岩石损伤破坏的临界识别与强度变化规律研究

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岩石细观损伤的研究是近年来岩石力学领域中的热点课题。论文主要研究岩石损伤破坏的临界识别问题,以岩石的细观结构特征为切入点,以损伤力学为理论基础,以CT实验为研究手段,使用CT图像处理技术、损伤理论分析、分形理论分析和改进的裂纹应变模型计算法,对岩石损伤破坏临界状态的信息及强度变化规律进行研究。  (1)进行了砂岩的CT扫描实验,得到多组扫描层的CT图像。CT图像可以反映出岩石的细观结构和内部微裂隙变化情况。砂岩在外界不断加载的过程中其内部微裂隙闭合、萌生和扩展,首先在砂岩内部最薄弱处微裂隙发生贯通,然后应力重新分配导致次薄弱位置处破坏,直到岩石整体出现宏观破坏。岩石微裂隙发展的局部化现象和损伤累积效应的存在导致了岩石损伤破坏临界状态之后的损伤速率加速增长。  (2)MATLAB软件的数字图像处理功能实现了CT图像的处理。伪彩色增强提高了图像的分辨率,减少了视觉上的辨别误差,便于辨别出初始损伤和贯通裂纹的位置;使用Canny边缘检测算子对CT图像进行边缘检测,获得砂岩细观结构的二值图像,其能将砂岩材料与微裂隙区分开显示,准确显示出微裂隙的空间位置;基于CT图像上灰度级的频数,获得砂岩的CT数直方图,砂岩损伤演化引起直方图中灰度级频数的变化,直方图中峰形形状的尖锐、平缓表示损伤程度的大小。  (3)利用分形理论研究砂岩细观结构特性,结合CT图像上灰度值的变化规律,定量分析了砂岩损伤破坏的临界信息。加载过程中岩石内部密度发生变化,这导致CT图像上灰度的变化。CT图像中某一位置线上灰度值的变化曲线是一种起伏、粗糙的曲线,利用描述粗糙曲线的粗糙度Rd指标定量分析砂岩损伤演化规律。结果表明荷载水平在0.8左右时,Rd值波动大,损伤变量加速增大,这表明损伤进入了加速发展阶段,此时岩石处于损伤破坏的临界状态,从而合理预测岩石的损伤破坏。  (4)改进裂纹应变模型计算法,完善砂岩起裂强度和损伤强度的确定方法,进而研究砂岩损伤破坏过程中强度变化规律。裂纹应变模型计算法可以较为方便和准确地确定砂岩断裂前的强度特征,裂纹体应变-轴向应变曲线中水平线段结束的位置处的应力水平为起裂强度,砂岩出现扩容现象所对应的应力水平为损伤强度。
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