深地专题李兆霖基于实时CT扫描的岩石真三轴条件下三维破裂演化规律中国矿业大学丨triaxial
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创
新点
（1）研制了一套能够与CT扫描系统配套的真三轴加载试验设备，实现X射线有效通过装置中预先设计的CT扫描区域。
（2）获取了不同真三轴条件下岩石内部裂纹空间三维形态特征演化规律。
（3）中间主应力对岩石内部萌生裂纹扩展方向起到决定性的作用，岩石内部裂隙扩展发育**强烈依赖中间主应力方向。
作 者
李兆霖1,2，王连国3，姜崇扬3，陆银龙3，李文帅4
单 位
1. 中国矿业大学 矿业工程学院；2. 中国矿业大学 露天矿山高新技术研究中心；3. 中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室；4. 山东科技大学 土木工程与建筑学院
研究背景
巷道等地下工程开采**中往往面临着复杂的围岩应力状态变化,致使岩石发生破裂。岩石破裂的本质是其内部裂纹扩展发育并逐渐贯通,进而引起宏观承载能力逐步劣化的力学**。实时准确**岩石**全**中内部裂隙扩展演化规律,对于科学指导深部地下岩体工程稳定性控制,推动深部矿山资源安全开采具有重要的工程意义。
为实现岩石内部破裂**的实时监测,相关学者探索使用声发射(AE)定位等间接**研究试样内部裂隙演化规律。其基本原理是捕捉岩石破裂**中释放的应变能(即AE**),通过声发射计数和振幅等参数的反演间接推测岩石内部破裂空间分布规律。声发射定位技术目前已在室内岩石试验和现场微震监测等方面**了广泛的应用。但是这种利用声波等**受到外界**干扰等作用明显,其反演**的裂隙定位精度较低,裂隙分布信息精度不足。
为了更清晰直观地**岩样内部破裂行为,近年来具有能够无损探测物体内部任意断面结构的X射线CT扫描技术被引入到了岩石力学试验研究中,并成为了岩石力学研究领域的一个热点问题。CT扫描监测技术能够实现对试样内部空间结构形貌特征的高效、无损透视,其为可视化地揭示岩石试样内部复杂的三维裂隙几何结构和分布形态提供了一种十分有效的手段。许多学者尝试利用CT扫描技术来观测试验岩样内部裂纹的分布规律。
然而,目前现有这些研究主要集中在单轴或常规三轴应力**下的实时CT扫描试验研究,而对真三轴加载**下的实时CT扫描试验研究尚未见报道。由于深部地下岩体工程中岩石均处于真三轴应力状态,因此**一种能够对真三轴应力**下的岩石内部裂隙扩展演化**进行实时CT扫描试验**,对于深入和正确认识实际岩石工程中真三轴应力**下岩石破裂特征与机制具有重要的意义。
摘 要
实时准确**岩石**全**中内部裂隙扩展演化规律,对于科学指导地下岩体工程稳定性控制,推动矿山资源安全开采具有重要的工程意义。研制一套能够与CT扫描系统配套的真三轴加载试验设备,位于CT扫描区域的设备部件均采用新型碳纤维材料的设计,包含竖向加载系统、横向加载系统、真三轴压力室等核心部件,使得X射线能够有效通过装置中预先设计的CT扫描区域,实现了真三轴应力**下实时CT扫描的功能。
利用该设备开展了三轴不同应力条件下完整岩石和含裂隙岩石加载实时CT扫描试验,**了整个加载**中岩石应力-应变曲线。获取了不同工况下岩石内部裂纹形态的空间三维CT特征,结果发现:与CTT条件下岩石内部裂纹复杂的空间扩展形态相比,TTT条件下岩石内部裂纹空间形态简单,为一沿σ2方向的平面裂纹。说明了真三轴条件下岩石内部裂隙具有明确的扩展方向(沿σ2方向扩展)。
TTT-c2(含裂隙且沿σ2方向)和TTT-c3(裂隙沿σ3方向)2种工况下岩石内部均出现了4条萌生裂纹,但前者萌生裂纹均与预制裂纹前缘线共面,而且预制裂纹面仍然基本**完整;后者均与预制裂纹前缘线垂直,呈现横切预制裂隙的趋势,最终形成了复杂的裂隙网络,导致预制裂隙多处出现****。
真三轴3种工况下所有的裂纹倾角分布极为集中,均与σ2方向大致平行,表明了中间主应力对岩石内部萌生裂纹扩展方向起到决定性的作用,岩石内部裂隙扩展发育**强烈依赖中间主应力方向。
部分图片
真三轴实时CT加载试验设备总体设计
真三轴实时CT加载试验系统实物图和CT扫描结果
泥岩试样制备**
不同试样上建立的局部空间直角坐标系
试验加载方案及CT扫描方案
试验加载**中试样3个主应力分量随时间变化曲线
基于CT图像与Sigmoid边缘检测**的岩石边缘识别
基于CT图像计算**的岩石应力-应变曲线
CTT条件下岩石内部裂纹形态的空间三维CT特征
TTT条件下岩石内部裂纹形态的空间三维CT特征
CTT和TTT条件下CT扫描对应的轴向应力时刻
TTT-c2条件下岩石内部裂纹形态的空间三维CT特征
TTT-c3条件下岩石内部裂纹形态的空间三维CT特征
TTT-c2和TTT-c3条件下CT扫描对应的轴向应力时刻
CTT条件下裂纹a的简化直线裂纹模型示例
不同工况下加载**中岩石内部裂纹出现次序及裂纹倾角变化规律
作者简介
李兆霖，男，1990年2月生，河南巩义人，中国矿业大学工程力学博士、采矿工程博士后。主持江苏省自然科学基金青年基金项目1项、中国博士后科学基金面上项目1项、**高校基本科研业务费资助项目1项，参与国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、企业科技创新等项目多项。发表学术论文十余篇，授权发明专利4件。
研究方向
岩石力学可视化观测试验**、岩石真三轴破裂损伤理论以及数值计算**
主要成果
致力于岩石真三轴力学基础理论与宏细观破裂机理等方面的研究，目前针对岩石内部破裂监测难题，提出通过结合声发射、CT扫描等手段对复杂真三轴应力路径下岩石破裂演化机理开展相关研究，取得了多项成果。
来源：
李兆霖,王连国,姜崇扬,等. 基于实时CT 扫描的岩石真三轴条件下三维破裂演化规律[J]. 煤炭学报,2021,46(3):937-949.
LI Zhaolin,WANG Lianguo,JIANG Chongyang,et al. Three-dimensional fracture evolution patterns of rocks under true triaxial conditions based on real-time CT scanning[J]. Journal of China Coal Society,2021,46(3):937-949.
责任编辑：黄小雨
编辑整理：郭晓炜
审核：常 琛
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