基于數(shù)字圖像處理的含分叉裂紋花崗巖破裂過(guò)程研究

席仕軍 左宇軍 孫文吉斌 鄔忠虎 劉鎬 稅越

摘要：為了從細(xì)觀尺度研究含分叉裂紋花崗巖破裂過(guò)程，本文基于數(shù)字圖像處理技術(shù)表征花崗巖真實(shí)細(xì)觀結(jié)構(gòu)，結(jié)合RFPA2D—DIP軟件構(gòu)建了含分叉裂紋花崗巖數(shù)值模型并進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，分析了含分叉裂紋花崗巖失穩(wěn)破壞及裂紋演化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：含分叉裂紋花崗巖中，垂直于荷載施加方向的水平分叉裂紋滯后于其他分叉裂紋產(chǎn)生擴(kuò)展裂紋：加載初始階段分叉裂紋尖端應(yīng)力集中，其初始裂紋在傾斜分叉裂紋尖端萌生，試件兩端面與預(yù)制裂紋貫通導(dǎo)致試件破壞。

關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像處理：真實(shí)細(xì)觀結(jié)構(gòu);分叉裂紋;破裂過(guò)程

中圖分類號(hào)：TU452文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

巖石變形破壞機(jī)制是工程設(shè)計(jì)施工的基礎(chǔ)性研究，為工程設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。作為自然地質(zhì)體，巖石由不同類型的礦物顆粒組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其強(qiáng)度和變形破壞特性受內(nèi)部缺陷影響，因此研究含缺陷巖石的強(qiáng)度和變形破壞特性具有重要意義。目前對(duì)于含缺陷巖石材料的破裂力學(xué)行為已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，Wong R H C等研究了單軸壓縮荷載作用下含不同直徑的單孔試樣斷裂破壞規(guī)律。徐麗海等進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，研究了含預(yù)制裂紋的類巖石材料損傷演化過(guò)程。李地元等研究了單軸壓縮條件下含孑L洞花崗巖破裂力學(xué)行為。趙延林等分析隨機(jī)形貌巖石節(jié)理的宏觀剪脹數(shù)值曲線，提出了一種非線性剪脹本構(gòu)模型。李銀平等研究了單軸壓縮荷載作用下含預(yù)制裂隙大理巖的變形破壞特性及裂紋演化規(guī)律。劉曉等以單位時(shí)間固定位移施加方式模擬單軸受壓下巖石的聲發(fā)射特性，研究了賦予缺陷單元同一參數(shù)和隨機(jī)參數(shù)的不同情況。楊圣奇等研究了含斷續(xù)裂隙及孔洞大理巖的裂紋擴(kuò)展模式，分析了裂隙參數(shù)幾何分布以及不同應(yīng)力對(duì)大理巖變形破壞的影響。以上的研究基于物理試驗(yàn)或統(tǒng)計(jì)和隨機(jī)賦值的數(shù)值試驗(yàn)，鮮有基于真實(shí)細(xì)觀結(jié)構(gòu)的巖石破裂力學(xué)行為研究。

近年來(lái)，數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)用于不同領(lǐng)域，部分學(xué)者將該技術(shù)應(yīng)用于巖石破裂過(guò)程研究。Tan x等基于數(shù)字圖像處理技術(shù)模擬花崗巖巴西網(wǎng)盤(pán)劈裂試驗(yàn)，研究了非均質(zhì)性和微觀結(jié)構(gòu)對(duì)巖石斷裂過(guò)程的影響。岳中琦等對(duì)花崗巖進(jìn)行非均質(zhì)力學(xué)分析，提出一種基于數(shù)字圖像處理的數(shù)值分析方法。陳沙等基于數(shù)字圖像處理技術(shù)構(gòu)建花崗巖真實(shí)細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型模擬了花崗巖多種室內(nèi)試驗(yàn)。尹延春等基于大津法多閾值分割方法獲取了花崗巖細(xì)觀結(jié)構(gòu)的表征圖像并構(gòu)建花崗巖真實(shí)細(xì)觀模型，分析了單軸壓縮下花崗巖的失穩(wěn)破壞過(guò)程。嚴(yán)成增等將數(shù)字圖像處理技術(shù)與有限元法一離散元法耦合分析方法結(jié)合，研制了可表征巖石非均質(zhì)性的分析系統(tǒng)并模擬巴西網(wǎng)盤(pán)劈裂試驗(yàn)。王林林等基于RGB色彩空間的彩色圖像處理技術(shù)對(duì)花崗巖的石英、長(zhǎng)石和云母進(jìn)行區(qū)分，并利用邊緣檢測(cè)技術(shù)對(duì)其邊界曲線進(jìn)行識(shí)別和矢量提取。朱澤奇等利用模糊C均值聚類方法形成了一種巖石材料數(shù)字圖像處理技術(shù)，并利用該方法模擬了花崗巖單軸壓縮破壞過(guò)程。于慶磊等應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)表征花崗巖非均勻性，建立細(xì)觀尺度模型研究了細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)其破裂力學(xué)行為的影響。以上研究是針對(duì)完整試件，鮮有研究含缺陷花崗巖破裂力學(xué)行為。本文基于數(shù)字圖像處理技術(shù)表征花崗巖真實(shí)細(xì)觀結(jié)構(gòu)，運(yùn)用RFPA-DIP軟件構(gòu)建含分叉裂紋花崗巖的數(shù)值模型，研究了單軸壓縮載荷作用下花崗巖的破裂過(guò)程，分析了含分叉裂紋花崗巖失穩(wěn)破壞及裂紋演化規(guī)律。

1巖石中裂紋分又現(xiàn)象

巖石材料普遍存在裂紋分叉現(xiàn)象，工程實(shí)際中裂紋分叉現(xiàn)象如圖1所示。其對(duì)巖石材料的物理力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生巨大影響，因此研究含分叉裂紋巖石的破裂力學(xué)行為具有重要意義。

2花崗巖真實(shí)細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型

2.1 花崗巖真實(shí)細(xì)觀結(jié)構(gòu)數(shù)字圖像表征

為了研究含分叉裂紋的花崗巖破裂力學(xué)行為，本文選用花崗巖數(shù)字圖像如圖2。圖中不同的顏色代表不同礦物介質(zhì)，黑色為云母，灰色為長(zhǎng)石，白色為石英。圖像像素尺寸為200像素×200像素，實(shí)際尺寸為100mm×100mm。數(shù)字圖像處理中根據(jù)圖像特征選擇顏色空間，花崗巖選擇HSI顏色空間進(jìn)行圖像分割。HSI顏色空間用色調(diào)（Hue），飽和度（Saturation）以及亮度（Intensitv）三個(gè)參數(shù)表示顏色特性?；◢弾r圖像根據(jù)其掃描線上I值的變化情況選取分割值進(jìn)行區(qū)域分割，本文將HSI顏色空間I值劃分到0～255的范圍內(nèi)。圖3是花崗巖數(shù)字圖像及AB掃描線，圖4是AB掃描線上I值的變化曲線。對(duì)比圖3中AB掃描線穿過(guò)的位置與圖4中曲線的I值變化情況可以看出云母的I值在160以下，石英的I值在200以上，取分割閡值為160及200。這樣就把I值劃分為0～160、161～200及201～255三個(gè)區(qū)間，即花崗巖細(xì)觀介質(zhì)分為云母，長(zhǎng)石和石英三類。圖5是運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)分割得到的花崗巖表征圖像，圖中展現(xiàn)了云母，長(zhǎng)石和石英三種細(xì)觀介質(zhì)的形狀大小及空間分布。

2.2真實(shí)細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型的建立

為了研究含分叉裂紋的花崗巖破裂力學(xué)行為，本文基于真實(shí)細(xì)觀結(jié)構(gòu)表征圖像建立含分叉裂紋的花崗巖數(shù)值模型如圖6所示。基于圖5建立的模型，模型中預(yù)制一個(gè)三分叉裂紋，由1條水平方向的分叉裂紋及2條傾斜方向的分叉裂紋組成，其編號(hào)分別為1.2.3。傾斜分叉裂紋與水平方向夾角為π/3.3條裂紋的長(zhǎng)均為15mm，寬均為1.5mm?；◢弾r細(xì)觀介質(zhì)的力學(xué)參數(shù)如表1所示。模型進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，加載方式為位移加載，加載初始值為0.001mm，加載增量為0.001mm，加載至試件破壞。

3花崗巖力學(xué)特性分析

3.1花崗巖應(yīng)力分布特征

花崗巖單軸壓縮試驗(yàn)最大主應(yīng)力分布如圖7所示，顏色越亮表示該區(qū)域應(yīng)力越大。圖7（a）是加載初始階段試件內(nèi)部應(yīng)力分布情況，圖7（b）是花崗巖峰值階段試件內(nèi)部應(yīng)力分布情況。從圖中可以看出，應(yīng)力在試件內(nèi)部呈不均勻分布。加載初始階段試件應(yīng)力在分叉裂紋的尖端集中分布，這說(shuō)明了巖石內(nèi)部應(yīng)力分布受其缺陷的影響。花崗巖峰值階段應(yīng)力在部分裂紋周圍集中分布顯著，在部分裂紋周圍分布不顯著，這是由于破壞過(guò)程中花崗巖釋放掉部分應(yīng)力。

3.2 花崗巖破壞過(guò)程及聲發(fā)射

花崗巖試件單軸壓縮試驗(yàn)破壞過(guò)程如圖8所示。當(dāng)加載到28-1步，傾斜分叉裂紋2尖端萌生垂直分叉裂紋方向的新裂紋，分叉裂紋3尖端萌生沿荷載施加方向的新裂紋，這是由于花崗巖局部應(yīng)力達(dá)到單元的損傷閥值，試件發(fā)生損傷，萌生新裂紋，如圖8（a）所示。當(dāng)加載到46-16步，2條傾斜分叉裂紋的擴(kuò)展裂紋沿軸向延伸，試件上部的云母及云母與長(zhǎng)石的邊界萌生沿軸向的I型小裂紋，如圖8（b）所示。當(dāng)加載到46-35步，上端面萌生裂紋并與云母中萌生的裂紋貫穿，如圖8（c）所示。當(dāng)加載到69-23步，試件上端面裂紋與傾斜分叉裂紋2貫穿，試件下端面萌生小裂紋并與試件中部云母中萌生的裂紋貫穿，如圖8（d）所示。當(dāng)加載到114-25步，水平方向的分叉裂紋1被壓密，其尖端萌生向試件下端面擴(kuò)展的裂紋，2條傾斜分叉裂紋的擴(kuò)展裂紋周圍萌生垂直荷載施加方向的小裂紋，形成樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)。試件其他區(qū)域萌生大量沿荷載施加方向的裂紋，不同裂紋相互貫通形成滑移破壞面，如圖8（e）所示。當(dāng)加載到114-32步，預(yù)制傾斜分叉裂紋，下端面及上端面裂紋相互貫通形成宏觀破裂面，試件破壞如圖8（f）所示。對(duì)比圖中傾斜分叉裂紋，與荷載施加方向垂直的水平分叉裂紋1尖端最后產(chǎn)生擴(kuò)展裂紋，試件破壞時(shí)其不與上下端面貫通。分析單軸壓縮含分叉裂紋花崗巖試驗(yàn)，其初始裂紋萌生于傾斜分叉裂紋尖端：垂直于荷載施加方向的水平分叉裂紋滯后于其他分叉裂紋產(chǎn)生擴(kuò)展裂紋，試件破壞時(shí)其不與上下端面貫通。試件破壞過(guò)程中，花崗巖局部應(yīng)力達(dá)到了單元的損傷閥值，試件發(fā)生損傷，萌生小裂紋，裂紋相互貫通形成宏觀破裂面導(dǎo)致試件失穩(wěn)，其破壞形態(tài)表現(xiàn)為傾斜分叉裂紋與新裂紋的貫通，這說(shuō)明缺陷對(duì)花崗巖的破壞形態(tài)產(chǎn)生較大影響。

花崗巖單軸壓縮試驗(yàn)聲發(fā)射結(jié)果如圖9所示，圖中拉伸破壞以紅色表示，壓剪破壞以藍(lán)色表示，已破壞單元以黑色表示。隨著荷載的施加，花崗巖傾斜分叉裂紋尖端產(chǎn)生大量聲發(fā)射，其顏色為紅色，即發(fā)生拉伸破壞，如圖9（a）所示。繼續(xù)施加荷載，試件上端面，下端面及分叉裂紋尖端產(chǎn)生大量聲發(fā)射，其顏色為紅色，發(fā)生拉伸破壞，如圖9（b）所示。繼續(xù)施加荷載，大量裂紋萌生并擴(kuò)展形成剪切帶，最終與預(yù)制缺陷貫通，如圖9（c）所示。繼續(xù)施加荷載，新裂紋與預(yù)制分叉裂紋貫通形成宏觀破裂面。圖中可以看出，花崗巖傾斜分叉裂紋尖端先產(chǎn)生拉破壞，隨著加載進(jìn)行，拉破壞擴(kuò)展到他區(qū)域并產(chǎn)生剪切破壞。即裂紋萌生階段發(fā)生拉伸破壞，裂紋貫通階段形成剪切帶最終致使試件失穩(wěn)。

3.3應(yīng)力一應(yīng)變曲線及聲發(fā)射次數(shù)

含分叉裂紋花崗巖單軸壓縮試驗(yàn)應(yīng)力一應(yīng)變曲線和聲發(fā)射次數(shù)如圖10所示。其應(yīng)力一應(yīng)變曲線包括上升階段，峰值階段及下降階段，峰值強(qiáng)度為61.28Mpa，達(dá)到峰值強(qiáng)度后應(yīng)力出現(xiàn)明顯跌落，隨著變形的增加應(yīng)力又逐漸上升，但沒(méi)有達(dá)到峰值強(qiáng)度，繼續(xù)施加荷載應(yīng)力曲線近水平延伸。加載過(guò)程中，試件局部應(yīng)力集中區(qū)域，萌生新裂紋，產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象。從圖中可以看出大量聲發(fā)射的產(chǎn)生，聲發(fā)射次數(shù)分別為604次，1076次，2738次，3511次，969次。這是由于隨著加載的進(jìn)行，裂紋萌生并擴(kuò)展，儲(chǔ)存在試件中的應(yīng)變能釋放，最終導(dǎo)致試件承載力下降。峰值之后試件中大量裂紋擴(kuò)展，頻繁產(chǎn)生聲發(fā)射，試件沒(méi)有完全失去承載力。

4 結(jié)論

（1）數(shù)字圖像處理技術(shù)能夠表征花崗巖細(xì)觀介質(zhì)形狀大小及空間分布，建立花崗巖真實(shí)細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型能保證數(shù)值試驗(yàn)獲得可靠結(jié)果。

（2）含分叉裂紋花崗巖中，垂直于荷載施加方向的水平分叉裂紋滯后于其他分叉裂紋產(chǎn)生擴(kuò)展裂紋;加載初始階段預(yù)制裂紋尖端應(yīng)力集中，其初始裂紋在傾斜分叉裂紋尖端萌生，試件兩端面與預(yù)制裂紋貫通導(dǎo)致試件破壞。

（3）含分叉裂紋花崗巖在裂紋萌生階段發(fā)生拉伸破壞，裂紋貫通階段形成剪切帶最終致使試件失穩(wěn)。