基于CT圖像處理的凍結(jié)巖石細觀結(jié)構(gòu)及損傷力學(xué)特性研究.pdf

1、低溫下凍結(jié)巖石的損傷是影響寒區(qū)巖石工程、地下低溫貯存庫以及凍結(jié)法施工的礦井建設(shè)等工程安全穩(wěn)定的重要因素。論文以寒區(qū)巖石工程和人工凍結(jié)巖石工程為背景,針對低溫狀態(tài)下的凍結(jié)巖石損傷問題,以巖石的細觀結(jié)構(gòu)為切入點,以損傷力學(xué)、細觀力學(xué)、體視學(xué)、冰力學(xué)作為理論依據(jù),以CT掃描實驗為研究基礎(chǔ),采用CT圖像處理技術(shù)、損傷理論分析和細觀數(shù)值計算相結(jié)合的方法,對低溫環(huán)境下凍結(jié)巖石的細觀結(jié)構(gòu)及損傷力學(xué)特性進行研究,主要內(nèi)容和成果如下:
　　(1)進

2、行了陜西紅砂巖和灰砂巖兩種巖石在常溫、-2℃、-5℃、-10℃、-20℃、-30℃的CT掃描實驗,獲得了不同低溫下巖石CT掃描圖像。凍結(jié)巖石CT圖像很好地反映了凍結(jié)過程中巖石的細觀結(jié)構(gòu)、各相組分分布(水、冰、巖石礦物顆粒)及損傷變化情況。低溫作用下巖石內(nèi)部產(chǎn)生新的孔隙和裂隙,同時伴有裂隙、孔隙貫通現(xiàn)象。巖石內(nèi)部初始損傷隨著溫度的降低擴展增大,當溫度降低至-20℃后,巖石內(nèi)部細觀結(jié)構(gòu)不再變化。
　　(2)將數(shù)字圖像處理理論應(yīng)用于凍結(jié)

3、巖石CT圖像處理中,實現(xiàn)了CT圖像的偽彩色增強;獲得了不同凍結(jié)溫度下巖石的CT數(shù)直方圖;將最大類間方差法和遺傳算法相結(jié)合,對凍結(jié)巖石CT圖像進行雙閾值分割,實現(xiàn)了凍結(jié)巖石CT圖像的三值化分割技術(shù);運用Canny算子對凍結(jié)巖石CT圖像進行邊緣檢測,獲得了凍結(jié)巖石細觀結(jié)構(gòu)的二值圖像。凍結(jié)巖石CT圖像的偽彩色增強能夠提高CT圖像的分辨率,減少視覺上的判斷誤差,根據(jù)偽彩色增強圖像顏色的變化、CT數(shù)直方圖可定量分析凍結(jié)過程中巖石細觀結(jié)構(gòu)、水冰含量

4、以及損傷分布隨溫度的變化情況。凍結(jié)巖石CT圖像的三值化分割技術(shù),將凍結(jié)巖石內(nèi)部的水、冰、巖石三相介質(zhì)區(qū)分開,明確地給出了水、冰、巖石空間位置及含量的數(shù)字表述。
　　(3)將體視學(xué)原理引入到凍結(jié)巖石細觀結(jié)構(gòu)特性研究中,結(jié)合凍結(jié)巖石CT圖像,分析了凍結(jié)巖石細觀結(jié)構(gòu)的構(gòu)成及其相互關(guān)系,給出了凍結(jié)巖石細觀結(jié)構(gòu)參數(shù)計算公式。對凍結(jié)過程中巖石內(nèi)部裂隙、孔隙的長度、周長、面積、寬度、圓形度等細觀結(jié)構(gòu)參數(shù)及水冰含量進行定量計算。細觀結(jié)構(gòu)參數(shù)能夠顯

5、示凍結(jié)過程中損傷大小及形態(tài)的變化情況。凍結(jié)巖石內(nèi)部水和冰含量定量計算結(jié)果表明:巖石內(nèi)部水、冰含量隨溫度的變化而改變,兩者處于動態(tài)平衡狀態(tài)中。
　　引入未凍水含量作為內(nèi)變量,從與內(nèi)變量功共軛的相變潛熱出發(fā),利用連續(xù)介質(zhì)熱力學(xué)理論推導(dǎo)出凍結(jié)巖石中未凍水、冰含量與凍結(jié)溫度關(guān)系的理論公式。所給出的公式能描述凍結(jié)過程中巖石內(nèi)部未凍水和冰含量的變化情況,同時可預(yù)測給定含水量的凍結(jié)巖石的純冰點。
　　(4)根據(jù)凍結(jié)巖石的細觀結(jié)構(gòu)組構(gòu)及特性

6、,從巖石細觀力學(xué)機理出發(fā),用混合律方法將含孔隙的凍結(jié)巖石視為各向同性介質(zhì),將含裂隙的凍結(jié)巖石視為橫觀各向同性介質(zhì),推導(dǎo)出不同凍結(jié)溫度下的等效彈性模量計算公式。
　　針對凍結(jié)作用對巖石力學(xué)性能的影響,提出“凍結(jié)負損傷”的概念,用凍結(jié)損傷、荷載損傷描述凍結(jié)和荷載兩種不同作用下巖石損傷過程,拓展損傷變量內(nèi)涵。基于連續(xù)介質(zhì)熱力學(xué)方法,以巖石的初始損傷狀態(tài)為基準狀態(tài),應(yīng)用推廣后的應(yīng)變等價原理及損傷力學(xué)理論,建立荷載作用下凍結(jié)巖石的宏—細觀損

7、傷本構(gòu)模型。對模型進行了驗證,理論曲線與實驗曲線比較接近,所建立的模型能夠描述荷載作用下凍結(jié)巖石損傷演化規(guī)律。
　　(5)提出了凍結(jié)巖石數(shù)字圖像數(shù)值分析方法(DIP-FEM),建立不同低溫環(huán)境、不同荷載作用下巖石破壞過程的有限元數(shù)值計算格式。通過CT圖像的三維重建技術(shù),獲得凍結(jié)巖石真實細觀結(jié)構(gòu)數(shù)字化模型,對其進行矢量化轉(zhuǎn)化,并導(dǎo)入至有限元軟件ANSYS中,進行凍結(jié)過程中溫度場及冰膨脹力分布規(guī)律的數(shù)值模擬試驗研究,分析含裂隙或孔隙巖