WANG等[13]在三軸壓縮條件下基于工業CT掃描對雙土體細觀結構變化進行原位實時量化表征，結果表明巖土界面滑移以及大孔隙形成等行為導致的局部變形對于裂隙擴展有很大的控制作用。
YANG等14對不同孔徑的空心砂巖試樣在不同圍壓下進行了一系列射線CT觀測和三維數值模擬，對比了射線CT觀測和模擬得到的空心砂巖的表面和內部斷裂特征，分析了圍壓對不同孔徑空心砂巖裂縫演化機理的影響;ZHAO等15對重慶砂巖試件進行了三軸壓縮試驗和射線CT試驗，利用局部閾值分割算法來分割射線CT圖像中的裂紋、孔洞和實體物體，建立三維裂紋損傷本構模型研究巖石三維破裂行為。
ZHOU等16應用射線CT成像和數字圖像相關技術，通過數字層狀各向異性指數和數字損傷比對層狀各向異性損傷和空間裂紋演化進行了定量分析，研究了單軸壓縮條件下砂巖的空間裂紋行為;周尚志等17對CT圖像的幾何信息和CT數進行統計，定量化描述混凝土體損傷破裂演化;田威等18以混凝土為研究對象，運用CT實時掃描觀測分析破裂過程;劉俊新等19對受載泥頁巖試樣進行CT掃描分析其內部裂紋擴展過程;鄧遠剛等20對失穩破壞后的巖石斷裂面進行CT掃描并分析裂紋擴展演化規律;劉京紅等21將混凝土CT掃描圖像進行三維模型重構，結合分形理論定量描述裂紋擴展規律;姬程飛等22對CT掃描圖像進行圖像處理分析研究巖石內部孔隙結構特征。
上述學者運用工業CT掃描觀測分析巖石失穩破壞過程，其中針對不同加載階段的裂隙擴展演化特征進行多尺度的定性、定量分析相對較少。鑒于此，筆者為了定量刻畫受載巖石變形破壞過程中內部裂隙動態擴展演化過程，進行單軸循環加卸載實驗以及工業CT掃描試驗，對各應力加載階段掃描所得巖石切片圖像進行矢量化處理構建裂隙體三維可視化模型�；诩虞d過程中的CT掃描階段，從整體到局部、從宏觀到細觀，多尺度統計分析裂隙網絡結構特征參數以及分布形態，從而量化表征巖石破裂過程中裂隙動態擴展演化過程。
在此基礎上，提取裂隙演化路徑上的破壞形態特征并獲取關鍵特征周邊礦物信息，進一步揭示巖石斷裂破壞機制。研究結論可為探究巖石失穩破壞裂隙演化規律提供科學依據，為巖土工程中動力災害發生機理和防治技術研究提供理論基礎，為科學評價巖土工程的安全穩定性提供理論支撐。
2實驗設計
2.1巖樣制備
本次實驗所用的巖石試件為粗粒紅砂巖，試件呈顆粒狀碎屑結構，主要由碎屑顆粒和填隙物組成，其中碎屑顆粒主要為石英、長石及巖屑，顆粒大小在0.5～30mm不等，填隙物主要為泥質、碳酸鹽礦物及細粉砂，碎屑顆粒和填隙物之間為孔隙式膠結。利用室內專業切割機將巖石加工成尺寸為100mm×100mm×100mm的正方體試件，并采用磨石機將巖石試件的端面以及邊緣處進行打磨處理，然后將巖石試件進行標號(CGRSCT，CoarseGrainRedSandstoneCT，粗顆粒紅砂巖CT)并放置在實驗室環境中以備預實驗以及后續實驗使用。
2.2實驗設備
本次實驗的實驗設備包括單軸壓縮加載系統和工業CT掃描成像系統，單軸壓縮加載系統采用TAW3000型電液壓伺服巖石加載壓力機，軸向壓力最大可達到000kN，加載精度誤差不超過1%。CT掃描成像系統采用通用電氣公司GE旗下的德國Phoenix微焦點射線工業CT，該系統的細節分辨率可達到1μm，能夠清晰、直觀地展示巖石內部的結構、組成和缺陷狀況，結合專業CT圖像軟件VGStudioMax以及Avizo軟件可以進行快速數據采集、三維模型重建以及數據處理分析。
2.實驗方案
中科院地質所李曉等23研發的高能加速器CT可旋轉式巖石力學剛性伺服試驗機，首次實現了大尺度試樣、模擬深部地層溫壓環境、可透視巖石損傷破裂全過程的試驗目標，但目前采用工業CT對破裂過程進行實時掃描的研究多以小尺寸巖石試樣為主2425，針對較大尺寸巖石試樣進行的研究較少。并且在進行地下開采、巷道掘進以及硐室開挖等實際巖土工程的施工活動中，巖體往往處于反復加卸載的受力環境中26。為了研究裂紋階段性擴展演化特征規律，深入了解巖石破裂過程，決定采用單軸循環加卸載的加載方式，并結合工業CT掃描進行實驗。
3裂隙擴展演化特征規律分析
3.1二維裂紋擴展定性描述
為了研究巖石破裂在各加載階段中裂紋動態擴展演化過程，對CT掃描切片圖像進行灰度均衡化處理以方便觀察，并且對裂紋擴展行為進行階段定性描述。階段Ⅰ：初始狀態的巖石試樣左側存在一條原生裂紋A1，增加荷載，裂紋A1微張，右上方礫石邊界處出現新生裂紋B1;階段Ⅱ：原生裂紋A1生長發育，左上方萌生新裂紋A2，B1沿礫石邊界繼續擴展形成次生裂紋，裂紋B2自右下方萌生并沿軸向與B1次生裂紋相遇形成剪切合并，隨后繼續擴展;階段Ⅲ：裂紋A1、A2繼續擴展演化，左上方出現新生裂紋A3，裂紋B1擴張并在合并點位置衍生新裂紋向下擴展，裂紋B2沿軸向向上延伸并演化出大量衍生裂紋，在B2左側的礫石邊界處出現新生裂紋B3、B4;階段Ⅳ：此時處于峰后殘余應力階段，受載巖石發生變形破壞，內部的宏觀裂紋相互匯集，并最終貫通形成復雜的裂紋網絡。
3.2裂紋局部擴展特征分析
觀察巖石破裂后內部裂隙結構主要由原生裂隙面區域、礫石周邊新生裂隙區域以及二者貫通區域三部分共同組成，為了進一步研究巖石裂紋擴展演化過程，本部分將在上節巖石裂隙發育整體性定量表征的基礎上，對巖石內局部裂紋擴展過程進行量化分析。構建與巖石試樣等比例(100mm×100mm×100mm)的三維坐標系，將CT圖像堆棧放置于坐標系內，選取YZ、XZ、XY方向內10mm、50mm、90mm處的CT切片進行分析，提取各應力階段下CT圖像中的裂紋并將其面積作為裂紋特征參數進行統計研究，量化表征巖石破裂過程中的局部裂紋擴展演化特征。
巖石論文投稿刊物：《巖石礦物學雜志》創刊于1982年。自創刊以來始終遵循“百花齊放，百家爭鳴”的辦刊方針，堅持普及與提高并舉的辦刊宗旨，開展學術交流和討論，以廣大地學科研、教學人員為主要讀者對象，為加速現代化建設服務。
4結論
(1)將巖石內部裂隙三維可視化處理，利用裂隙體積、表面積及分形維數等特征參數將裂隙擴展過程量化，這類參量均呈現出“基本不變→小幅增大→大幅激增”的變化規律，與巖石破壞過程中的各應力階段相對應，可表征加載過程中巖石的損傷弱化過程，其中階段Ⅲ(非穩定破裂發展階段)中裂隙體積增長貢獻率為75.6%，裂隙結構特征參數增速較快且變化幅度較大，說明巖石破裂過程中裂隙擴展演化主要在此階段進行;(2)以CT掃描切片圖像的裂紋面積為特征參數來量化巖石局部裂紋擴展過程，實現從整體到局部多尺度全方位的分析過渡，其中原生裂隙面區域最先產生裂隙，礫石富集應力集中區域最終破壞程度最大，在時空層次與巖石三維裂隙擴展演化特征一致。(3)巖礦鑒定實驗結果對裂紋擴展形態特征的形成機制進行研究，巖石細觀結構對裂隙擴展影響較大，著重分析了遇到礫石后裂隙的擴展方式，總結得出裂隙擴展存在三種方式，繞礫擴展、穿礫擴展及分叉擴展，在細觀尺度上對裂隙擴展演化行為有了進一步的認識。
參考文獻
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作者：張艷博1,，徐躍東1,2，劉祥鑫1,2，姚旭龍1,2，王帥1,2，梁鵬1,2，孫林1,2，田寶柱1,2
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