巖石細觀尺度微損傷識別方法及運用★

徐菊萍 朱 潔 于秋仙 盧倩倩 劉汪洋 倪驍慧

(嘉興學院建筑工程學院，浙江 嘉興 314001)

·巖土工程·地基基礎·

巖石細觀尺度微損傷識別方法及運用★

徐菊萍 朱 潔 于秋仙 盧倩倩 劉汪洋 倪驍慧

(嘉興學院建筑工程學院，浙江 嘉興 314001)

基于體視學中二三維幾何特征相關理論，建立起三維幾何信息獲取參數，在此基礎上以大理巖細觀尺度微裂紋為研究對象，得到了微裂紋間距服從變參數的廣義極限分布這一特征，并得到損傷發展在某應力區間較為迅速的結論。

巖土力學，細觀尺度，微裂紋，大理巖

0 引言

巖石是長久的地質運動中的產物，是由多種礦物晶粒和膠結物組成的混雜體，形成了不同數量、尺度上的微裂紋、微孔洞，致使巖石材料在化學成分、物理性質上均具有較為復雜的特性[1-4]。近年來，在數字圖像技術發展的基礎上，建立針對巖石細觀尺度微損傷識別方法并以計算機程序實現，從而能夠準確的獲得巖石細觀結構基本幾何數據，為進一步進行巖石細觀尺度微損傷的定量研究奠定基礎。

1 巖石細觀尺度微損傷幾何參數獲取原理

1.1 巖石細觀結構的構成

某大理巖受荷破壞試樣的細觀尺度微損傷圖見圖1。

巖石細觀尺度微結構包括：1)三維結構體，如細觀尺度中的礦物顆粒、微裂紋等；2)二維結構面，包括細觀尺度中的礦物顆粒的面、微裂紋的面以及膠結面；3)一維線，包括細觀尺度中礦物顆粒的沿晶、穿晶微裂紋，礦物顆粒與膠結面之間的各類微裂紋等；4)零維點，包括在細觀尺度下的細小微裂紋、孔洞等。

1.2 基于體視學微裂紋三維參數獲取原理

根據體視學中二維幾何特征與三維幾何特征的關系，得到巖石細觀尺度微裂紋的三維參數計算公式。

1)單位體積內的微裂紋面積計算公式：

(1)

其中,LAC1為水平方向試樣觀察面在單位面積內的微裂紋長度；LAC2為豎直方向試樣觀察面在單位面積內的微裂紋長度。假定細觀尺度微裂紋的方位角是隨機分布的，則式(1)變為式(2)：

(2)

其中，LAC為單位量測面積的微裂紋長度。

2)微裂紋的空間寬度計算公式：寬度是對大理巖細觀尺度微結構空間描述的重要參數之一。圖2為兩個垂直平面上的投影寬度與實際微裂紋寬度關系示意圖，計算公式如下：

(3)

(4)

其中，ζ為微裂紋在第一切片與水平軸之間的夾角；WCP1為微裂紋在第一切片上的投影長度；WCP2為微裂紋在第二切片上的投影長度。由于有：

sin2ζ+cos2ζ=1

(5)

由式(3)～式(5)可以得到：

(6)

最后得到三維微裂紋寬度公式：

(7)

2 基于體視學微裂紋間距信息的獲取及結果分析

在Matlab軟件中進行相關編程實現以上算法，并對單軸壓縮大理巖試樣的細觀微裂紋的SEM圖片進行分析，以求獲取不同尺度下微裂紋幾何信息，本文僅對微裂紋間距進行統計分析。經過對微裂紋幾何間距數據的統計分析，微裂隙間距分布特征基本服從廣義極限分布(GEV)，其密度函數如下：

(8)

其中，x為對應于微裂紋的間距S；μ為位置參數；v為比例參數；k為形狀參數。圖中GEV的統計參數：μ=51.147；v=50.999；k=0.147。

微裂隙間距直方圖見圖3，間距的分布參數回歸分析見圖4。

由圖4可見，試樣微裂紋間距的統計參數在40 MPa～45 MPa區間內有突變，這也表明裂紋間距在這個應力區間內發生較大的變化，反映出損傷在此階段中較大的發展。

3 結語

1)依據體視學中幾何特征，經過推導得到微裂紋的三維幾何特征參數計算公式，進一步利用軟件編程實現該方法在巖石細觀微裂紋電鏡識別方面的應用。2)應用所編程序對某大理巖試樣進行微裂紋分析，在某應力區間損傷發展較為迅速的結論。

[1] Batzle M L, Simmons G, Siefried R W. Microcrack closure in rocks under stress: direct observation[J]. Jounal of Geophysical Research,1980(85):7072-7090.

[2] 許 江.對單軸應力狀態下砂巖微觀斷裂發展全過程的試驗研究[J].力學與實踐,1986,8(4):24-28.

[3] 盧應發,張梅英,葛修潤.大理巖靜態和循環荷載試件的電鏡分析[J].巖土力學,1990,11(4):75-80.

[4] 趙永紅.受單軸壓縮大理巖填充割縫周圍的微裂紋生長[J].巖石力學與工程學報,2004,23(15):2504-2509.

The identification method and application of rock meso-scale micro damage★

Xu Juping Zhu Jie Yu Qiuxian Lu Qianqian Liu Wangyang Ni Xiaohui

(ConstructionEngineeringCollege,JiaxingCollege,Jiaxing314001,China)

Based on the 2D and 3D geometric features related theory in stereology, this paper set up 3D geometry information acquisition parameters, basis on this taking the marble meso-scale micro cracks as the research object, gained the characteristics of micro crack spacing to the generalized limit distribution variable parameters, and got the damage development in a certain stress range relatively quickly.

rock and soil mechanics, meso-scale, micro crack, marble

2015-08-23★:嘉興學院大學生研究訓練(SRT)計劃項目“巖質邊坡穩定性的宏細觀損傷特征研究—數據處理分析”(編號：12)；浙江省自然科學基金青年基金項目(項目編號：LQ12E08004)

徐菊萍(1994- )，女，在讀本科生

1009-6825(2015)31-0043-02

P584

A