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        花崗巖中礦物形狀變化與裂紋擴(kuò)展關(guān)系研究

        2019-03-26 08:11:18涂齊亮董福云
        鐵道建筑技術(shù) 2019年11期
        關(guān)鍵詞:黑云母長石石英

        涂齊亮 董福云

        (中鐵十七局集團(tuán)有限公司 山西太原 030006)

        1 引言

        單軸壓縮條件下巖石中裂紋萌生擴(kuò)展過程研究,是分析巖石工程特性的基礎(chǔ)。裂紋擴(kuò)展過程與巖石中不同礦物成分形狀變化密切相關(guān)。由于礦物成分形狀變化可使用數(shù)字特征參數(shù)來表征,因此,可以根據(jù)巖石單軸壓縮試驗(yàn)的試驗(yàn)視頻,使用圖像處理技術(shù)來研究巖石中裂隙擴(kuò)展過程及其與巖石中不同成分形狀變化的關(guān)系[1-2]。

        使用圖像處理技術(shù)研究裂隙的萌生與擴(kuò)展已經(jīng)取得了很多成果。盛金昌等人使用數(shù)字圖像處理技術(shù)分析了裂隙巖體中的非穩(wěn)定滲流問題[3];姚駿屏和王衛(wèi)星使用區(qū)域生長法提取了巖石裂隙中的填充物[4];郭立錢等人使用SVM實(shí)現(xiàn)了巖體中裂隙跡線的自動(dòng)檢測(cè)[5];朱健偉等人結(jié)合視頻圖像處理技術(shù)和有限元法研究了花崗巖中裂隙的擴(kuò)展過程[6];毛靈濤等人利用MATLAB實(shí)現(xiàn)了計(jì)盒維數(shù)的計(jì)算,將分形維數(shù)作為分析裂隙空間分布的定量參數(shù)[7];陳中一等人使用圖像處理技術(shù)研究了多條裂隙的萌生擴(kuò)展過程[8]。此外,應(yīng)用CT圖像處理技術(shù)研究巖體中非貫通裂隙擴(kuò)展規(guī)律、裂隙演化以及三維裂隙重構(gòu)也有一定進(jìn)展[9-11]。郭海慶等基于圖像處理技術(shù),在CT圖像和SEM圖像處理基礎(chǔ)上,進(jìn)行巖體三維裂隙重建也取得了較大成就[12];毛靈濤等使用單軸壓縮試驗(yàn)圖像對(duì)混凝土中裂隙萌生擴(kuò)展過程和應(yīng)變場特征進(jìn)行了分析[13]。

        本文將使用視頻圖像處理方法,結(jié)合灰度閾值分割技術(shù)和形狀判別,獲取圖像中不同成分(裂隙、黑云母、長石和石英)區(qū)域,分析單軸壓縮情況下巖石中不同成分形狀參數(shù)的變化特點(diǎn)及其與裂隙擴(kuò)展過程的關(guān)系。

        2 花崗巖表面裂隙的擴(kuò)展過程

        單軸壓縮試驗(yàn)中,持續(xù)對(duì)花崗巖進(jìn)行壓縮。在開始?jí)嚎s階段,花崗巖試件處于壓密階段,無裂隙產(chǎn)生;在試驗(yàn)進(jìn)行到172.6 s時(shí),花崗巖試件產(chǎn)生第一條裂縫,隨后裂縫向上擴(kuò)展或張開,裂隙寬度和面積不斷增長,無裂隙區(qū)域微裂紋開始擴(kuò)展;在試驗(yàn)進(jìn)行到290 s時(shí),花崗巖試件產(chǎn)生多條明顯裂隙,不斷產(chǎn)生新的裂隙直至試件破壞。在不同變形破壞階段,選取4個(gè)不同時(shí)刻的圖像,分別為加載開始到裂隙出現(xiàn)之間的時(shí)刻第100 s;第一條裂隙出現(xiàn)后的時(shí)刻第173 s;裂隙不斷擴(kuò)展、多條裂隙出現(xiàn)后的時(shí)刻第290 s;巖石破壞后的時(shí)刻第293 s。

        對(duì)單幀圖像進(jìn)行裂隙區(qū)域提取時(shí),首先需對(duì)圖像進(jìn)行灰度閾值分割(分界閾值由點(diǎn)選法得出)并得到二值圖像,然后再使用形狀判別方法對(duì)二值圖像中不同區(qū)域進(jìn)行判別。根據(jù)對(duì)比分析,本文將扁圓度K大于6的區(qū)域定為裂隙區(qū)域。裂隙區(qū)域幾何形狀參數(shù)計(jì)算結(jié)果見表1。

        表1 裂隙區(qū)域幾何形狀參數(shù)

        由表1可以看出,裂隙區(qū)域的圓形度為0.533,小于黑云母區(qū)域的圓形度;扁圓度為11.312(大于6),小于黑云母區(qū)域的扁形度;裂隙區(qū)域雖然面積較小,但內(nèi)切圓半徑和等效直徑較大,這一特性黑云母區(qū)域明顯不同。這些特征都可作為裂隙和黑云母的區(qū)分依據(jù)。這種方法可稱為形狀判別法。

        3 裂隙擴(kuò)展過程與礦物形狀參數(shù)關(guān)系

        試樣加載過程中,不同位置不同成分的形狀也會(huì)發(fā)生變化。選取試驗(yàn)加載過程中8個(gè)具有代表性的時(shí)刻,對(duì)裂隙位置、裂隙附近位置、遠(yuǎn)離裂隙位置的不同成分的形狀參數(shù)變化進(jìn)行研究,找出花崗巖不同位置、不同礦物成分形狀參數(shù)與裂隙擴(kuò)展的關(guān)系。

        對(duì)以上8幀圖像進(jìn)行閾值分割,分別提取裂隙、黑云母、長石和石英區(qū)域,分別選取裂隙位置、裂隙附近位置、遠(yuǎn)離裂隙位置,提取不同位置不同成分形狀參數(shù)平均值,分析形狀參數(shù)變化與裂隙擴(kuò)展的關(guān)系。

        3.1 裂隙擴(kuò)展過程與不同成分面積的關(guān)系

        單軸壓縮試驗(yàn)過程中,花崗巖試件受力壓縮,不同礦物成分區(qū)域的面積也隨著試件受力而產(chǎn)生變化,不同位置礦物成分的面積變化也不相同。圖像處理時(shí),需要將區(qū)域像素面積轉(zhuǎn)換為物理面積。試件表面實(shí)際尺寸為100 mm×50 mm,試件圖像像素尺寸為824×376,豎直方向1個(gè)像素代表實(shí)際尺寸0.121 mm,水平方向1個(gè)像素代表實(shí)際尺寸0.133 mm,1個(gè)像素面積代表實(shí)際面積為0.016 mm2。使用這一換算關(guān)系,所選區(qū)域?qū)嶋H面積隨時(shí)間的變化情況如表2所示。

        由表2可知,在裂隙位置,3種礦物成分區(qū)域因裂隙產(chǎn)生而檢測(cè)不到、裂隙產(chǎn)生后無法提取礦物區(qū)域面積。但在裂隙出現(xiàn)之前,裂隙位置黑云母和長石面積都出現(xiàn)減小趨勢(shì),裂隙位置石英則呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。在裂隙附近位置,在裂隙出現(xiàn)之前,3種礦物成分面積均為下降趨勢(shì);在第一條裂隙產(chǎn)生之后,長石和石英面積開始增加,黑云母面積變化不大,長石和石英面積變化較大,石英面積在巖石破壞前明顯減小。在遠(yuǎn)離裂隙區(qū)域,不同礦物成分面積變化較大,但平均面積基本不變。

        表2 不同時(shí)刻不同成分區(qū)域的面積

        3.2 裂隙擴(kuò)展過程與Fourier變換形狀特征的關(guān)系

        區(qū)域邊緣點(diǎn)(x,y)的極坐標(biāo)(R,θ)為:

        式中,am和 bm(m=1,2,3…)為 Fourier展開系數(shù)。

        定義如下形狀參數(shù):

        式中,F(xiàn)1稱為形狀指數(shù)。n1、n2、n3可分別取 4、25、60。不同時(shí)刻、不同成分區(qū)域,這些形狀特征參數(shù)的計(jì)算結(jié)果見表3。

        表3 不同時(shí)刻不同成分區(qū)域的形狀指數(shù)

        由表3可知,在裂隙位置,3礦物成分形狀指數(shù)均有減小趨勢(shì)。裂隙產(chǎn)生前,黑云母和長石的形狀指數(shù)一直減??;石英的形狀指數(shù)先增加再減小。在裂隙附近,黑云母和石英區(qū)域形狀指數(shù)在裂隙產(chǎn)生前形狀指數(shù)減小、裂隙產(chǎn)生后增加;黑云母區(qū)域形狀指數(shù)在裂隙產(chǎn)生前后變化不大;石英區(qū)域形狀指數(shù)在試件破壞前明顯減??;長石區(qū)域形狀參數(shù)在裂隙出現(xiàn)前先逐漸增加再逐漸減小,破壞前快速減小。這說明,試件破壞時(shí)裂隙區(qū)域擴(kuò)展至裂隙附近且多產(chǎn)生在長石和石英區(qū)域。此外,在遠(yuǎn)離裂隙位置,3種礦物成分的形狀指數(shù)變化均不明顯。

        3.3 裂隙擴(kuò)展過程與不同成分幾何參數(shù)的關(guān)系

        對(duì)于組分的任意區(qū)域,幾何形狀參數(shù)可使用如下公式進(jìn)行計(jì)算:

        式中,R0為圓形度;R為矩形度;e為形狀離散指標(biāo);S為區(qū)域面積;C為區(qū)域周長;SM為區(qū)域最小外接矩形面積。

        不同時(shí)刻、不同位置、不同成分區(qū)域的幾何特征參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表4~表6所示。

        由表4可知,在裂隙位置,在裂隙產(chǎn)生前,黑云母圓形度減小,長石和石英圓形度明顯增加。在裂隙附近位置,3種礦物成分區(qū)域圓形度在裂隙出現(xiàn)前均顯著增大,黑云母區(qū)域圓形度在裂隙產(chǎn)生后達(dá)到峰值并隨后減小,在破壞前基本不變;長石區(qū)域圓形度在第240 s時(shí)減小至0.479,試件破壞前迅速增加至0.928;石英區(qū)域圓形度在裂隙產(chǎn)生后有所增加,試件破壞時(shí)迅速減小。在遠(yuǎn)離裂隙位置,黑云母和石英區(qū)域圓形度波動(dòng)較大,長石區(qū)域圓形度基本不變。

        表4 不同時(shí)刻不同成分區(qū)域的圓形度

        表5 不同時(shí)刻不同成分區(qū)域的矩形度

        表6 不同時(shí)刻不同成分區(qū)域的形狀離散指數(shù)

        由表5可知,在裂隙位置,黑云母和石英區(qū)域矩形度在裂隙產(chǎn)生前有增加趨勢(shì);長石區(qū)域矩形度在裂隙產(chǎn)生前逐步減小。在裂隙附近位置,黑云母區(qū)域矩形度在裂隙產(chǎn)生后逐漸增加,在裂隙快速擴(kuò)展時(shí)達(dá)到峰值;長石區(qū)域矩形度一直不斷增加,在第二次應(yīng)力峰值時(shí)達(dá)到峰值,在試件破壞前快速增加;石英區(qū)域矩形度在裂隙產(chǎn)生前后變化較大。在遠(yuǎn)離裂隙位置,黑云母區(qū)域矩形度在裂隙產(chǎn)生前達(dá)到峰值,在第二次應(yīng)力峰值時(shí)達(dá)到最小值;長石區(qū)域矩形度在裂隙產(chǎn)生前出現(xiàn)增大趨勢(shì),裂隙產(chǎn)生后變化不大;石英區(qū)域矩形度加載前期變化不大,在試件破壞前出現(xiàn)增大趨勢(shì)。

        由表6可知,在裂隙位置,在裂隙產(chǎn)生前,3種礦物成分形狀離散指數(shù)都有減小趨勢(shì)。在裂隙附近位置,黑云母區(qū)域形狀離散指數(shù)在裂隙產(chǎn)生后達(dá)到最小值,此后變化不大;長石區(qū)域形狀離散指數(shù)在加載過程中呈減小趨勢(shì),裂隙停止擴(kuò)展和軸向壓力快速增加時(shí)驟然增加,在試件破壞前快速減??;石英區(qū)域形狀離散指數(shù)在裂隙快速擴(kuò)展時(shí)達(dá)到峰值,在試件破壞之前快速增加。在遠(yuǎn)離裂隙位置,黑云母區(qū)域形狀離散指數(shù)波動(dòng)較大,無明顯規(guī)律;長石區(qū)域形狀離散指數(shù)在裂隙產(chǎn)生后達(dá)到最小值,此后變化不大;石英區(qū)域形狀離散指數(shù)在整個(gè)加載過程中呈減小趨勢(shì)。

        由以上分析可知,3種礦物成分的圓形度、矩形度、形狀離散指數(shù)等幾何形狀參數(shù)變化趨勢(shì)較為相似。在即將出現(xiàn)裂隙時(shí),裂隙位置的黑云母變化較為明顯,裂隙附近位置的黑云母在裂隙出現(xiàn)后形狀變化較大,裂隙擴(kuò)展時(shí)達(dá)到峰值,此后變化不明顯。裂隙位置的長石形狀變化較大;裂隙附近的長石在裂隙出現(xiàn)前后形狀變化較大,承擔(dān)了更大的應(yīng)力;遠(yuǎn)離裂隙的長石在加載過程中形狀變化較小,承受了軸向力的主要部分,長石是巖石中的主要受力成分。石英破壞與形狀變化方式有關(guān),石英圓形度、內(nèi)切圓半徑和等效直徑增大,扁圓度、矩形度、離散指數(shù)和各向異性率減小時(shí)石英區(qū)域可能破壞,若形狀參數(shù)變化趨勢(shì)與此相反,則石英區(qū)域難以破壞。

        4 結(jié)束語

        (1)本文在對(duì)花崗巖單軸壓縮試驗(yàn)圖像提取單幀圖像并進(jìn)行灰度化和閾值分割的基礎(chǔ)上,提出了確定將巖石中黑云母和裂隙區(qū)域區(qū)分的形狀判別法。

        (2)在花崗巖變形破壞過程中,裂隙區(qū)域面積和平均寬度在裂隙產(chǎn)生后迅速增加,但在開裂之后會(huì)有減小趨勢(shì)。長石區(qū)域出現(xiàn)的裂隙最大,石英區(qū)域次之,黑云母區(qū)域最小。

        (3)基于Fourier變換的形狀特征參數(shù)中,黑云母區(qū)域的形狀特征參數(shù)在裂隙產(chǎn)生時(shí)變化明顯,但裂隙產(chǎn)生后變化不大;裂隙附近長石區(qū)域的形狀特征參數(shù)在裂隙產(chǎn)生后逐漸減小,在試件破壞之前迅速減小。裂隙擴(kuò)展主要出現(xiàn)在長石區(qū)域。

        (4)花崗巖變形破壞過程中,與裂隙距離不同的不同礦物成分表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。黑云母在裂隙附近位置時(shí),在裂隙出現(xiàn)后形狀變化較大,在裂隙擴(kuò)展時(shí)達(dá)到峰值,但在后續(xù)加載過程中變化不明顯。長石是主要受力成分,在裂隙上時(shí)在受力過程中形狀變化較大;在裂隙附近時(shí)在裂隙出現(xiàn)前后形狀變化較大,承擔(dān)了更大的應(yīng)力;遠(yuǎn)離裂隙時(shí)在加載過程中形狀變化較小,承受了軸向力的主要部分。

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