孫華飛,鞠 楊,行明旭,王曉斐,楊永明,3

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100083;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221008; 3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

基于CT圖像的土石混合體破裂－損傷的三維識(shí)別與分析

孫華飛1,鞠 楊2,3,行明旭1,王曉斐1,楊永明1,3

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院,北京 100083;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深部巖土力學(xué)與地下工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇徐州 221008; 3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083)

土石混合體是一種特殊的非連續(xù)非均勻地質(zhì)材料,傳統(tǒng)的巖土力學(xué)試驗(yàn)方法與分析理論難以直接用于分析其變形破壞行為。發(fā)展了一種基于CT掃描和圖像處理技術(shù)的內(nèi)部破裂與損傷的三維識(shí)別方法,利用自行開(kāi)發(fā)的裂紋識(shí)別提取程序提取和分析了單軸壓縮下不同含石率土石混合體變形破壞時(shí)的內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化特征,建立了土石混合體破裂－損傷的三維重構(gòu)模型,定量地分析了單軸壓縮條件下土石混合體的內(nèi)部損傷演化規(guī)律以及含石量的影響和作用。研究表明:該方法可以直觀定量地表征土石混合體變形破壞的內(nèi)部損傷特征與演化規(guī)律。石塊對(duì)土石混合體損傷發(fā)展的影響與含石量密切相關(guān),存在一個(gè)臨界含石率。

土石混合體;CT識(shí)別;破裂;損傷;含石率

Key words:soil-rock mixture(SRM);CT identification;fracture;damage;ratio of rock content

土石混合體是礦山、地質(zhì)、水力水電和隧道工程建設(shè)面對(duì)的一種特殊的非連續(xù)、非均質(zhì)材料,由具有一定尺寸、高彈性模量的巖塊和低彈性模量的土體,經(jīng)堆積或積壓而成,其物理力學(xué)性質(zhì)介于土體與碎裂巖體之間[1－4]。這種非均質(zhì)、非連續(xù)和非線性特征不僅決定了土石混合體變形破壞和內(nèi)部細(xì)觀機(jī)理的特殊性,也決定了其研究方法與傳統(tǒng)巖土力學(xué)方法的重大差異,常規(guī)巖土力學(xué)的試驗(yàn)方法和分析理論很難直接用于這種特殊介質(zhì)。近年來(lái),隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,我國(guó)大型甚至超大型水利水電、交通運(yùn)輸和地下工程設(shè)施建設(shè)日益增多,土石混合體邊坡和隧洞圍巖的穩(wěn)定性問(wèn)題十分突出,亟待建立土石混合體變形破壞的基礎(chǔ)理論和分析方法去指導(dǎo)工程實(shí)踐、確保工程安全。因此,深入研究土石混合體的變形破壞性質(zhì)及其細(xì)觀機(jī)理,對(duì)于構(gòu)建土石混合體變形破壞的理論分析體系、科學(xué)準(zhǔn)確地評(píng)判工程地質(zhì)體的穩(wěn)定性具有重大的科學(xué)研究?jī)r(jià)值和工程實(shí)際意義。近年來(lái),土石混合體研究取得了不少成果。例如,徐文杰和胡瑞林通過(guò)野外循環(huán)加載下的水平推剪試驗(yàn)研究,得到了土石混合體水平推剪試驗(yàn)的加卸荷曲線,并對(duì)這類土石混合體在循環(huán)荷載作用下力學(xué)特性的發(fā)生機(jī)理及基本規(guī)律進(jìn)行了研究[5];Vallejo和Mawby通過(guò)對(duì)不同孔隙率的土石混合體試樣進(jìn)行室內(nèi)直剪實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)土石混合體的剪切強(qiáng)度在很大程度上取決于石塊與土的相對(duì)聚集程度[6];張亞南等利用應(yīng)力波傳播特性拾取土石混合體塊石結(jié)構(gòu)特征的方法,建立了波動(dòng)響應(yīng)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征(含石率、塊石特征尺寸、土石分布規(guī)律)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系[7];廖秋林等進(jìn)行了土石混合體的單軸壓縮試驗(yàn),并分析了其壓密特性與機(jī)制[8]; Liu等用有限元方法對(duì)土石混合體斜坡雨水滲透的數(shù)值模型進(jìn)行了計(jì)算,分別在均質(zhì)和非均質(zhì)介質(zhì)中對(duì)非穩(wěn)定的雨水滲透問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值模擬,并得到了相關(guān)結(jié)論[9];董云和柴賀軍根據(jù)分形幾何學(xué)原理,初步建立了剪切面分形維數(shù)與混合料抗剪強(qiáng)度之間的關(guān)系,用來(lái)快速預(yù)測(cè)土石混合料的強(qiáng)度指標(biāo)[10];董云研究發(fā)現(xiàn),土石混合料的剪切破壞在高應(yīng)力條件下不再完全符合庫(kù)侖定律,初步建立了土石混合料指標(biāo)隨各影響因素(地質(zhì)條件、含石量、粒度分布范圍及顆粒粒徑等)的變化規(guī)律[11]。更詳細(xì)的土石混合體研究進(jìn)展分析參見(jiàn)文獻(xiàn)[12]。

作為一種復(fù)雜的非均質(zhì)非連續(xù)材料,土石混合體內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)其物理力學(xué)性質(zhì)及破壞方式起決定性作用。為了研究土石混合體受載時(shí)內(nèi)部開(kāi)裂的產(chǎn)生與擴(kuò)展及其細(xì)觀損傷演化機(jī)理,一些學(xué)者利用土石混合體的二維幾何結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行研究。例如,油新華基于隨機(jī)模擬的模型自動(dòng)生成技術(shù)對(duì)塊體的空間位置、大小、方位3個(gè)隨機(jī)變量的實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)、分布函數(shù)、生成方法等方面進(jìn)行了深入的研究[13];Yue等基于數(shù)字圖像處理的有限元方法,在考慮非均勻性的基礎(chǔ)上對(duì)地質(zhì)材料力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析,該方法主要用于二維線彈性問(wèn)題[14];Xu等使用基于數(shù)字圖像的有限元分析方法,研究了土石混合體的細(xì)觀結(jié)構(gòu)及其細(xì)觀力學(xué)特性[15],建立了土石混合體三維模型,研究其裂紋的空間形態(tài)以及在不同方向的演化規(guī)律。然而,現(xiàn)有研究很少涉及土石混合體破裂以及損傷的三維識(shí)別,特別是,缺乏對(duì)內(nèi)部破壞與損傷機(jī)理的定量分析。

本文對(duì)土石混合體的單軸壓縮破壞全過(guò)程進(jìn)行了CT掃描實(shí)驗(yàn)。利用三維數(shù)字圖像處理技術(shù)、自行開(kāi)發(fā)的裂縫識(shí)別程序與三維模型重構(gòu)方法,提取和定量分析了單軸壓縮破壞過(guò)程中土石混合體的內(nèi)部破裂與損傷行為,描述了內(nèi)部裂紋在三維空間中的分布與演化特征。提出了土石混合體內(nèi)部損傷的表征方法,并對(duì)土石混合體損傷演化的規(guī)律進(jìn)行了定量分析。

1 CT掃描實(shí)驗(yàn)

為研究土石混合體內(nèi)部破裂和損傷的演化規(guī)律,本文對(duì)單軸壓縮下不同含石率土石混合體的破壞過(guò)程進(jìn)行了CT掃描實(shí)驗(yàn)。制備一批高68 mm、直徑34 mm的圓柱形土石混合體試件。首先,用篩過(guò)濾得到不同級(jí)配的土、砂和石塊,用烘箱進(jìn)行干燥。按粒徑級(jí)配和質(zhì)量配比的要求將砂和土混合,加水配成含水率為15%的素土。制備土石混合體時(shí),按質(zhì)量百分比將石塊和素土混合,放入模具,分層夯實(shí),制成不同含石率的土石混合體試件。試件兩端各填補(bǔ)5 mm素土層找平。對(duì)試件進(jìn)行室溫養(yǎng)護(hù),當(dāng)含水率降到指定值時(shí)脫模得到壓縮和CT掃描用的試件。為了考察土石混合體中含石量的影響,筆者設(shè)計(jì)了4種不同含石率,即0(素土),10%,30%和50%,石料為礫石。土石混合體材料配比和用量詳見(jiàn)文獻(xiàn)[16]。對(duì)單軸壓縮過(guò)程中不同載荷時(shí)期進(jìn)行CT掃描,即:未加載、峰前40%Pu、峰前70%Pu、峰值荷載Pu、峰后70%Pu、峰后40%Pu。當(dāng)軸向壓力達(dá)到設(shè)計(jì)載荷水平時(shí),開(kāi)始對(duì)試件進(jìn)行實(shí)時(shí)CT掃描;完成掃描后繼續(xù)加載,進(jìn)行下一個(gè)載荷水平的CT掃描。為減少端部效應(yīng)的影響,掃描集中在試件中間1/3高度范圍,切片間距為0.2 mm,每個(gè)加載階段得到116張1 024像素×1 024像素的水平切面圖,如圖1所示。

圖1 原始CT圖像(以含石率10%為例)Fig.1 Original CT image(A sample of the rock ratio of 10%)

2 破裂-損傷的三維識(shí)別

計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像是由一系列矩形排列的像素點(diǎn)構(gòu)成。例如,8位灰度圖中,每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)0～255整數(shù)值,分別代表不同的灰度值。因此,我們可以建立x－y坐標(biāo)系,用離散函數(shù)f(x,y)來(lái)表示一幅m×n像素大小圖像:

其中,x(1≤x≤m)和y(1≤y≤n)分別為像素點(diǎn)所在的行和列,每個(gè)f(x,y)代表該點(diǎn)的灰度值。由不同灰度值組成的像素點(diǎn)陣構(gòu)成了整幅圖像,不同的灰度值分別代表了圖像所包含的不同信息,這些像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的各個(gè)離散數(shù)據(jù)便成為下一步數(shù)字圖像處理的基礎(chǔ)[17]。

2.1 圖像濾波

通過(guò)CT掃描獲取的圖像往往都存在噪聲,如圖1所示,CT原始圖像中存在大量噪點(diǎn)以及一些細(xì)微的環(huán)形偽影,這對(duì)圖像識(shí)別造成了一定困難。如果直接對(duì)圖像進(jìn)行特征提取而不作任何處理,便會(huì)產(chǎn)生很多虛假特征點(diǎn),對(duì)后續(xù)分析造成不利影響。因此,要從帶有噪聲的信號(hào)中提取出真實(shí)有用的信息,在圖像處理之前需要對(duì)灰度圖進(jìn)行濾波處理。根據(jù)本次實(shí)驗(yàn)所獲取CT圖像的噪聲特點(diǎn),本文使用高斯濾波器和中值濾波算法,有效地濾除和降低了原圖中的噪點(diǎn)和環(huán)形偽影。

2.2 多閾值分割

閾值分割是一種簡(jiǎn)單而常用的數(shù)字圖像分割方法。多閾值分割是指根據(jù)CT圖像中所要提取的土石混合體不同成分在灰度特性上的差異,通過(guò)選取合適的灰度閾值對(duì)圖像進(jìn)行分割,從而區(qū)分各個(gè)目標(biāo)。本文依照下面的公式對(duì)圖像進(jìn)行多閾值分割,將原始CT圖像轉(zhuǎn)換為只包含3種灰度的圖像:

式中,f(x,y)為原始圖像中各個(gè)像素點(diǎn)的灰度值; f′(x,y)為閾值分割后圖像中各個(gè)像素點(diǎn)的灰度值; T1和T2為所設(shè)置的灰度閾值,當(dāng)原圖某像素點(diǎn)灰度值屬于由閾值劃分的某一灰度范圍時(shí),該像素點(diǎn)被賦予新的灰度值G1,G2或G3。圖2為多閾值分割結(jié)果,圖中含有3種顏色,其中黑色代表裂紋和背景,灰色代表土體,而白色為土石混合體內(nèi)部的石塊。從圖2不難發(fā)現(xiàn),靠近試件邊緣的白色過(guò)多,很多連成一片,導(dǎo)致識(shí)別出的石塊面積過(guò)大,并且有些裂紋還沒(méi)有完全顯示出來(lái)。僅僅依靠多閾值分割不能很好的提取土石混合體內(nèi)部的裂紋與石塊特征。

圖2 多閾值分割Fig.2 Multiple-threshold

2.3 灰度補(bǔ)償

通過(guò)對(duì)所有素土在未加載時(shí)的圖像進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)圖像中越靠近外圍的像素點(diǎn)灰度值越高,表現(xiàn)為中間偏暗而邊緣偏亮。然而素土的成分相同且均勻,在還未加載時(shí)也不存在開(kāi)裂的情況,理論上試件各處的灰度值應(yīng)基本相同。所以CT圖像和試件實(shí)際情況之間存在的這種差異,便是造成圖2中多閾值分割效果不佳的主要原因所在。為了消除不利影響,本文統(tǒng)計(jì)了所有素土未加載圖像的像素值,計(jì)算了圖像中各像素點(diǎn)相對(duì)于試件中心的灰度差值。假設(shè)CT設(shè)備對(duì)每幅圖像所產(chǎn)生影響相同,本文將統(tǒng)計(jì)所得的灰度差值,在多閾值分割前,按相同方法補(bǔ)償?shù)剿袌D像中去。

基于灰度補(bǔ)償?shù)亩嚅撝捣指罱Y(jié)果如圖3所示,可以看出灰度補(bǔ)償取得了比較理想的效果:試件邊緣部分的大面積白色明顯減少,變成一個(gè)個(gè)分離的小塊,與圖1中石塊的形狀與位置具有明顯的一致性;同時(shí)試件邊緣的一些裂紋顯現(xiàn)了出來(lái),使裂紋變得更加完整。

圖3 灰度補(bǔ)償Fig.3 Gray value compensationn segmentation

2.4 平滑處理

為了減弱圖像中石塊的鋸齒化程度使其邊緣光滑,需要對(duì)石塊進(jìn)行平滑處理,而不影響裂紋的形態(tài),以免破壞裂紋的細(xì)節(jié)信息。首先,在灰度補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上提取圖像中白色石塊,即灰度為255的像素點(diǎn),將其另存為一幅只含石塊和背景的圖像。然后,采取中值濾波的方法,選取適當(dāng)參數(shù),對(duì)石塊圖像進(jìn)行平滑處理。最后,將平滑后石塊圖像通過(guò)邏輯運(yùn)算添加到平滑前的圖像便得到了結(jié)果。

2.5 雜點(diǎn)消除

經(jīng)過(guò)上述幾步處理之后,仍然有大量小點(diǎn)雜亂的分布于土石混合體圖像內(nèi)部。作者自行開(kāi)發(fā)了雜點(diǎn)消除程序?qū)D像做進(jìn)一步處理。該程序主要包含以下幾個(gè)步驟:首先設(shè)置一個(gè)長(zhǎng)度閾值L(以像素點(diǎn)為單位);然后逐一檢測(cè)圖像中具有相同灰度值的單個(gè)區(qū)域并計(jì)算該區(qū)域在水平和豎直方向的投影長(zhǎng)度L1和L2。如果L1和L2均小于L,這說(shuō)明所檢測(cè)區(qū)域足夠小,則該區(qū)域的灰度值被其周圍相鄰的灰度值所替代,即消除了該區(qū)域。通過(guò)該程序,圖像中雜亂分布的白色、黑色以及灰色小點(diǎn)全部被替換為各自周圍的灰度值,實(shí)現(xiàn)了雜點(diǎn)的消除。

2.6 背景的提取

經(jīng)過(guò)以上處理,還不能很好的分離出土石混合體圖像中所有的目標(biāo),因?yàn)樵嚰?nèi)部的裂紋和外部的空間都被空氣填充,二者的物理性質(zhì)相同,導(dǎo)致CT掃描圖像中裂紋的灰度和背景的灰度十分相近。經(jīng)過(guò)閾值分割后,二者均為黑色,難以區(qū)分,這會(huì)對(duì)后續(xù)三維模型重構(gòu)、裂紋形態(tài)及損傷分析等造成不利影響。為此,本文基于試件的幾何形狀及其與背景的位置關(guān)系,通過(guò)自編程序?qū)α鸭y與背景進(jìn)行了分離,如圖4所示。圖中淺灰色(灰度值為200)為分離出的背景,與試件其他部分形成鮮明對(duì)比,為后續(xù)工作的順利進(jìn)行提供了保障。

圖4 最終圖像處理結(jié)果Fig.4 The final processed image

3 三維模型重構(gòu)

為了分析土石混合體三維空間裂紋形態(tài)以及不同加載階段的發(fā)展規(guī)律,本文采用自行開(kāi)發(fā)的三維重構(gòu)算法,基于MIMICS平臺(tái)對(duì)土石混合體的CT掃描結(jié)果進(jìn)行了三維重構(gòu)。圖5繪出了利用三維重構(gòu)得到的單軸受壓時(shí)不同含石率土石混合體在不同加載時(shí)期,即未加載、峰值前40%Pu、峰值前70%Pu、100%Pu、峰值后70%Pu以及峰值后40%Pu時(shí)刻的內(nèi)部結(jié)構(gòu)演化與開(kāi)裂模式,其中Pu表示受壓破壞時(shí)的峰值荷載。圖5中白色部分代表石塊、透明的淺灰色部分為均質(zhì)土體、深黑色部分為受壓開(kāi)裂裂紋。從左至右圖像分別為含石率0,10%,30%和50%的土石混合體。

通過(guò)不同含石率土石混合體在各個(gè)加載階段的三維形態(tài)對(duì)比,可以發(fā)現(xiàn):在單軸壓縮破壞下土石混合體的開(kāi)裂主要沿豎直方向發(fā)展;在荷載達(dá)到峰值以前,除原本就存在的空隙外,各含石率試件內(nèi)部基本沒(méi)有新裂紋產(chǎn)生,但當(dāng)所受荷載超過(guò)峰值以后,試件內(nèi)部出現(xiàn)明顯的開(kāi)裂;在低含石率(0和10%)土石混合體內(nèi)部,裂紋數(shù)量較少,容易出現(xiàn)粗而長(zhǎng)的裂紋,有的甚至貫穿整個(gè)試件截面;相對(duì)而言,在高含石率(30%和50%)土石混合體內(nèi)部,裂紋數(shù)量較多,容易出現(xiàn)細(xì)而短的裂紋。該結(jié)果說(shuō)明,石塊在一定程度上約束了土石混合體的變形,阻礙了試件內(nèi)部較大裂紋的擴(kuò)展,使裂紋保持在細(xì)而短的狀態(tài)。

4 損傷分析

損傷變量是表征材料或結(jié)構(gòu)劣化程度的量度,直觀上可理解為微裂紋或孔洞在整個(gè)材料中所占體積的百分比。本文將損傷變量D定義為試件某一截面上裂紋面積與試件總面積(包括裂紋)的比值,其公式為

圖5 單軸受壓時(shí)不同加載時(shí)期不同含石率的土石混合體內(nèi)部開(kāi)裂和損傷的三維CT圖像Fig.5 3D CT images of the internal fractures and damage of SRM subjected to uniaxial compression at different loading stages

式中,S1為裂紋面積;S為試件總面積。

由于裂紋所對(duì)應(yīng)的灰度值為0,因此可以通過(guò)計(jì)算機(jī)程序來(lái)統(tǒng)計(jì)圖像中灰度值為0的像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)來(lái)獲取裂紋面積,同理試件的總面積也可求得。在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中,公式轉(zhuǎn)換為

其中,N1為某一切面上裂紋所占的像素點(diǎn)的個(gè)數(shù);N為某一切面上試件所占的像素點(diǎn)的總個(gè)數(shù)。圖6為各含石率土石混合體在單軸壓縮不同加載階段水平裂紋形態(tài)以及損傷的演化發(fā)展過(guò)程。由于試件間的差異圖中標(biāo)出的圓點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是實(shí)際CT掃描的6個(gè)加載階段;D1至D6分別為試件在每個(gè)加載階段所有水平切面的平均損傷值;并給出了試件在各個(gè)加載階段同一層水平切面的裂紋發(fā)展過(guò)程。圖7為不同含石率試件在水平方向平均損傷值隨應(yīng)變的變化規(guī)律。

圖6 不同含石率土石混合體在水平方向的開(kāi)裂－損傷演化過(guò)程Fig.6 The evolution of horizontal fracture-damage of SRM with different rock contents

從圖6和圖7可以看出,在荷載達(dá)到峰值以前,土石混合體內(nèi)部幾乎沒(méi)有裂紋產(chǎn)生,平均損傷值維持在一個(gè)較低的水平,其在荷載增加的過(guò)程中幾本沒(méi)有變化。在高含石率(30%和50%)試件內(nèi)部,水平損傷在初始階段略微下降,可能由試件內(nèi)部初始空隙在加載時(shí)的壓密所至。然而,一旦荷載到達(dá)峰值以后,土石混合體開(kāi)始出現(xiàn)明顯的開(kāi)裂,隨著豎向位移的增加,開(kāi)裂逐漸加大,新的裂紋不斷出現(xiàn)。在此過(guò)程中,試件在水平方向的損傷顯著增加,并伴隨有不斷加大的趨勢(shì)。

從圖7可以發(fā)現(xiàn),對(duì)于含石量為0,10%和30%的土石混合體,其損傷隨含石率的升高呈下降趨勢(shì);而當(dāng)含石率增加為50%時(shí),破裂和損傷有所增加。文獻(xiàn)[2]的實(shí)驗(yàn)也有類似的現(xiàn)象。造成這種現(xiàn)象的原因,筆者認(rèn)為是石塊對(duì)于土石混合體的損傷演化起了不同的作用。一方面,石塊在一定程度上阻礙試件內(nèi)部較大裂紋的擴(kuò)展,使裂紋保持在細(xì)而短的狀態(tài),對(duì)損傷的發(fā)展起抑制作用;而另一方面,破裂往往延石塊與土體交界面發(fā)展,石塊含量的增多導(dǎo)致裂紋數(shù)量的增多,對(duì)損傷的發(fā)展起促進(jìn)作用。這兩方面的綜合影響最終確定了損傷的發(fā)展情況。

圖7 平均水平損傷隨應(yīng)變的變化規(guī)律Fig.7 Evolution of average horizontal damage varying with strains

通過(guò)上述分析,筆者認(rèn)為:含石量較低時(shí),石塊對(duì)損傷發(fā)展的抑制作用大于促進(jìn)作用,導(dǎo)致?lián)p傷隨石塊含量增加而減小;而含石量較高時(shí),石塊對(duì)損傷發(fā)展的促進(jìn)作用大于抑制作用,導(dǎo)致?lián)p傷隨石塊含量增多而增大。石塊對(duì)土石混合體損傷演化的影響存在一個(gè)臨界含石率,從本文實(shí)驗(yàn)來(lái)看,該臨界含石率應(yīng)該介于30%～50%,更準(zhǔn)確的數(shù)值有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)確認(rèn)。

5 結(jié) 論

(1)在單軸壓縮破壞下土石混合體的開(kāi)裂主要沿豎直方向發(fā)展,在荷載達(dá)到峰值以前,各含石率土石混合體內(nèi)部基本沒(méi)有裂紋產(chǎn)生,一旦荷載超過(guò)峰值,土石混合體內(nèi)部隨即出現(xiàn)明顯的開(kāi)裂。

(2)石塊的存在對(duì)于土石混合體的變形起到了約束作用,阻礙了其內(nèi)部較大裂紋的擴(kuò)展,導(dǎo)致低含石率土石混合體內(nèi)部易出現(xiàn)數(shù)量較少的粗而長(zhǎng)的裂紋,有的甚至貫穿整個(gè)試件截面;相對(duì)而言,在高含石率土石混合體內(nèi)部,易出現(xiàn)數(shù)量較多的細(xì)而短的裂紋。

(3)在荷載達(dá)到峰值以前,土石混合體水平方向的平均損傷值維持在一個(gè)較低的水平,基本不隨荷載的增加而發(fā)生變化。然而,一旦荷載到達(dá)峰值,土石混合體內(nèi)部開(kāi)始出現(xiàn)明顯的開(kāi)裂,隨著豎向位移的增加,開(kāi)裂逐漸加大,新的裂紋不斷出現(xiàn)。在此過(guò)程中,土石混合體在水平方向的損傷開(kāi)始顯著增加,并伴隨有不斷加塊的趨勢(shì)。

(4)石塊對(duì)土石混合體損傷發(fā)展的作用與含石率密切相關(guān)。含石量較低時(shí),石塊對(duì)損傷發(fā)展的抑制作用大于促進(jìn)作用,損傷隨石塊含量增加而減小;而含石量較高時(shí),石塊對(duì)損傷發(fā)展的促進(jìn)作用要大于抑制作用,損傷隨石塊含量增多而增大。石塊對(duì)損傷演化的影響存在一個(gè)臨界含石率。

需要指出的是,本文重點(diǎn)探討了基于CT掃描的土石混合體損傷的識(shí)別和分析方法,并在此基礎(chǔ)上,提出了一種土石混合體損傷的定量表征方法,分析了含石量對(duì)土石混合體損傷演化的影響。至于塊石的種類、形貌、強(qiáng)度,土的種類和物性以及含水率對(duì)土石混合體損傷演化的影響,筆者將另文研究和分析。

[1] 鐘立勛.意大利瓦依昂水庫(kù)滑坡事件的啟示[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),1994,5(2):77－83.

Zhong Lixun.Enlightenments from the accident of Vaiont landside in Italy[J].The Chinese Journal of Geological Hazard and Control, 1994,5(2):77－83.

[2] Li X,Liao Q L,He J M.In-situ tests and stochastic structural model of rock and soil aggregate in the Three Gorges Reservoir area[J].International Journal of Rock Mechanics&Mining Sciences,2004, 41(3):313－318.

[3] 殷躍平.長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)移民遷建新址重大地質(zhì)災(zāi)害及防治研究[M].北京:地質(zhì)出版社,2004.

[4] 廖秋林,李 曉,郝 釗,等.土石混合體的研究現(xiàn)狀及研究展望[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2006,14(6):800－807.Liao Qiulin,Li Xiao,Hao Zhao,et al.Current status and futuretrends of studies on rock and soil aggregates(RSA)[J].Journal of Engineering Geology,2006,14(6):800－807.

[5] 徐文杰,胡瑞林.循環(huán)荷載下土石混合體力學(xué)特性野外試驗(yàn)研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2008,16(1):63－69.

Xu Wenjie,Hu Ruilin.Field horizontal push sheer test for mechanical property of soil-rock mixtures under cyclic loading[J].Journal of Engineering Geology,2008,16(1):63－69.

[6] Vallejo L E,Mawby R.Porosity influence on the shear strength of granular material-clay mixtures[J].Engineering Geology,2000, 58(2):125－136.

[7] 張亞南,馮 春,李世海.采用波動(dòng)方法探測(cè)土石混合體結(jié)構(gòu)特性的可行性研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2011,30(9):1855－1863.

Zhang Yanan,Feng Chun,Li Shihai.Feasibility study of wave method for detecting structural properties of soil-rock mixtures[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2011,30(9): 1855－1863.

[8] 廖秋林,李 曉,李守定.土石混合體重塑樣制備及其壓密特征與力學(xué)特性分析[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2010,18(3):385－391.

Liao Qiulin,Li Xiao,Li Shouding.Sample remodeling,compactness characteristic and mechanical behaviors of rock-soil mixtures[J].Journal of Engineering Geology,2010,18(3):385－391.

[9] Liu Yuewu,Liu Qingquan,Chen Huixin,et al.Numerical study on rainfall infiltration in rock-soil slop[J].Science in China Ser.E, 2005,48(1):33－46.

[10] 董 云,柴賀軍.土石混合料剪切面分形特征試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2007,28(5):1015－1020.

Dong Yun,Chai Hejun.Experimental study on fractal character of shear surface of rock-soil aggregate mixture[J].Rock and Soil Mechanics,2007,28(5):1015－1020.

[11] 董 云.土石混合料強(qiáng)度特性的試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué), 2007,28(6):1269－1274.

Dong Yun.Experimental study on intensity character of rock-soil aggregate mixture[J].Rock and Soil Mechanics,2007,28(6): 1269－1274.

[12] 孫華飛,鞠 楊,王曉斐,等.土石混合體變形破壞及細(xì)觀機(jī)理研究的進(jìn)展[J].中國(guó)科學(xué)E輯,2013,44(2):172－181.

Sun Huafei,Ju Yang,Wang Xiaofei,et al.Review on the study of deformation,failureandmeso-mechanismsofsoil-rock mixture(SRM)[J].Science China E,2013,44(2):172－181.

[13] 油新華.土石混合體的隨機(jī)結(jié)構(gòu)模型及其應(yīng)用研究[D].北京:北京交通大學(xué),2002.

You Xinhua.Stochastic structural model of the earth-rock aggregate and its application[D].Beijing:Beijing Jiaotong University,2002.

[14] Yue Z Q,Chen S,Tham L G.Finite element modeling of geomaterials using digital image processing[J].Computers and Geotechnics, 2003,30(5):375－397.

[15] Xu Wenjie,Yue Zhongqi,Hu Ruilin.Study on the mesostructure and mesomechanical characteristics of the soil-rock mixture using digital image processing based finite element method[J].International Journal of Rock Mechanics&Mining Sciences,2008, 45(5):749－762.

[16] Sun Huafei,Yang Zengkun,Xing Mingxu,et al.CT Investigation of Fracture Mechanism of Soil-Rock Mixtures[J].Applied Mechanics and Materials,2012,208,67－71.

[17] 徐文杰,胡瑞林,岳中琦,等.土石混合體細(xì)觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)特性數(shù)值模擬研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007,26(2):300－311.

Xu Wenjie,Hu Ruilin,Yue Zhongqi,et al.Mesostructural character and numerical simulation of mechanical properties of soil-rock mixtures[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007,26(2):300－311.

3D identification and analysis of fracture and damage in soil-rock mixtures based on CT image processing

SUN Hua-fei1,JU Yang2,3,XING Ming-xu1,WANG Xiao-fei1,YANG Yong-ming1,3

(1.School of Mechanics and Civil Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;2.State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering,China University of Mining&Technology,Xuzhou 221008,China 3.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining&Technology(Beijing),Beijing 100083,China)

Soil-rock mixture(SRM)is a unique type of discontinuous and inhomogeneous geomaterials.It is very difficult to analyze the deformation and failure of SRM using the experimental techniques and analytical theories of conventional soil mechanics.A novel 3D identification method was proposed to identify the fracture and damage of SRM based on CT and image processing techniques.Using the self-developed identification algorithm and computer program,we extracted and analyzed the mesoscopic characteristics of interior fractures of SRM with various rock contents subject to uniaxial compressive loads.A 3D model was reconstructed to represent the fracture and damage of SRM,based on which the damage evolution and characteristics of SRM under uniaxial compression and the effects of rock contents were determined.It is shown that the properties and evolution of fracture and damage of SRM can be characterized visually and quantitatively through the proposed method.The damage evolution of SRM and the effects of rock closely relate to the rock content.There is a critical ratio of rock content.

TD313

A

0253－9993(2014)03－0452－08

孫華飛,鞠 楊,行明旭,等.基于CT圖像的土石混合體破裂－損傷的三維識(shí)別與分析[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(3):452－459.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1729

Sun Huafei,Ju Yang,Xing Mingxu,et al.3D identification and analysis of fracture and damage in soil-rock mixtures based on CT images processing[J].Journal of China Coal Society,2014,39(3):452－459.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1729

2013－11－21 責(zé)任編輯:常 琛

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2010CB226804);國(guó)家杰出青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51125017);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51374213)

孫華飛(1969—),女,黑龍江哈爾濱人,講師,實(shí)驗(yàn)師。Tel:010－62339329,E－mail:shf@cumtb.edu.cn