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岩石和土壤集料与CT细观损伤开裂特性分析测试

摘要:本论文的研究目的是探讨在单轴压缩荷载作用下损伤开裂的岩石和土壤集料特性 (RSA) 的x射线计算机断层扫描(CT)，并将感兴趣区的CT平均值用来分析开裂的特点。而且，基于图像阈值分割的数学形态学方法用于获取特征参数的，裂缝描述RSA的开裂演化。结果表明，岩块和土壤基质之间的弹性不匹配是RSA开裂的主要原因。RSA试样平均CT值、岩块夹杂物和其相邻的土壤区域随应力水平提高。然而，比起土壤地区，块夹杂物是更敏感的。使用图像分割方法、长度、面积及平均宽度的裂缝服从幂函数分布。裂缝统计特征对岩块的分布和形态息息相关。这些结果可能是对揭示细观开裂机理、建立细观损伤演化方程和RSA的本构关系是有用的。

关键词：岩石和土壤集料 (RSA)、CT试验、CT 值、开裂机理的细观损伤机理

正文：

1 介绍

岩石和土壤集料 (RSA)，是形成于第四纪时期是极不均匀、 松散岩土与一定比例的岩块，组成各种尺寸和强度高、细粒土和毛孔的岩块的类型。作为一种通用岩土材料，RSA广泛分布于中国和世界各地。RSA 的研究吸引了更多的关注，因其在工程中的重要作用。如水利工程、水利水电工程、公路或铁路工程等。泥石流沉积物、古滑坡和填石坝通常由RSA组成。

RSA的特点是成分复杂、不规则结构分布、区域强相关和广泛的地区分布。这些单独组件的RSA通常有不同的机械和物理性能（如开裂特征.应力、应力的传播、承载能力和断裂方式的翻译）和在内部和外部荷载作用下的不同反应。因为RSA由土壤基质和混合各种形状和大小的岩块组成，其物理和力学性能是区别于'土壤'和'岩块'。RSA的结构显示强非均质性、不连续性和空间变异性。

RSA的开裂破坏特征的研究还处于其早期的国家。RSA 的研究规模可分为微观、细观和宏观(图 l)。当前RSA的细观特性的研究主要集中在数值模拟技术，采用多尺度连续介质力学方法，进行定量分析的 RSA 的内部结构，然后将地质模型导入相应的数值模拟软件 (ANSYS、ABASUS、或 PFC）。这方面的研究取得了伟大成就 [6-11]。然而，细观力学参数的确定是一个决定性的因素，因为它们直接影响计算结果。

网格生成算法计算和元素的属性选择在很大程度上也会影响结果，几个关键问题需要进一步研究。数字图像分析只能获得可见块的分布信息。在所有数据块内的 RSA 随机分布是未知的。因此，很多问题需要解决的基于数字成像过程的数值模拟方法。我们认为，应该用实时细观测试来研究 RSA 的机械变形特性，从细观尺度探索开裂演化机理，无疑它有助于披露滑坡灾害的机制。因此发展预测岩石地质体稳定性的新方法也可能用细观实验结果，推进高阶连续统理论，并提供必要的输入的参数或校准离散颗粒尺度模拟的 RSA 行为探讨不可在实验室中的加载路径。RSA的几何中的局部化的变形现象的实验表征应从试样粒内外尺度中看。只有在充分理解的细观结构特点、块运动规律、开裂的 RSA 的特点，才可以使我们正确揭示的宏观力学特性和变形的 RSA。

RSA作为一种典型的两相流颗粒材料，在他们的联络展品多尺度行为与单个颗粒有着相互的作用。系统的研究，不进行对粗颗粒和细颗粒之间的变形与破坏特征的变形和破坏过程进行研究。这种结构导致复杂和与压力相关的力学响应和非均匀，经常进行本地化及变形现象。也有很多的建模方法，来描述这些材料的力学。包括︰高阶连续体方法微尺度颗粒力学和试图从粮食规模向上的颗粒系统模型的离散元模型进行了表征。然而，这种模式在适当的尺度上需要实验结果，去提供输入的参数。不幸的是，传统的实验方法不足以提供这些模型的必要的数据。他们只提供与宏观尺度、平均的响应并没有详细说明内部结构演化和变形机制相关的信息。例如，剪切带发展、单个晶粒运动学和开裂的RSA。

用 x 射线管已成为地球物理实验室标准工具，在过去的 10 年，谷物和天然岩石中的空洞的三维分布的研究量明显增加 [12-15]。除了天然的岩石，x 射线计算机断层扫描 (CT)，同样适用于研究许多'岩样'材料砂浆和混凝土 [16.17] 等。很多学者提出'岩样'材料基于 x 射线 CT，CT 分析损伤和压裂特征 [20] 几种定性和定量的描述方法。然而，报告关于目前将 CT 技术应用于 RSA 是罕见的。本文的基本目的是分析和x射线CT来揭示细观损伤的 RSA 压缩过程中的开裂机理。结果表明，开裂开始于土壤岩石节理岩体裂缝，之后传播，然后直到失败将合并。

图一 （在线颜色） 三种类型的研究尺度为 RSA 对作者提出的

而且，数学图像处理和识别基于图像阈值分割方法用于一些重要的特征参数的提取。如裂缝区、长度、宽度和分形维数，在压缩载荷描述开裂演化规律。

2 实验装置和方法

在高分辨率x射线CT设备在高能量物理学研究所即中国科学院里扫描标本。CT 机的规格如下︰x射线能穿透 50 毫米铁最大厚度相当，空间分辨率是 4 Lp /mm，相对灵敏度的角度是 l %，密度分辨率为 0.1%，扫描层厚度可以达到达 0.13 毫米，快的扫描时间可以达到对我分钟图像重建时间为 30 秒，裂纹的决议是达到 0.1 毫米工作台的固定位置精度是 0.02 毫米，旋转的定位精度是 5°每秒。气孔分辨率可达0.3毫米列入决议可以图 2（a）显示 450千伏x线计算机断层扫描机。

数字显示点负载测试仪图 2（b）用作单轴压缩试验的加载装置。用千分表来记录试件的轴向变形。测试中使用了改装的 RSA 标本，试样尺寸和粮食成分是在重塑试样的制备过程中考虑的两个重要因素。每个试样应包括广泛的岩块以充分反映各向异性和非均质性的 RSA，然而同时也不应忽视太大颗粒。本文第三，标本缸形（直径为 50 毫米和 100 毫米高）。根据土工试验技术手册和土壤试样的制备标准 BS1377 （1990 年）。块的直径不应大于 10 毫米，对于测试，岩石土壤的门槛值是 2 毫米。粒径大于2毫米时我们定义它'岩石'，当小于 2 毫米，我们定义它'土壤'。一般来说，在相同条件下重塑试样的强度小于原状试样。RSA 在自然状态表现出不同的变形与破坏特征从改装的标本。在自然的状态下， RSA中的水作为结合水存在，土壤、土壤颗粒和岩土体界面表现出强胶结作用。因此，在重塑试样的制备干燥的土壤中加入额外的水，也应准备后保持标本。在测试中使用的土壤和岩石块是从深坑中大气物理学研究所地下取出的。试样制备工艺包括︰风干和洗涤、研磨、筛分、加水、搅拌，保湿、密封、压实、采样、维护等。在 RSA 试样的制备中，岩石百分比设计为 40%。十标本已准备测试，用土壤属性是硬粘土，涉及到第四纪时期冲积沉积，颗粒级配曲线如图3（a）所示。岩土工程测试，土壤包含了很多被强亲水性的蒙脱石矿物。硬质粘土的液限可达63.54%，塑性极限可达到36.32%。土壤的可塑性是约27.22和流动性指数0.05。这些指标表明，这种土壤属于典型的硬塑料和高塑性粘土。图3（b）压实的干土样的应力-应变曲线。峰值应力和应变是2.727 MPa 和1.46%。容受性是从破坏形态、 裂缝几乎平行于轴的方向。这表明的是一些脆的属性，岩块是石灰石，6 和8毫米(图4)之间的大小范围。一般来说，岩石块体的形态特征对 RSA 宏观力学性能有很大的影响。

图 2 （彩色在线 (a) 450 千伏通用工业计算机断层扫描 (CT) 的测试设备;（b）加载装置 （数字的显示点负载测试仪）

图 3 （在线颜色）土壤性质的使用在RSA样品的制备。（a）级配曲线的土壤颗粒用于测试;（b）的风干土样的应力-应变曲线︰峰值应变是 l.46%，失败原因是具有脆性性质。

图 4 （在线上的颜色）岩块的RSA试样的制备（大纲和棱角性提取与图像分割; 块引用是用来校准仪在 IPP 软件的参考对象）。

因此，有必要来描述块 (图 4) 的形态特征。我们得到了岩块与加权平均指数的定量形态学特征如下︰1)概述指标︰伸长率是1.1274，片状是0.841，形状因子是 0.943，球形是0.873。 2）棱角性指数︰凸性比率是0.872，棱角性（梯度法 是0.988。在 RSA 试样的制备。岩块和土壤被混合在一起三层。最优锤的数量确定为20项，根据压实曲线，RSA 试样的干密度是2.01 g/cm3,，岩块的密度约2.55 g/c, 从最大干密度和水含量的曲线中得到的优化水的含量为9%，确保在测试期间点负荷测试仪的可靠性。五个试件，保持加载速率和实验持续了20分钟直到失败的标本。等效载荷率约 0.08 m m/s，试样的平均单轴抗压强度约3.62 MPa。CT扫描范围是试件的从顶部到底部有50 片。每个薄片的厚度是 2 毫米.扫描阶段的应力斯特拉曲线如图 5 所示。在本文中，应力水平在定义为当前的应力与应力峰值之比 k = delta;i/delta;f

图 5 与 CT RSA 的应力-应变曲线测试。

3 结果和讨论

3.1 校准的岩石百分比

如前所述，设计的岩石比例是40%，以及计算结合CT图像来证实其可靠性试样的制备。在本文中，我们展示八 CT 切片图 6 中的统计结果。使用基于图像分割的 IPP 软件，获得了岩块的概况。在所有计数的切片中，围岩百分比和体积岩石百分比分别为 39.25%和 37.72%。这一结果是符合设计的岩石百分比。

3.2 损伤开裂分析与CT值

CT值本身代表了微单元和它们的参数的决议和基本特征。统计中描述的RSA标本的CT值可以提供分析细观开裂机理。基于 CT 值的损伤变量的定义，或具有类似的性质、 量化和从细观过渡到宏观参数的单位进行分区描述可以自然地实现。在测试中，用CT设备得到了50 片，RSA标本的CT值被定义为每个切片（第一次在最后层切面并没有计算在内）的平均、 CT均值、方差CT值之间的关系。与轴向应变绘制图 7 所示。

图 6 （在线颜色） 典型 CT 片岩百分比和结构参数的计算。

表一 在 RSA 试样块表 l 岩石的结构参数

如图 7 所示，基于全场实时CT测试。破坏过程可以分解成若干阶段的单轴压缩试验中记录的平均 CT 值的变化特点。这些阶段包括 ︰

1） 裂纹闭合和土壤巩固阶段。

2） 线性弹性变形阶段。

3） 岩土体节的裂纹萌生阶段和裂纹稳定增长阶段。

4） 裂纹损伤与不稳定传播阶段。

5） 失败和应变软化阶段。

每个受力阶段的细观损伤演化如下所述 ︰

1） 微裂缝闭合和土壤固结，OA ︰ 发生在加载时土壤具有孔隙和裂缝中的岩土体界面的初始阶段。裂纹在封闭期间，应力-应变响应是非线性的参展的增加在轴向刚度。轴向应变为 0.2455%，每片平均 CT 值略有上升。RSA 标本的 CT 值也增加了从1186.00526 到 1191.84947。但略有改变。

2） 线性的弹性变形，AB ︰ 一旦土壤压实和接合，现有的岩石土壤裂缝已经被关闭。线性弹性变形发生。当轴向应变达到 0.5195%。小试样平均 CT 值而不做任何重大的改变，CT 值的方差也会更改。后的微裂纹闭合。应力-应变曲线呈线性的弹性关系。

3） 土石接合裂纹萌生和裂纹稳定扩展，BC︰这些裂缝的增长表明，发生在岩块周围。开放的裂缝与周围块表面的脸被检测到的线性侧和体积应变行为偏离。在这一阶段。轴向应变是 0.8665%和 RSA 标本开始损坏。岩土体裂纹在这一阶段，试样减少的 CT 值减少达 1074.81753。

图 7 的均值和方差的 CT 值与轴向应变的关系。

4） 裂纹损伤与不稳定扩展，CD︰裂纹扩展是稳定或不稳定。根据稳定条件。裂纹生长方式向周围的岩块。不稳定裂纹传播和凝聚在土壤基质。在这种条件下裂纹扩展直至失败。在这个阶段，轴向应变是 l.06%和 RSA的 CT值急剧下降到了982.20。在同一时间，CT 值的方差逐渐增大。试样的各向异性变得更强和局部变形的快速增长对试样的断裂。

3.3 RSA 扩张特征

扩张是 aii 的裂纹损伤演化的重要现象。在测试中。采用不同的加载阶段的不同切片截面面积变化反映扩张特征。从每两CT片的上部，中间，与较低职位的标本，分别选取。结果如表 2 所示，中间位置的扩张现象更明显的上部和下部的位置，旋转和平移的岩石块中的中间部分是更为严重。在第五阶段中，加载截面面积增大，不仅有助于对岩块的运动。而且对裂缝的形态也很好。

以第25片（在试样的中间部分）切片为例，侧向应变计算的四个阶段。结合图 5 中的轴向应变，作为 E-2E3 计算体积应变和结果如下。

3.4 CT值特性分析

要进一步揭示的 RSA 压缩下的细观损伤开裂机理。作为ROI，所选的岩块夹杂物和其相邻的土壤地区。ROI的CT值，分析了越来越大的压力，基于内容的限制，第16 片、25片和 32 片进行了研究。和他们相邻土壤地区被选为感兴趣区。对于切片 25，阻断夹杂 11，和他们相邻土壤地区被选为感兴趣区。最后，为 32 片，块夹杂 15，和其相邻的土壤区域被选定为感兴趣区。块夹杂物和相应的土壤区域的 ID 号是图 6 所示。不同片不同的投资回报率的均值和方差 CT 值是表 3-5 所示。

随着越来越多的轴向应力，微裂缝是碾压中和已关闭的初始状态。然后，块夹杂物和其相邻的土壤区域的平均 CT 值在减少。当它到达峰值应变时，CT 值减小到最低限度，方差 CT

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