李兆霖，王連國，姜崇揚(yáng)，陸銀龍，李文帥

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116; 2.中國礦業(yè)大學(xué) 露天礦山高新技術(shù)研究中心，江蘇 徐州 221116; 3.中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116; 4.山東科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590)

巷道等地下工程開采過程中往往面臨著復(fù)雜的圍巖應(yīng)力狀態(tài)變化，致使巖石發(fā)生破裂[1]。巖石破裂的本質(zhì)是其內(nèi)部裂紋擴(kuò)展發(fā)育并逐漸貫通，進(jìn)而引起宏觀承載能力逐步劣化的力學(xué)過程[2]。實(shí)時(shí)準(zhǔn)確掌握巖石破壞全過程中內(nèi)部裂隙擴(kuò)展演化規(guī)律，對(duì)于科學(xué)指導(dǎo)深部地下巖體工程穩(wěn)定性控制，推動(dòng)深部礦山資源安全開采具有重要的工程意義[3]。

相關(guān)學(xué)者采用多種手段實(shí)時(shí)監(jiān)測巖石破裂演化全過程。秦昌安等[4]利用高速相機(jī)實(shí)時(shí)觀測了試樣破裂全過程中裂隙擴(kuò)展規(guī)律。蘇方聲等[5]結(jié)合了數(shù)字圖像相關(guān)方法實(shí)時(shí)捕捉了試樣起裂、擴(kuò)展貫通全過程中表面變形場演化規(guī)律。NGUYEN等[6]通過DIC技術(shù)量化了裂紋擴(kuò)展模式。ZHANG[7]，SONG[8]等均有相關(guān)研究。LU等[9]采用高速顯微觀測結(jié)合DIC技術(shù)進(jìn)一步從細(xì)觀角度研究裂隙擴(kuò)展規(guī)律。顯然上述方法僅能對(duì)試樣表面破裂演化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察，具有明顯的局限性。

為實(shí)現(xiàn)巖石內(nèi)部破裂過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測，相關(guān)學(xué)者探索使用聲發(fā)射(AE)定位等間接方法研究試樣內(nèi)部裂隙演化規(guī)律。其基本原理是捕捉巖石破裂過程中釋放的應(yīng)變能(即AE信號(hào))，通過聲發(fā)射計(jì)數(shù)和振幅等參數(shù)的反演間接推測巖石內(nèi)部破裂空間分布規(guī)律[10]。QIN[11]，YAO[12]等基于聲發(fā)射定位技術(shù)分析了巖石內(nèi)部裂隙擴(kuò)展規(guī)律。劉飛躍等[13]利用聲發(fā)射空間三維定位信息反演了巖石破裂動(dòng)態(tài)應(yīng)力場變化。聲發(fā)射定位技術(shù)目前已在室內(nèi)巖石試驗(yàn)和現(xiàn)場微震監(jiān)測等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。但是這種利用聲波等信號(hào)受到外界環(huán)境干擾等作用明顯，其反演得到的裂隙定位精度較低，裂隙分布信息精度不足。盡管王志明等[14]通過改進(jìn)算法提高對(duì)聲發(fā)射源的空間定位精度，然而由于在巖石內(nèi)部微破裂是不可見的，導(dǎo)致聲發(fā)射結(jié)果無法直接與微破裂建立關(guān)系[15]，無法獲得直觀的裂隙擴(kuò)展可視化圖像。

為了更清晰直觀地分析巖樣內(nèi)部破裂行為，近年來具有能夠無損探測物體內(nèi)部任意斷面結(jié)構(gòu)的X射線CT掃描技術(shù)被引入到了巖石力學(xué)試驗(yàn)研究中[16]，并成為了巖石力學(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)問題[17]。CT掃描監(jiān)測技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)試樣內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)形貌特征的高效、無損透視，其為可視化地揭示巖石試樣內(nèi)部復(fù)雜的三維裂隙幾何結(jié)構(gòu)和分布形態(tài)提供了一種十分有效的手段[18]。許多學(xué)者嘗試?yán)肅T掃描技術(shù)來觀測試驗(yàn)巖樣內(nèi)部裂紋的分布規(guī)律。YANG等[19]利用CT研究了常規(guī)三軸壓縮破裂后的大理巖試樣內(nèi)部裂隙分布形態(tài)。付裕等[20]對(duì)煤樣進(jìn)行CT掃描，并對(duì)裂隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行提取和三維重建，定量分析了試樣內(nèi)部裂隙空間展布規(guī)律。RAYNAUD等[21]基于CT掃描研究了三軸不同圍壓條件下巖樣破壞特征，分析了巖樣的脆延轉(zhuǎn)化特征。郎穎嫻[22]、郭東明[23]、WANG[24]等采用CT掃描手段分析了巖石破裂特征。

以上這些CT掃描試驗(yàn)研究大都是在試驗(yàn)完成以后的卸載試樣上進(jìn)行，未能實(shí)現(xiàn)將CT掃描技術(shù)與試樣加載環(huán)境有機(jī)結(jié)合，故無法獲得巖石破壞全過程中內(nèi)部裂隙擴(kuò)展演化特征的CT圖像，這也極大地限制了CT掃描技術(shù)在巖石力學(xué)研究中的應(yīng)用[25]。只有將CT掃描技術(shù)與相應(yīng)的巖石力學(xué)加載系統(tǒng)有效協(xié)作，才能最大限度地將CT技術(shù)應(yīng)用于巖石破裂過程的研究中[26]。

為實(shí)現(xiàn)這種結(jié)合，近年來，相關(guān)學(xué)者已積極探索了實(shí)時(shí)CT掃描的巖石力學(xué)試驗(yàn)技術(shù)與方法。VIGGIANI[27]利用X射線能夠穿透的三軸壓力室，開展了常規(guī)三軸壓縮條件下細(xì)粒硬土中剪切帶演化規(guī)律的實(shí)時(shí)掃描試驗(yàn)。宋勇軍等[28]開展了凍結(jié)紅砂巖單軸壓縮破壞CT實(shí)時(shí)試驗(yàn)研究，分析了凍結(jié)巖樣的損壞特征及演化規(guī)律。SUZANNE等[29]利用CT設(shè)備實(shí)時(shí)觀測了巖石常規(guī)三軸壓縮破壞過程，分析了巖石變形破壞特征。FENG[30],CHEN等[31]利用LY12型輕金屬材料加工制成的三軸壓力室配合CT裝置，研究了常規(guī)三軸加載過程中巖石內(nèi)部的損傷與破裂演化規(guī)律。FAN等[32]開展了高溫環(huán)境下的巖石實(shí)時(shí)X-ray掃描試驗(yàn)，并定量分析了不同熱處理方式下巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。ZHAO[33]、馮子軍[34]等基于CT掃描技術(shù)研究了巖石經(jīng)高溫后細(xì)觀損傷破裂特征。GLATZ[35]、王國營[36]、李江華[37]等利用CT掃描技術(shù)定量分析了高溫對(duì)巖石內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)的損傷演化規(guī)律。

然而，目前現(xiàn)有這些研究主要集中在單軸或常規(guī)三軸應(yīng)力環(huán)境下的實(shí)時(shí)CT掃描試驗(yàn)研究，而對(duì)真三軸加載環(huán)境下的實(shí)時(shí)CT掃描試驗(yàn)研究尚未見報(bào)道。由于深部地下巖體工程中巖石均處于真三軸應(yīng)力狀態(tài)，因此發(fā)展一種能夠?qū)φ嫒S應(yīng)力環(huán)境下的巖石內(nèi)部裂隙擴(kuò)展演化過程進(jìn)行實(shí)時(shí)CT掃描試驗(yàn)方法，對(duì)于深入和正確認(rèn)識(shí)實(shí)際巖石工程中真三軸應(yīng)力環(huán)境下巖石破裂特征與機(jī)制具有重要的意義。

鑒于此，筆者提出并研制了一套能夠與X射線CT掃描系統(tǒng)配套的巖石真三軸加載試驗(yàn)系統(tǒng)，首次實(shí)現(xiàn)巖石真三軸應(yīng)力環(huán)境與CT掃描系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合。利用該套系統(tǒng)開展真三軸應(yīng)力環(huán)境下試樣壓縮破裂演化過程的實(shí)時(shí)CT掃描試驗(yàn)，分析試樣破裂過程中內(nèi)部裂隙擴(kuò)展演化規(guī)律，揭示巖石真三軸破裂演化機(jī)理。

1 試驗(yàn)方法

1.1 真三軸實(shí)時(shí)CT加載裝置

該套試驗(yàn)裝置主要由CT機(jī)、豎向加載系統(tǒng)、橫向加載系統(tǒng)、真三軸壓力室、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等多個(gè)部件組成(圖1)。整體設(shè)計(jì)思路是將含有金屬部件置于CT掃描區(qū)之外，CT掃描區(qū)內(nèi)只保留能穿過X射線的碳纖維等非金屬材料。

筆者所采用的CT機(jī)是一臺(tái)三維旋轉(zhuǎn)式錐形束CT機(jī)。主要由X射線源、面陣探測器、旋轉(zhuǎn)機(jī)架等組成。其中，X射線源焦點(diǎn)尺寸為0.3 mm，面陣探測器尺寸為193 mm×243 mm，射線源與面陣探測器間水平距離為589 mm。CT掃描視場范圍為153.6 mm×153.6 mm×151.2 mm，對(duì)應(yīng)的CT切片圖像像素為512 piexl×512 piexl×504 piexl，每個(gè)像素的尺寸為0.3 mm×0.3 mm。

圖2(a)所示豎向加載系統(tǒng)主要包括豎向加載框架、豎向加載活塞、豎向傳感器等構(gòu)成。其中豎向加載框架采用4個(gè)高抗拉強(qiáng)度的碳纖維材料制造的一體式異形立柱嵌套在上下金屬橫梁的設(shè)計(jì)方式，異形立柱端部為楔形結(jié)構(gòu)。橫向加載系統(tǒng)由2套正交的反力結(jié)構(gòu)布置，主要由橫向加載活塞、橫向傳感器、水平反力梁、橫向反力墻等構(gòu)成。其中橫向加載活塞采用同步雙壓頭加載系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單壓頭加載系統(tǒng)，并由同一臺(tái)液壓泵通過分流閥來控制，通過碳纖維材料制成的水平反力梁將壓力(合力)傳遞至試樣上。

圖2 真三軸實(shí)時(shí)CT加載試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖和CT掃描結(jié)果Fig.2 Physical diagram and CT scan results of the true three-axis real-time CT loading test system

真三軸壓力室(圖2(b))采用了6塊碳纖維板加工制成壓板按照“錯(cuò)位互扣方式”放置[38]，當(dāng)試樣受壓產(chǎn)生變形時(shí)，6塊碳纖維壓板會(huì)隨之發(fā)生互不干擾的錯(cuò)動(dòng)來有效避免壓板之間的相互擠壓作用。

試驗(yàn)系統(tǒng)采用稱重式壓力傳感器實(shí)時(shí)采集試樣σ1,σ2和σ3三個(gè)主應(yīng)力方向的載荷變化。壓力傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接，數(shù)據(jù)采樣間隔為1 s。試樣3個(gè)主應(yīng)力方向的變形特征根據(jù)實(shí)時(shí)CT掃描系列圖像，利用圖像處理方法來間接計(jì)算獲得。圖2(c)展示了有效CT掃描區(qū)域，該區(qū)域中的CT圖像十分清晰且無偽影。

1.2 試樣制備

試驗(yàn)所用的試樣采自中國西部鄂爾多斯地區(qū)中生代侏羅紀(jì)-白堊系地層的泥巖，分為完整和含裂隙巖石2組試樣。該泥巖呈灰色，層理不發(fā)育，質(zhì)偏軟，結(jié)構(gòu)致密但膠結(jié)性差，遇水或潮濕空氣后極易崩解。如圖3所示，從現(xiàn)場采集到的大塊完整無節(jié)理的泥巖體上進(jìn)行切割加工制取巖樣。試樣為長方體，尺寸為25 mm×25 mm×50 mm，巖樣尺寸的加工誤差不超過±0.5 mm。對(duì)切割獲得的試樣表面采用磨石機(jī)進(jìn)行仔細(xì)研磨，使其表面光滑平整且每組對(duì)面相互平行，由此獲得完整巖石。在制備好的完整長方體試樣的基礎(chǔ)上，利用線鋸方法人工預(yù)制一條長度為7.5 mm，寬度為2 mm的貫通裂隙，裂隙傾角為45°，由此制成含裂隙巖石。

圖3 泥巖試樣制備過程Fig.3 Preparation process of two groups of mudstone

1.3 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)中，根據(jù)試樣和應(yīng)力條件共分為4種工況，編號(hào)分別為CTT(完整巖石常規(guī)三軸試驗(yàn))、TTT(完整巖石真三軸試驗(yàn))、TTT-c2(裂隙沿σ2方向的巖石真三軸試驗(yàn))、TTT-c3(裂隙沿σ3方向的巖石真三軸試驗(yàn))。為便于分析，在試樣上建立空間局部直角坐標(biāo)系o-xyz，如圖4所示。坐標(biāo)原點(diǎn)o與試樣頂點(diǎn)重合，σ1方向與坐標(biāo)軸x平行，y,z軸根據(jù)應(yīng)力情況與其余兩個(gè)主應(yīng)力平行。其中TTT-c2代表了含裂隙巖石真三軸試驗(yàn)，裂隙方向沿y方向，與σ2方向平行;TTT-c3代表了含裂隙巖石真三軸試驗(yàn)，裂隙方向沿z方向，與σ3方向平行。試樣長、高、寬尺寸分別記為l,h和w。

巖石真三軸實(shí)時(shí)CT加載破裂全過程試驗(yàn)過程相較于傳統(tǒng)的巖石力學(xué)試驗(yàn)更為復(fù)雜和繁瑣。首先對(duì)試樣進(jìn)行初始CT掃描(定義為第0次掃描)，了解和掌握試樣內(nèi)部的初始損傷和缺陷分布情況，選擇無明顯初始損傷的試樣開展進(jìn)一步試驗(yàn)。隨后利用開發(fā)的巖石真三軸實(shí)時(shí)CT加載裝置開展巖石真三軸破裂演化全過程的實(shí)時(shí)掃描試驗(yàn)，包含2個(gè)階段(圖5)，圖中(i)表示進(jìn)行第i次CT掃描(i=1,2,3,…，n)。

(1)階段I:將試樣加載至三維初始應(yīng)力狀態(tài)。首先按照力加載控制方式將試樣加載至靜水壓力狀態(tài)(σ1=σ2=σ3=1.6 MPa)，CTT工況下該狀態(tài)即為初始應(yīng)力狀態(tài)(t1時(shí)刻)。其余3種工況保持σ3不變，繼續(xù)以相同的加載速率施加應(yīng)力σ1和σ2至σ1=σ2=3.2 MPa，此時(shí)為三維初始應(yīng)力狀態(tài)(t1時(shí)刻)，并對(duì)試樣進(jìn)行第1次CT掃描。

圖4 不同試樣上建立的局部空間直角坐標(biāo)系Fig.4 Local spatial cartesian coordinate systems established on different specimens

圖5 試驗(yàn)加載方案及CT掃描方案Fig.5 Test loading scheme and CT scan scheme

(2)階段II:將試樣加載軸向應(yīng)力至破壞。保持σ2和σ3不變，以相同的加載速率逐漸施加軸向應(yīng)力σ1至不同的CT掃描水平,CT掃描按照試樣σ1的變化來控制，大致以每增加載荷Δσ(1～2 kN)進(jìn)行一次CT掃描的頻次進(jìn)行，當(dāng)CT掃描發(fā)現(xiàn)試樣內(nèi)部損傷顯著增多時(shí)調(diào)小CT掃描的載荷增量水平Δσ，以較全面地捕獲真三軸條件下試樣內(nèi)部裂隙萌生與擴(kuò)展演化全過程的CT重構(gòu)圖像。

2 巖石應(yīng)力-應(yīng)變特征

2.1 巖石壓縮過程

試驗(yàn)獲得的試樣在不同工況條件下載荷-時(shí)間歷程曲線如圖6所示。從圖6中可以看到，試樣的整個(gè)加載過程大致可以分為3個(gè)階段，即初始加載階段(OA/O′A′段，圖5中的階段I)、軸向載荷增加階段(AB/A′B′段，圖5中的階段II)和軸向載荷跌落階段(BC/B′C′段)。

圖6 試驗(yàn)加載過程中試樣3個(gè)主應(yīng)力分量隨時(shí)間變化曲線Fig.6 Curves of the three principal stress components of the specimen with time during the test loading

巖石在軸向載荷增加階段σ2和σ3載荷近似保持不變(波動(dòng)誤差±0.09 MPa)，而σ1呈階梯式增加。CT掃描過程中σ1載荷也是基本保持恒定不變的(波動(dòng)誤差±0.12 MPa)。由此可見，本文采用的σ1,σ2和σ3加載系統(tǒng)能夠有效地保障巖石在實(shí)時(shí)三軸應(yīng)力狀態(tài)下進(jìn)行在線CT掃描。

4種工況下巖石加載過程中軸向應(yīng)力均出現(xiàn)了多次顯著的波動(dòng)，這種應(yīng)力波動(dòng)實(shí)質(zhì)上應(yīng)當(dāng)是與巖石內(nèi)部裂隙擴(kuò)展情況密切相關(guān)的。通過對(duì)比CTT和TTT兩種條件下應(yīng)力波動(dòng)可以發(fā)現(xiàn)前者巖石軸向應(yīng)力出現(xiàn)了多次顯著的波動(dòng)，而后者盡在靠近峰值應(yīng)力狀態(tài)時(shí)出現(xiàn)了2次應(yīng)力波動(dòng)。由此也可以推斷本文CTT條件下巖石加載過程中內(nèi)部出現(xiàn)了較多的微破裂。類似的規(guī)律TTT-c3條件下相比TTT-c2條件下試樣內(nèi)部產(chǎn)生了更多的微破裂。當(dāng)巖石進(jìn)入峰后狀態(tài)以后，巖石處于非穩(wěn)定狀態(tài)(其應(yīng)力狀態(tài)難以控制)，巖石軸向載荷發(fā)生迅速跌落。

2.2 巖石變形特征

圖7為TTT條件下第0次CT掃描(未加載)獲得的巖石一個(gè)橫切面CT切片圖像(切面垂直于圖4中的y方向，位置為y=h/2)。由圖7可以看出，由于巖石與其緊貼的碳纖維壓板密度不相同導(dǎo)致CT圖像上兩者圖像灰度存在明顯差別，若能精確地識(shí)別出巖石與壓板的接觸界面(即巖石邊緣)則可以實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石全局變形的直接測量。然而，CT掃描圖像上巖石邊緣圖像灰度分布并非理想的階躍劇變形式，而是一種漸變的形式(由于邊緣變化引起的)。

圖7 基于CT圖像與Sigmoid邊緣檢測方法的巖石邊緣識(shí)別Fig.7 Rock edge recognition based on CT image and Sigmoid edge detection method

為準(zhǔn)確識(shí)別CT圖像中巖石邊緣，考慮到巖石邊緣CT圖像灰度漸變的S形曲線特征，其與Sigmoid函數(shù)模型非常接近，因此本文嘗試?yán)肧igmoid函數(shù)來擬合巖石圖像邊緣。Sigmoid函數(shù)又稱為S函數(shù)，它是一個(gè)連續(xù)、光滑、單調(diào)的閾值函數(shù)，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用廣泛，其表達(dá)式為

(1)

其中，A1,A2,X0和dX均為擬合系數(shù);I(X)為巖石左、右2個(gè)邊緣區(qū)域中坐標(biāo)為X位置處的圖像灰度值，根據(jù)圖像處理方法中的邊緣定義，即圖像灰度曲線斜率變化最大的點(diǎn)即為邊緣，因此對(duì)式(1)求一階導(dǎo)數(shù)I′(X)，并尋找I′(X)最大值對(duì)應(yīng)點(diǎn)即為巖石邊緣位置。經(jīng)過推導(dǎo)可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)X=X0時(shí)I′(X)取最大值，故X0為巖石邊緣點(diǎn)的精確位置。

圖7給出了巖石左、右邊緣CT圖像灰度值的擬合結(jié)果。可以看到，巖石左右兩側(cè)邊緣位置分別為194.01 piexl和359.49 piexl，故巖石在x方向尺寸為l=(359.49 piexl-194.01 piexl)×0.3 mm/piexl=49.644 mm，其與巖石游標(biāo)卡尺測量結(jié)果49.66 mm非常接近，這說明了利用CT圖像和Sigmoid邊緣檢測方法來測量巖石尺寸的可行性和有效性。

圖8 基于CT圖像計(jì)算獲得的巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.8 Stress-strain curves of rocks obtained based on CT image calculations

基于CT圖像的巖石三軸壓縮變形測量方法，筆者對(duì)4種工況下巖石壓縮過程中所獲不同應(yīng)力狀態(tài)下的CT圖像(每種巖石選擇相互正交的3個(gè)中點(diǎn)切面)按照?qǐng)D7方法進(jìn)行計(jì)算，即可求得巖石整個(gè)加載過程中3種主應(yīng)力方向尺寸變化，通過應(yīng)變公式ε=Δl/l(Δl為變形量差值)即可獲得巖石整個(gè)加載過程中的軸向應(yīng)力(σ1)與軸向應(yīng)變(ε1)、側(cè)向應(yīng)變(ε2和ε3)之間的關(guān)系如圖8所示。

不同工況下巖石軸向變形過程均大致分為3個(gè)階段:彈性階段I(OA/O′A′)、峰前損傷階段II(AB/A′B′)和峰后階段III(BC/B′C′)。在彈性階段，巖石軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變近似成線性關(guān)系，而在損傷階段巖石則表現(xiàn)出明顯的非線性變形特征。進(jìn)一步可以發(fā)現(xiàn)，CTT條件下巖石在較低應(yīng)力水平時(shí)(42.9%σp，σp為峰值應(yīng)力大小)就進(jìn)入了損傷階段AB，而在TTT條件下巖石在接近峰值應(yīng)力時(shí)(86.7%σp)才進(jìn)入損傷階段A′B′。類似的規(guī)律TTT-c2條件下巖石進(jìn)入損傷階段的載荷水平要小于TTT-c3條件。當(dāng)巖石進(jìn)入峰后階段，軸向載荷迅速跌落，不同工況下巖石變形均表現(xiàn)出顯著的應(yīng)變軟化特征。

3 基于實(shí)時(shí)CT圖像的巖石裂隙擴(kuò)展演化特征

圖9，10分別給出了CTT和TTT條件下不同應(yīng)力水平時(shí)巖石內(nèi)部裂紋形態(tài)的空間三維CT特征，圖11給出了對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)力時(shí)刻。為展示裂隙擴(kuò)展細(xì)節(jié)，選取了不同的切面，其中x，y，z分別代表切面法線方向(同下文)。

在彈性階段I，CTT和TTT兩種加載條件下巖石內(nèi)部均沒有出現(xiàn)肉眼可見裂紋。當(dāng)進(jìn)入損傷階段以后(階段II和階段III)，CTT和TTT加載條件下巖石破裂行為產(chǎn)生明顯差異。在CTT條件下，巖石在較低應(yīng)力(6.3 MPa)時(shí)即出現(xiàn)了肉眼可見裂紋a，而在TTT條件下當(dāng)軸向載荷水平接近峰值時(shí)(13.0 MPa)巖石內(nèi)部CT圖像才開始出現(xiàn)裂紋。

圖9 CTT條件下巖石內(nèi)部裂紋形態(tài)的空間三維CT特征Fig.9 Spatial 3D CT characteristics of rock internal crack morphology under CTT conditions

在CTT條件下(圖9)，巖石內(nèi)部最終出現(xiàn)了大致呈“X”形分布的3條主裂紋(a，b和c)。其中，裂紋b逐漸從巖石上側(cè)面向下側(cè)面擴(kuò)展，并且在擴(kuò)展過程中裂紋擴(kuò)展路徑逐漸由σ2方向向σ3方向發(fā)生的偏轉(zhuǎn)，同時(shí)還沿著σ1方向逐漸擴(kuò)展。裂紋a形態(tài)和擴(kuò)展路徑更為復(fù)雜，其在x2切面上由兩條呈“V”分布的分支裂紋逐漸相向擴(kuò)展(一條由上側(cè)面→下側(cè)面，另一條由下側(cè)面→上側(cè)面)而連接貫通形成主裂紋，在σ1方向最終與裂紋b相貫通。裂紋c在巖石進(jìn)入峰后狀態(tài)III才出現(xiàn)，其在x1切面上由上向下擴(kuò)展，而在x2切面上的擴(kuò)展方向恰好相反(由下向上)，裂紋擴(kuò)展路徑呈不規(guī)則曲線狀，裂紋面形態(tài)復(fù)雜。

圖10 TTT條件下巖石內(nèi)部裂紋形態(tài)的空間三維CT特征Fig.10 Spatial 3D CT characteristics of rock internal crack morphology under TTT conditions

在TTT條件下(圖10)，巖石內(nèi)部最終僅出現(xiàn)1條主裂紋a，其裂紋面大致與σ2方向平行，其在峰值前擴(kuò)展長度較小，而在進(jìn)入峰后階段裂隙快速擴(kuò)展形成了宏觀破裂面。綜上可見，CTT加載條件下巖石內(nèi)部裂紋擴(kuò)展過程和形態(tài)更為復(fù)雜，巖石最終破裂面呈相互交錯(cuò)的曲面狀，而TTT條件下巖石內(nèi)部裂紋擴(kuò)展則相對(duì)簡單，最終破裂面呈單一規(guī)則平面。說明了常規(guī)三軸下圍壓σ2=σ3導(dǎo)致巖石內(nèi)部裂隙發(fā)育較為隨機(jī)，而真三軸條件下圍壓σ2>σ3造成巖石內(nèi)部裂隙具有明確的擴(kuò)展方向(沿σ2方向擴(kuò)展)，結(jié)合深部地下巖體工程中巖石處于一般應(yīng)力狀態(tài)(σ1>σ2>σ3)以及現(xiàn)場巖體破壞特征更加說明巖石真三軸力學(xué)試驗(yàn)?zāi)芨訙?zhǔn)確反映巖石實(shí)際破壞演化規(guī)律。

圖11 CTT和TTT條件下CT掃描對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)力時(shí)刻Fig.11 Axial stress moments corresponding to CT scans under CTT and TTT conditions

為進(jìn)一步研究真三軸條件下巖石內(nèi)部裂隙擴(kuò)展規(guī)律，分析真三軸應(yīng)力狀態(tài)對(duì)裂隙擴(kuò)展機(jī)理的影響，選取含裂隙且方向分別沿σ2(TTT-c2)和σ3(TTT-c3)的2種巖石進(jìn)行真三軸巖石試驗(yàn)，圖12和13分別給出了不同應(yīng)力水平時(shí)巖石內(nèi)部裂紋形態(tài)的空間三維CT特征，圖14給出了對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)力時(shí)刻。

由圖12和13可以看出在彈性階段I，TTT-c2和TTT-c3兩種條件下巖石預(yù)制裂紋前緣為分別平行于σ2和σ3方向的光滑直線(以下簡稱預(yù)制裂紋前緣線)，預(yù)制裂紋尖端以及巖石內(nèi)部均未出現(xiàn)肉眼可見的新生裂紋。當(dāng)巖石進(jìn)入損傷階段II后，巖石內(nèi)部開始出現(xiàn)肉眼可見的新生裂紋，TTT-c2和TTT-c3兩種條件下巖石內(nèi)部裂隙擴(kuò)展規(guī)律出現(xiàn)了明顯的差別。

圖12 TTT-c2條件下巖石內(nèi)部裂紋形態(tài)的空間三維CT特征Fig.12 Spatial 3D CT characteristics of rock internal crack morphology under TTT-c2 conditions

圖13 TTT-c3條件下巖石內(nèi)部裂紋形態(tài)的空間三維CT特征Fig.13 Spatial 3D CT characteristics of rock internal crack morphology under TTT-c3 conditions

3.1 不同巖石內(nèi)部裂隙起裂特征

TTT-c2條件下(圖12)，當(dāng)巖石軸向?yàn)?.7 MPa時(shí)在預(yù)制裂隙尖端萌生了2條新的裂紋a和b，這和傳統(tǒng)的二維簡單應(yīng)力條件下貫通預(yù)制裂隙巖石表面觀測結(jié)果是一致的。這2條新生裂紋a和b分別與預(yù)制裂紋前緣線是共面的，但是其并沒有和預(yù)制裂紋一樣完全貫通巖石，這意味著在真三軸應(yīng)力條件下預(yù)制裂紋尖端(尖端T1和尖端T2)處實(shí)際的裂紋起裂行為并不是沿預(yù)制裂隙前緣線同時(shí)發(fā)生的，而是從巖石表面向巖石內(nèi)部逐步發(fā)展的。這種三維條件下的預(yù)制裂紋起裂現(xiàn)象在傳統(tǒng)的二維預(yù)制裂隙試驗(yàn)中尚未能被發(fā)現(xiàn)。

與TTT-c2條件預(yù)制裂紋起裂現(xiàn)象不同，TTT-c3條件下(圖13)，當(dāng)軸向應(yīng)力增加至11.42 MPa(巖石已進(jìn)入損傷階段中期)時(shí)，預(yù)制裂隙尖端仍未能發(fā)現(xiàn)明顯的起裂現(xiàn)象。但是，此時(shí)在靠近巖石端部位置出現(xiàn)了一條新的遠(yuǎn)場裂紋a，該遠(yuǎn)場裂紋面與預(yù)制裂紋前緣線方向近似垂直(x1和x3切面)。顯然，該遠(yuǎn)場裂紋的萌生與預(yù)制裂隙無關(guān)，而取決于巖石邊界施加的真三軸應(yīng)力條件。

3.2 不同巖石內(nèi)部裂隙擴(kuò)展過程

TTT-c2條件下，當(dāng)巖石軸向應(yīng)力為8.2 MPa時(shí)，已萌生的裂紋a和b繼續(xù)發(fā)生擴(kuò)展，當(dāng)巖石繼續(xù)被加載至峰后7.6 MPa時(shí)，裂紋a和b的擴(kuò)展速度顯著加快，且擴(kuò)展路徑有逐漸轉(zhuǎn)向σ1方向的趨勢，這與已有的大量二維簡單應(yīng)力條件下貫通預(yù)制裂隙巖石表面觀測到的翼型裂紋的形態(tài)十分類似，因此本文將裂紋a和b定義為翼型裂紋。根據(jù)圖中可以看出翼型裂紋在擴(kuò)展過程中其裂紋面始終與預(yù)制裂紋前緣保持近似平行。除了翼型裂紋a和b外，在峰后7.6 MPa載荷水平下，在靠近預(yù)制裂紋尖端T1處還出現(xiàn)了1條新的裂紋c，其擴(kuò)展方向正好與翼型裂紋a方向相反，其裂紋面也與預(yù)制裂紋前緣保持近似平行，一般稱之為反翼型裂紋。

圖14 TTT-c2和TTT-c3條件下CT掃描對(duì)應(yīng)的軸向 應(yīng)力時(shí)刻Fig.14 Axial stress moments corresponding to CT scans under TTT-c2 and TTT-c3 conditions

與TTT-c2條件不同，在TTT-c3條件下，當(dāng)巖石軸向載荷應(yīng)力達(dá)到12.0 MPa時(shí)，已萌生的遠(yuǎn)場裂紋a不斷擴(kuò)展，并與預(yù)制裂紋前緣尖端T2發(fā)生交匯。而且遠(yuǎn)場裂紋a有將預(yù)制裂紋前緣線攔腰切斷的趨勢(裂紋面與預(yù)制裂紋前緣線近似垂直)。在該載荷水平下從預(yù)制裂紋前緣(尖端T1和尖端T2)處還萌生出了兩條新的裂紋b和c，其裂紋面與預(yù)制裂紋的前緣線近似垂直，其擴(kuò)展方向大致沿著σ1方向。從z1和z2兩個(gè)切面圖中看出兩條裂紋與TTT-c2中的反翼型裂紋c、翼型裂紋(a和b)進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)兩者的裂紋萌生位置和擴(kuò)展方向是十分類似的，但是這兩者的空間幾何形態(tài)有著明顯的差別(前者垂直于預(yù)制裂紋前緣線，而后者平行于預(yù)制裂紋前緣線)。因此本文將TTT-c3條件下的這兩條裂紋b和c分別定義為類反翼型裂紋和類翼型裂紋。當(dāng)巖石被繼續(xù)被加載至峰后階段III，巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了劇烈的變化。當(dāng)巖石軸向應(yīng)力為9.4 MPa時(shí)，巖石中又產(chǎn)生了一條新的遠(yuǎn)場裂紋d，根據(jù)切面x4可以看出該遠(yuǎn)場裂紋從巖石邊界向內(nèi)部擴(kuò)展。遠(yuǎn)場裂紋d擴(kuò)展較為劇烈，切斷預(yù)制裂紋之后與裂紋c發(fā)生貫通(切面x5)，進(jìn)而形成一條宏觀主破裂面。已萌生的裂紋b和c進(jìn)一步擴(kuò)展，并與遠(yuǎn)場裂a(bǔ)發(fā)生交匯(切面y1)。由于巖石內(nèi)部多條裂紋出現(xiàn)匯聚，導(dǎo)致巖石內(nèi)部形成了復(fù)雜的裂隙網(wǎng)絡(luò)。

3.3 不同巖石內(nèi)部裂紋最終破裂形態(tài)

TTT-c2條件下巖石內(nèi)部最終(5.3 MPa)形成相互貫通的宏觀破裂面。其中，裂紋a和c直接擴(kuò)展至巖石邊界，形成兩條主破裂面。裂紋b繼續(xù)擴(kuò)展，并與一條新生的遠(yuǎn)場裂紋d發(fā)生貫通(見切面y1和x3上的位置A1和A2)，形成另一條宏觀主破裂面。進(jìn)一步從巖石的z1切面上可以看到新生的遠(yuǎn)場裂紋d的形態(tài)及其與裂紋b的巖橋貫通細(xì)節(jié)。盡管巖石內(nèi)部形成了最終的宏觀破裂，但是預(yù)制裂紋面仍然基本保持較為完整。

TTT-c3條件下當(dāng)巖石繼續(xù)被加載至7.1 MPa(峰后)時(shí)，由于巖石內(nèi)部復(fù)雜的裂隙網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致預(yù)制裂隙被多處切斷，并發(fā)生明顯的錯(cuò)動(dòng)變形，預(yù)制裂隙多處發(fā)生破壞。而且由于擠壓作用，巖石內(nèi)部多數(shù)裂紋發(fā)生閉合，僅有局部少數(shù)裂紋的由于離散塊體結(jié)構(gòu)的支撐作用仍處于張開狀態(tài)。

根據(jù)CT識(shí)別的巖石內(nèi)部主裂紋，選取垂直于x軸方向的切面進(jìn)一步定量提取這些裂紋的傾角變化規(guī)律。由于不同切面上裂紋的軌跡通常呈不規(guī)則曲線狀，本文考慮將其簡化為多段直線型裂紋，各段直線型裂紋與z軸的夾角定義為該裂紋的傾角，取值范圍為[0°,180°]，當(dāng)裂紋傾角為0°時(shí)，裂紋沿σ3方向;當(dāng)裂紋傾角為90°時(shí)，裂紋沿σ2方向。如圖15所示為裂紋a的簡化為兩段直線模型，裂紋傾角分別為74°和103°。

圖15 CTT條件下裂紋a的簡化直線裂紋模型示例Fig.15 Example of simplified linear crack model for crack a under CTT conditions

圖16 不同工況下加載過程中巖石內(nèi)部裂紋出現(xiàn)次序及 裂紋傾角變化規(guī)律Fig.16 Sequence of cracks and the change of crack dip angle in the rock during loading under different working conditions

圖16給出了不同工況下巖石內(nèi)部裂紋傾角變化規(guī)律，從圖中可以清晰的看到，CTT條件下巖石內(nèi)部裂紋傾角分布較為廣泛，而且裂紋b在擴(kuò)展過程中出現(xiàn)了大幅偏轉(zhuǎn)，說明巖石內(nèi)部裂紋發(fā)育較為隨機(jī)。TTT條件下巖石內(nèi)部裂紋較為簡單為一條單一裂紋，傾角在90°附近。TTT-c2和TTT-c3條件下盡管巖石內(nèi)部裂紋形態(tài)較為復(fù)雜，尤其是后者裂紋內(nèi)部出現(xiàn)了相互交錯(cuò)的裂紋網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)伴隨有原預(yù)制裂隙出現(xiàn)大范圍坍塌現(xiàn)象，然而所有的裂紋傾角分布極為集中，均在90°附近，即所有裂紋均基本與σ2方向平行。這表明了巖石周圍的中間主應(yīng)力對(duì)巖石內(nèi)部萌生裂紋擴(kuò)展方向起到了決定性作用，巖石內(nèi)部裂隙擴(kuò)展發(fā)育過程強(qiáng)烈依賴中間主應(yīng)力方向。這也為深部地下工程巖體破裂演化規(guī)律研究提供了重要的依據(jù)。

4 結(jié) 論

(1)研制了一套能夠與CT掃描系統(tǒng)配套的真三軸加載試驗(yàn)設(shè)備，通過將CT掃描區(qū)內(nèi)只保留能穿過X射線的碳纖維等非金屬材料、含有金屬部件置于CT掃描區(qū)之外的設(shè)計(jì)思路，采用了碳纖維一體式異形立柱、同步雙壓頭橫向加載系統(tǒng)以及6塊碳纖維板錯(cuò)位互扣方式構(gòu)成真三軸壓力室等一系列關(guān)鍵技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了真三軸應(yīng)力環(huán)境下實(shí)時(shí)CT掃描的功能。

(2)開展了三軸不同應(yīng)力條件下完整巖石和含裂隙巖石加載實(shí)時(shí)CT掃描試驗(yàn)，采用了基于Sigmoid函數(shù)的圖像邊緣識(shí)別方法，對(duì)加載過程中CT實(shí)時(shí)掃描獲得的一系列試樣CT切片圖像進(jìn)行了計(jì)算分析，從而獲得了整個(gè)加載過程中巖石應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

(3)獲取了不同工況下巖石內(nèi)部裂紋形態(tài)的空間三維CT特征，結(jié)果發(fā)現(xiàn):與CTT條件下巖石內(nèi)部裂紋復(fù)雜的空間擴(kuò)展形態(tài)相比，TTT條件下巖石內(nèi)部裂紋空間形態(tài)簡單，為一沿σ2方向的平面裂紋。說明了真三軸條件下巖石內(nèi)部裂隙具有明確的擴(kuò)展方向(沿σ2方向擴(kuò)展)。

(4)真三軸條件下TTT-c2(裂隙沿σ2方向)和TTT-c3(裂隙沿σ3方向)2種工況下巖石內(nèi)部裂隙擴(kuò)展規(guī)律差別較大:TTT-c2條件下隨著軸向載荷的增加，預(yù)制裂隙尖端附近依次出現(xiàn)了4條均與預(yù)制裂紋前緣線共面的萌生裂紋，而且預(yù)制裂紋面仍然基本保持較為完整。TTT-c3條件下巖石內(nèi)部先后出現(xiàn)了4條萌生裂紋且均與預(yù)制裂紋前緣線垂直，呈現(xiàn)橫切預(yù)制裂隙的趨勢。最終形成了復(fù)雜的裂隙網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致預(yù)制裂隙多出出現(xiàn)擠壓破壞。

(5)定量提取了垂直于x軸方向的CT圖像切面，分析裂紋傾角變化規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)常規(guī)三軸條件下巖石內(nèi)部裂紋傾角分布較為廣泛。真三軸3種工況下的裂紋傾角分布極為集中，均與σ2方向大致平行。表明了中間主應(yīng)力對(duì)巖石內(nèi)部萌生裂紋擴(kuò)展方向起到?jīng)Q定性的作用，巖石內(nèi)部裂隙擴(kuò)展發(fā)育過程強(qiáng)烈依賴中間主應(yīng)力方向。