（岩土工程专业论文）基于数字图像处理技术的岩石细观量化试验研究.pdf

摘要 岩石是一种多尺度材料，以往的研究大多是在宏观尺度下进行的，由于岩石在外 部荷载作用下的断裂乃至破坏足由于处于细观尺度的微裂隙的增长和贯通引起的，所 以对处于细观尺度的微裂隙进行量化分析，对于了解和研究岩石的力学性质有一定的 意义。 岩石的细观量化试验研究首先从损伤理论和微观量化理论一体视学出发，构筑一 套细观量化试验方法，解决从试验制样、试验设备到试验程序等相关问题。试验采用 扫描电镜为观测工具，对四川锦屏大理岩进行了观测，得到了大量岩石细观结构图片。 其次，基于数字图像处理理论，利用区域生长算法对获取到的图片进行了处理， 并编制相关程序实现图像增强和图像分割，然后运用体视学理论从分割后的二值化图 像中提取微裂隙的长度、方位角、宽度、面积和周长等微裂隙细观信息。 再次，利用统计学理论对获取到的微裂隙细观信息进行统计分析，得到各参数的 统计规律，进一步利用蒙特号罗理论模拟岩石细观结构体积表征单元( r e v ) 。 最后，依据几何损伤理论得到基于岩石细观量化试验的岩石r e v 的初始损伤张 量，将其引入到gs w o b o d a 的损伤理论中，模拟得到单轴压缩试验和常规三轴压缩 试验的应力应变关系，并与实际试验的结果进行了比较。结果显示可以较准确模拟 两种力学状态下的应力一应变关系。 关键字：大理岩细观结构体视学s e m 图像处理损伤力学 a b s t r a c t r o c ki sam u l t i s c a l em a t e r i a l ，w h i c hu s e dt ob er e s e a r c h e da tm a c r o s c o p i c a ls c a l e b e c a u s et h ef r a c t u r ea n df a i l u r eo fr o c ku n d e rl o a d i n gi sc a u s e db ym i c r o c r a c k s g r o w i n g a n dp r o p a g a t i n ga tm e s o s c a l e ，i ti sh e l p f u lt ou n d e r s t a n dt h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro fr o c k b yq u a n t i t a t i v e l yi n v e s t i g a t i n gm e s o s t r u c t u r eo f r o c k f i r s t ，b a s e do nd a m a g em e c h a n i c sa n ds t e r e o l o g yt h e o r y , t h et e s to fq u a n t i f i c a t i o no f r o c km e s o s t r u c t u r ei sd e s i g n e d s o m er e l a t i n gi s s u e ss u c ha ss p e c i m e np r e p a r a t i o n e x p e r i m e n te q u i p m e n ta n de x p e r i m e n tr o u t i n e sa r es e a l e dd o w n t h et e s tt a k e ss c a n n i n g e l e c t r o nm i c r o s c o p “s e m ) a st h eo b s e r v e r , a n dt h o u s a n d so fm e s o s t r u c t u r a li m a g e so f m a r b l eo f j i n p i n gi ns i c h u a np r o v i n c ea r eo b t a i n e d s e c o n d ，b a s e do ni m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e ，t h ei m a g e so fm e s o s t r u c t u r a li m a g e s o fm a r b l ew e r ep r o c e s s e db yr e g i o n a lg r o w i n gt h e o r y t h ew h o l ep r o c e s si sp r o g r a m m e d b ym a t l a ba n dt h em i c r o c r a c k s m e s o - s t r u c t u r a li n f o r m a t i o ns u c ha sl e n g t h ，a n g l e ，w i d t h ， a r e a p e r i m e t e r , e t ca r ea l s oo b t a i n e db ym a t l a ba c c o r d i n gt os t e r e o l o g yt h e o r y t h i r d ，t h em i c r o c r a c k s m e s o s t r u c t u r a li n f o r m a t i o ni sp r o c e s s e db ys t a t i s t i c a lt h e o r y b a s e do i lt h es t a t i s t i c a ll a w o ft h em i c r o c r a c k s 。m e s o s t r u c t u r a li n f o r m a t i o n ，t h e r e p r e s e n t a t i v ee l e m e n tv o l u m e ( r e v ) o f r o c ka tm e s o s c a l ei sd e c i d e db ym o n t ec a r l o t h e o r y f i n a l l y , b a s e do ng e o m e t r i c a ld a m a g em e c h a n i c s ，t h ei n i t i a ld a m a g et e n s o ro fr e v o f r o c ka tm e s o s c a l ei so b t a i n e d a n dt h e ni n t r o d u c e si ti n t ogs w o b o d ad a m a g em o d e lt o o b t a i nt h es t r e s s s t r a i nr e l a t i o n s h i p su n d e ru n i a x i a lc o m p r e s sa n dt r i a x i a l c o m p r e s s c o n d i t i o n s t h em e t h o di sv e r i f i e db yc o m p a r i n gt h es t r e s s s t r a i nr e l a t i o n s h i p so ft h e o r y a n do f p r a c t i c a le x p e r i m e n t k e yw o r d s ：m a r b l e ；r o c km e s o s t r u c t u r e ；s t e r e o l o g y ；s e m ；i m a g ep r o c e s s i n g ；d a m a g e m e c h a n i c s 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 辜皇手 2 0 0 6 年3 月2 2 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘 版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容 相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部 分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 犟塾季 2 。6 年3 月2 2 日 第章绪论 1 1 研究目的和意义 第一章绪论 岩石作为一种常见且古老的工程材料，在诸如大型水利水电、采矿、交通运 输和建筑等工程中都广泛地使用到，岩石本身是自然界历久育成的产物，是由多 种矿物晶粒、孔隙和胶结物组成的混杂体。在经过亿万年的地质演变和多期复杂 的构造运动后，岩石中形成了各种微裂隙和微孔洞，所以岩石结构是极其复杂的 非连续和非均质体，它的力学属性具有非线性、各向异性及随时间变化的流变特 性。因此如何评价岩体的稳定性，进行合理的支护决策，以保证工程的安全建设 和营运，是个重要的课题。能否正确评价岩体稳定性取决于对岩石破坏机理 的认识程度，而结合损伤理论进一步从细观尺度了解岩石破坏机理具有重要意 义。 在地质环境下，岩石表现出众多复杂的工程特性和现象，都与其内部微细结 构的形态和变化有关，所以定量给出岩石细观结构特征参数并研究其与宏观力学 作用之间的关系，能够进一步了解岩石的力学变形特性。 岩石是种多尺度的材料，图1 1 显示了不同尺度下观测到的岩石，在最小 尺度下显示的是岩石矿物的晶粒结构( 纳米级微观尺度) ，随着尺度的增加，可以 通过扫描电镜( s e m ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ) 观测到岩石矿物颗粒以及微裂 隙和微孔洞( 微米级细观尺度) ，该尺度下的岩石结构特征正是本文研究的主要对 象，随着尺度的继续增加，就进入工程运用尺度，岩石力学上的一般理论仅适用 于实验室尺度和工程尺度，即假设在微观和细观层面上的微裂隙和微孔洞可以近 似忽略，认为整个岩石为一个均匀体。b a l l ( 1 9 9 9 ) 1 2 1 认为“结构处于一切尺度之 中”。m i c h a e le k a s s n e r ( 2 0 0 5 ) 等学者【3 】认为只有建立多尺度的力学模型才能真正 了解微裂隙起裂的机理，应在细观尺度上对脆性和延性材料作进一步研究。因此 从细观角度出发，认为岩石在细观上同样为一结构体，即为岩石细观结构体，引 入岩石细观结构体量化信息运用于岩体损伤理论中，基于gs w o b o d a 损伤理论 得到岩石细观结构体的损伤本构模型，从而将量化岩石细观结构特征信息运用于 损伤理论之中。 以往通过s e m 获取岩石细观结构特征，主要是定性地观测岩石在试验中或 试验前后的细观结构变化，而大多没有提升到定量的层面，所以本文为了对岩石 细观结构特征给出定量的描述，依据体视学理论并结合损伤力学理论设计一套通 过s e m 获取岩石细观结构特征参数的试验方法。除了通过s e m 对岩石切片进 河海人学硕上论文 行观察外，还必须对获取到的细观结构图像上采用数字图像处理技术进行图像增 强和图像分割，最后检出并量测图像特征。 矿物品粒微裂隙 1 0 9 1 0 8 1 0 7 1 0 。4 1 0 3 1 0 、2 1 0 1 1 0 01 0 11 0 21 0 3 m 图1 1 不同尺度下的岩石示意图 通过定量的岩石细观结构试验研究，将岩石细观结构量化理论引入到损伤力 学理论中，本质上，能更好地反映岩石的变形特性，最终可运用于各种工程实际 情况中。定量分析研究岩石细观结构，建立岩石力学性质与细观结构的内在联系， 不仅对岩石力学理论进一步深入研究具有一定的科学意义，而且对分析和评价岩 石的工程性质及其对工程建设的适应性也有着明显的现实性。 1 2 国内外研究现状 岩石的内部存在初始微裂隙和微孔洞，这些缺陷的存在直接影响岩石的力学 性质，在荷载的作用下，微裂隙的起裂、增长和贯通，进而引起断裂失效( k a r n z e 4 1 ， 1 9 8 3 ；h a d l o y f5 1 ，1 9 7 6 ) 。岩石的微细结构( r o c km e s o m i c r o s t r u c t u r e ) 的量化试验研 究就是研究岩石体内的微裂隙和微孔洞的三维形状参数。基于诸如微裂隙的长 度、方位角、间距和面积等形状参数，得到岩石的初始细观结构损伤张量，从而 将细观结构损伤张量引入到损伤理论得到岩石的本构模型。 从国内外岩石微细结构研究的情况来看，主要是研究岩石微细结构体与其宏 观力学行为之间的关系，进而用特定的结构模型来表征岩土体的工程性质。过去， 已有诸多学者在岩石微细结构方面做了大量的定性描述，同时在定量的描述方面 也有较大的进展。 1 2 1 国外研究现状 k a n a t a n i 6 】于1 9 8 4 年通过微结构体参数一微裂隙密度来表征岩石的开裂程 度，而o d a 7 】【8 1 于1 9 8 6 以及s u z u k i 9 1 于1 9 9 8 说明了微结构体参数与超声波波速 第一章绪论 以及渗透性之间的相互关系。h o w a r t h ，d f 等【1 0 1 于1 9 8 7 年通过对岩石切片图像 分析，建立了量化岩石微细颗粒参数( 形状、方位角和相对比例等) 的方法，并与 岩样的力学强度进行了比较，得到两者的相互关系。c a m p b e l l ，d o n a l dh 等j 于 1 9 9 1 年讨论了利用光学显微镜进行岩石、砖和水泥等材料微观量化的可行性， 并与x 射线方法进行了比较。d e m o o r e 等1 1 2 】于1 9 9 5 年探讨了花岗岩微裂隙对 剪切裂隙扩展的影响作用。r o b i n ah c w o n g ”1y - 1 9 9 6 年研究了初始微裂隙密 度和岩石微颗粒尺寸对于y u e nl o n g 大理石岩样单轴压缩强度的影响。y o s s e f h h a t z o r 等【1 4 1 于1 9 9 7 年研究了白云石的细观结构与微裂隙起裂的初始应力和试样 最终强度之间的关系，发现岩石微结构对其强度极限的影响非常大。w u ，x y 等【”1 于2 0 0 0 年利用光学显微镜和s e m 研究了d a r l e y d a l e 砂岩在压缩破坏中的 各向异性损伤的微观力学演化过程，得到了微裂隙密度与应变之间的关系， s t e v e nr o g i l v i e 等【”i 于2 0 0 1 年用微结构信息来计算砂岩的孔隙率和渗透率， r p r i k r y l 1 7 1 于2 0 0 1 年利用岩相图像分析观测在单轴压缩下的表现不同的力学性 质的相同岩性岩样的微观结构，发现微观结构参数颗粒尺寸对岩样的强度影响最 大，而且岩样的各向异性越大，则其颗粒形状也越呈现方向性。m e n e n d e z ，b 等【1 剐 于2 0 0 1 年探讨了运用激光共焦点扫描显微镜来研究岩石中微裂隙和微孔洞网络 的方法。 单位体积的微裂隙数量和微裂隙的平均长度常被用来表征开裂程度，同样也 作为不同微裂隙开裂演化理论中的佐h q ：( h a d l e y , 1 9 7 6 ；w o n g 【1 9 j ，1 9 8 5 ；t a p p o n i e r 2 0 1 和b r a c e 【2 l 】，1 9 7 6 ；z h a o 2 2 1 ，1 9 9 8 ) 。然而这些参数的结果有时会出现不一致的情 况，一些学者( w o n g ，1 9 8 5 ；h a d l e y , 1 9 7 6 ) 得到平均微裂隙长度会随着主应力差增 加而增加，而其他一些学者( z h a o ，1 9 9 8 ) 得到微裂隙的平均长度近似为一个常数。 1 2 2 国内研究现状 许江等【23 】于1 9 8 6 年采用带有加载装置的光学显微镜对砂岩完成了不同加载 阶段的裂纹损伤分析。1 9 9 0 1 9 9 3 年，卢应发等2 4 】和张梅英等2 5 1 完成了大理岩静 态和循环荷载试件的电镜分析，凌建明等用扫描电镜进行了不同岩石材料 的实时加载观测，建立了脆性岩石细观损伤模型。1 9 9 5 年，赵永红【28 】对大理岩 单轴压缩下裂纹随外载增加时的变化过程进行了扫描电镜实时观测研究。另外， 1 9 9 8 年，张梅英等1 2 9 】利用带有最大荷载为2 0 0 0 n 的台钳式加载装置的s - 5 7 0 扫 描电镜完成了单轴压缩过程中岩石变形破坏机理的研究，吴立新等 3o 】完成了煤 岩损伤扩展规律的实时压缩电镜研究，上述研究有力地推动了岩石损伤检测技术 的发展，为岩石破坏机理的研究起到了积极的推动作用。但是，以上试验很少从 定量的角度出发，从而无法清楚了解岩石细观结构与其力学性质之间的确切关 系。 河海大学预士论文 l - 3 本文主要的研究内容 本文研究目的主要是设计一套岩石细观结构量化试验方法，并通过将其运用 于损伤理论得到的应力应变曲线与实际的三轴的应力应变曲线比较得到验证， 建立量化细观结构与岩石室内实验两者之间基本的关系。解决涉及的体视学理 论、制样、s e m 扫描、图像分析和处理、数据获取和统计分析、m o n t ec a r l o 模 拟等问题。最终，提供一个从新的尺度一细观尺度来认识和研究岩石结构特征的 试验方法。 主要研究内容如下： ( 1 ) 在微细观结构量化理论体视学的基础上，设计制样以及通过s e m 来 获取大量岩石细观结构图片。 ( 2 ) 对获取到的s e m 图片，依据体视学理论和统计学理论通过设计相关图 像处理程序，对其进行图像处理，得到分割后的二值化图像并从中提取岩石细观 结构参数( 微裂隙的长度、方位角、间距和面积) 。 ( 3 ) 进一步对获取到的细观结构信息进行统计处理，并运用m o n t ec a r l o 理 论模拟得到细观结构体并编程计算得到其r e v 。 ( 4 ) 依据几何损伤理论对r e v 进行计算，得到初始损伤张量，引入g s w o b o d a 的损伤本构模型中，得到应力一应变关系，最后和实际单轴压缩试验和 常规三轴试验得到的应力一应变关系进行比较，验证岩石细观结构量化试验方法。 1 4 研究方法 为了得到岩石细观结构量化信息，需要通过一系列过程，以下对研究的方法 进行介绍： 1 4 1 图像获取阶段 首先基于体视学理论，构筑岩石细观结构量化试验方法，通过s e m 获取岩 石细观结构图片，并开发相应图像处理程序。经过数字图像处理之后，获得二值 化的分割图像，见图1 2 全文流程图。 1 4 2 数据分析与应用阶段 对于获取到的数据进行统计分析，得到岩石细观结构参数，运用m o n t ec a r l o 理论代入细观结构参数，模拟得到细观结构e d ! v ( r e p r e s e n t a t i v ee l e m e n t a r y v o l u m e ) 并最终运用于损伤理论得到岩石的应力一应变曲线，使之与单轴压缩试验 和常规三轴试验得到的应力一应变关系进行比较，见图1 2 全文流程图。 4 第一章绪论 图1 2 全文流程图 5 第二章岩石细观结构量化原理 2 i 体视学概况 第二章岩石细观结构量化原理 体视学是建立三维结构体与其二维图像之间的几何关系的科学1 3 1 1 。体视学 是形态计量学的一个分支，基本原理萌发于十九世纪中叶i ) e l e s s e ，m a 训对矿床 剖面的研究，h a n se l i a s ! ”1 于1 9 6 1 年促成了体视学理论的完整体系，w e i b e l 3 4 1 对 现代体视学的发展作出了极大的贡献。体视学( s t e r e o l o g y ) 这个词是1 9 6 1 年开始 正式应用的。 体视学是一门关于多维几何结构以及图像处理的边缘和交叉科学分支，是不 同学科中获得三位显微组织结构几何形态信息的基本工具。主要涉及利用高维结 构的低维信息对其高维结构自身进行重建、理论建模或仿真建模以及定量表述的 理论、方法、测试技术及软硬件研究，研究对象既包括材料、物质、生物活体或 其样本的宏观、微观组织结构，亦可以包括地质构造、地形地貌等大尺度宏观三 维形态结构。狭义地讲，体视学是由其截面或投影图像和几何概率获取三维结构 定量信息的一门科学：广义地讲，则可认为体视学覆盖了与多维结构或图像的理 解、重建、可视化及定量分析有关的原理、方法、仪器制造及应用等所有内容， 在生物医学材料科学与工程等不同学科和工业、农业和军事等不同领域均有广泛 的应用价值。 体视学中的二维图像可以通过很多方法获取，基本上有两类 3 5 】： f 1 ) 微观方面：剖面图像或是透视投影图，微观图像，通过包括光学显微镜 ( 传统和共焦) 、扫描电镜( s e m ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ) 等设备得到。 f 2 ) 宏观方面：如研究宇宙天体的分布，通过天文望远镜等。 2 2 基本的体视学关系 2 2 1 细观结构体的构成 细观结构体的基本单元： ( 1 ) 有一定体积的三维结构体，如微细矿物颗粒、微裂隙和微孔洞等； ( 2 ) 二维的结构面，包括三维结构体的面以及两个三维结构体之间的胶结 面： ( 3 ) 一维的特征，包括空间中的曲线、微细矿物颗粒的边、结构面上的微裂 隙等； 河海大学硕士论文 ( 4 ) 零维的特征，即空间中的点。 图2 1 为试验获取的一张放大倍数为3 0 0 倍的大理岩微观结构图，从中可以 看n - 维的六边形矿物颗粒的边界和一维的微裂隙。 图2 1 大理岩微观结构图 2 2 2 细观结构体构成之间的相互关系【” 三维细观结构体的特征属性可以分为两类，一为拓扑属性；二为几何属性。 几何属性包括：细观结构体的体积、表面面积、线的长度和曲率等。在大多数情 况下，几何属性可以通过测量整个试样计算得到，计为单位体积下的细观结构体 体积、面积等。在体视学中分别采用v ，s ，l 和m 来代表体积、面积、长度和 曲率，而用下标表示单位体积。 例如： ( 1 ) b 表示体积分数，即单位体积试样中细观结构体( 微裂隙) 的体积所占的 比率，无量纲； ( 2 ) 跏表示单位体积内的特定平面所占的面积，单位为芦m 1 ； ( 3 ) 上，表示单位体积内的特定线的长度，单位为m ； ( 4 ) m p 表示单位体积内的特定线的曲率，单位为p m 2 ； 其他下标形式，如通过切片采集的图像上的面、线和点的关系，为单位面积 上各个参数。例如： 第二章岩“细观结枸量化原理 j | r ， i 罂霉 l l j ， ( a ) 网格线覆盖微裂隙识别图 + + + + + + + + 点 七， + + +十 + + + + + + + + + + ( b ) 由网格点覆盖裂隙识别图 图2 2 利用网格对微裂隙识别图进行覆盖 9 + + + + + + + + + + 七，+ 十 十 + + + 一 十 + r + + + + + + + 十 + + + + + 十 + + + + + + 十 + + 十 + + + + + + + + + + 十 + + + + + + + + + + 十 + + + + + + + + + 十 十 十 十 + + + 十 + + + + + + + 河海大学硕士论文 ( 1 ) a 。表示面积分数，即细观结构面( 微裂隙) 的面积投影比上切片的总面积， 无量纲； ( 2 ) “表示单位面积。 二线的长度，单位为p m ； ( 3 ) n 表示单位面积上点的数量，单位为p m 。； 相似地，如果在一维线上计量参数，则有： ( 1 ) 上l 表示长度分数，无量纲； ( 2 ) 凡或舰表示单位线长度上特征点的数量，单位为, u m ； 同样，如果布置一组网格点在图像上，则网格点落在细观结构上的点数和总 点数的比率即为点分数： ( 1 ) 邱表示点分数，无量纲。 图2 2 是通过对图2 1 利用区域生长算法进行图像分割得到的，详见第四章。 从图2 2 ，就可得到长度分数即为网格线与微裂隙相交的部分( 图2 2 a 中黑色微裂 隙中白色的网格线的长度) 比上所有网格线长度；点分数即为图2 2 b 中与微裂隙 相交的点数与所有点数之比。 基本的体视学关系包括所能测量的岩石细观结构的二维结构特征参数( 如面 积分数、点分数以及线分数) 与三维空间结构的特征之间的相互关系，见表2 1 。 在图2 2 b 中，一共有1 8 0 个网格点，而其中3 个落在微裂隙上，那么由式( 2 1 ) 中微裂隙体积分数= b 得到v v = 3 1 8 0 = 1 6 。同样通过m a t l a b 程序依据以上 理论求出微裂隙的面积、周长、方位角等信息，而在m a t l a b 图像处理中只是将 像素点作为网格点，精度更高，如图2 1 中一个像素点的距离是o 6 6 6 7 9 m 。 表2 1 岩石微细结构特征参数关系 细观结量纲 构特征 “m 0 , u m - 1 。2m n 3 点 日一 线 卤一一 面 体卣一一一 方框内的细观结构特征参数都是三维的，这些参数在岩石细观结构分析中常 常是需要求得而又无法直接测量的参数；其他在圆圈中的是二维的或一维的，它 们可以在岩石细观结构分析的图像上进行测量和计算，由此可以从二维或一维的 参数推导得到所需的三维细观结构特征参数。 图2 3 为细观结构特征参数之间的关系示意图，表2 1 中的各细观结构特征 第一二章岩石细观结构量化原理 参数之间的关系见下列公式1 3 6 儿”j ： = a = l z = 昂, u m o s v = ( 4 7 t ) l = 2 p l t m 1 l r = 2 p a t m 一2 只= 0 s l r s v = 2 p a p l a r m 一3 体 面 线 点 冈 i 一 a a = 厂 l “l li r 4 兀) l a = 厂 i _ j 2 p a 厂 剧 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 1 h y = a 图2 3 细观结构特征参数之间的关系【3 8 】 2 2 _ 3 微裂隙二维参数计算公式3 8 】 ( i ) 单位面积微裂隙长度( l a c ) 单位面积裂隙长度常被称为“裂隙的密度”。表达式如下： l a c2 蕊l i c ( 2 5 ) 式中：l i c 为每一微裂隙的长度；a r e a 为切片的面积。 ( 2 ) 单位面积微裂隙的周长( n 0 单位面积微裂隙的周长是从分割后的图像中测量各微裂隙的周长，其表征了 戡斥 乙辛彳” 够h够却勃b彭 w 海人学硕士论文 裂隙的分支程度。有些情况f ， 再条相同长度的微裂隙具有不同周长，i 因此仅微 裂隙跃度是不足以完全描述微裂隙的特征。微裂隙的周长的计算公式如下： 只。= l ( 2 6 ) a i * e g l 式中：咏为每一条微裂隙的周长；a r e a 为整个切片的面积。 ( 3 ) 面积分数似一f ) 微裂隙的面积为图像中微裂隙所包含的像素和。微裂隙的面积分数为评估岩 石损伤程度的一个重要指标。表达式如下： a 。= 石a k ： ( 2 7 ) ( 4 ) 微裂隙的平面宽度( w c p ) 微裂隙宽度是表征岩石属性和力学性质的一个重要参数，足由于微裂隙宽度 与岩石的渗透性以及热传导性都有关系。表达式为： 忙罴 ( 2 8 ) 式中： 彬。为每一条微裂隙的宽度；a r e a 为整个切片的面积。 ( 5 ) 微裂隙的平面间距( 2 c p ) 微裂隙的平面间距同样是表征岩石属性和力学性质的一个重要参数。微裂隙 的平面间距表征了岩石的损伤程度和渗透性。计算公式为： 如v2 寿 q 9 ) 式中：l 为切片上沿某一方向剖线的长度；m 。为长工的剖线通过的微裂隙的数 量。 得到切片上所有的微裂隙数，则长上的剖线通过的微裂隙数量可由下式得 到： n = 0 n 【i c ：q 1 0 ) 式中：j v 。为切片上所有的微裂隙数。 耻警 仁 式中： 也。为切片上微裂隙的平均面积： 将式( 2 1 0 ) ，( 2 1 1 ) 代入( 2 9 ) ，得到下式： 2 赢 犯1 2 、厶。“ 式中；为长度l 微裂隙平面问距。 第二章岩石细观结构量化原理 为了规范化( 单位长度间距) ，长度( ) 可以替换为单位面积长度，微裂隙面积 可以替换为面积分数。则微裂隙平面间距可以表示为： 五w f 2 1 3 ) 对角线方向微裂隙平面间距可以通过下式得到： 。矿厄了面 ( 2 1 4 ) 式中：h 为在x 方向上平面间距；为在y 方向上平面间距。 由式( 2 1 3 ) 年l 1 ( 2 1 4 ) 得到对角线方向间距的表达式： k 。= 压压 ( 2 1 5 ) 式中：，。，为对角线方向间距； ( 6 ) 微裂隙的方位角( o c p ) 微裂隙的方向性可以用方位角来表征。微裂隙的方位角与加载方向是相关 的。每个微裂隙的方位角都可以通过测量其与水平x 轴央角或是与y 轴夹角得 到，见图2 4 微裂隙的方位角示意图。 y 图2 4 微裂隙的方位角示意图 2 2 4 微裂隙三维参数计算公式3 8 】 ( 1 ) 比表面积 曲 比表面积是单位体积内的微裂隙面积。计算公式见下式： d s v c = ( 2 l a a + l c 2 ) ( 2 1 6 ) j 刀 式中：l 。为第一切片( 水平) 单位面积的微裂隙长度，垂直于加载方向；l 。：为 第二切片上单位面积的微裂隙长度，垂直于第一切片。 如果微裂隙的方位角是随机分布的，则式( 2 1 6 ) 变为式( 2 1 7 ) ，一个二维切片 上的量测即可得出微裂隙比表面积： d s 名= 二l c ( 2 1 7 ) 匿 河海大学硕士论文 式中：上。，为单位量测面积的微裂隙长度。 ( 2 ) 体分数( v v c ) 体积分数显示在单位体积试样中微裂隙所占体积的比率，体积分数是一个重 要的指标，随着荷载的增加试样的逐渐破坏，一般体分数是增加的，可以由式( 2 7 ) 来计算： ：盘乓鱼 ( 2 1 8 ) 式中：a 。为第一切片面积分数( 垂直于加载方向) ；a 。：为第二切片面积分数( 垂 直于第一切片) 。 ( 3 ) 微裂隙的空间间距研c s ) 微裂隙的空间间距表征了微裂隙的密集程度，对于整个结构体的导热性以及 热膨胀有很大影响。表达式如下： 如：掣 ( 2 1 9 ) o v c 式中：为裂隙体积分数；为裂隙比表面积。 ( 4 ) 微裂隙的空问宽度( 蹄z 0 微裂隙在平面上为各种宽度不一的线段。微裂隙平面宽度可由两个垂直平面 上的微裂隙投影长度得到，由渗流理论立方定律知，微裂隙的空间宽度与岩石的 渗透性直接相关，但本文不考虑渗透问题，所以对这一参数，不做详细分析。图 2 5 为两个垂直平面上的投影宽度与实际微裂隙宽度关系示意图，计算公式如下： s i n f ：璺 ( 2 2 0 ) 。 、 c o s 彳2 镪 ( 2 2 1 ) 式中：f 为微裂隙在第一切片( 垂直于加载方向) 与水平轴之间的夹角；辟，c p 为微 裂隙在第一切片上的投影长度；件0 ：为微裂隙在第二切片上的投影长度( 垂直于 第一切片1 。 由于有： s i n 2 ( + c o s 2 f = l ( 2 2 2 ) 由式( 2 2 0 ) 、( 2 2 1 ) 和( 2 2 2 ) 可以得到： ( 罢) 2 + ( 蕞卜1 ( 2 _ 2 3 ) 最后得到三维微裂隙宽度公式为： 4 第二章岩石细舰结构量化原理 哌， 志t w 上2 c e 2 入 w j 少札卜f ，。 w 蚰一f 广弋f 图2 5 两个垂直平面上的投影微裂隙宽度与实际宽度关系示意图 r 2 2 4 ) ( 5 ) 微裂隙的空间方位角( 疗曲 微裂隙的空间方位角是一重要的量化指标，表征了微裂隙的方向性。微裂隙 的空间方位角影响试样的各向异性，也影响试样渗透性。本文考虑微裂隙为具有 一定方向的平面，下式用来计算空间方位角： 肆。：(pl)tsi - ( p l ) t s l l f 2 2 5 ) “ ( p l ) t s 上+ ( p l ) t s l l 、 式中：( 尸三协或( p l ) t s l i 为图像上叠加的一组等距具有一定倾向的测线，与微裂 隙图像的交点得到单位长度上的交点数。下标“上”和“口”表示测线平行和垂 直于微裂隙的倾向角；下标t 指该方向上所有的交点和；下标“s ”表示空间 中的交点。 第三章岩石细观结构量化试验 第三章岩石细观结构量化试验 为了获取岩石细观结构信息，在第二章理论基础上，设计以下岩石细观结构 量化试验方法，获得大量岩石细观结构s e m 图片，第四章将进一步处理得到各 种岩石细观结构参数。同时对相同岩性试样进行单轴压缩试验和常规三轴压缩试 验得到应力一应变曲线，以备和第六章得到的理论曲线进行比较。 3 , 1 细观结构的观测方法 岩石细观结构观测技术主要包括有： ( 1 ) 切片准备前的染色渗透技术，其中包括文 3 6 中采用的w o o d 金属技术； ( 2 ) 射线照相法和x 射线； ( 3 ) 透射电子显微镜( t e m ，t r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p y ) 3 5 1 ； f 4 ) 扫描v f i 镜( s e m ) i ”j ，本文采用的方法。 t e m 需要利用电子柬穿透切成薄片的样品而形成图像，t e m 的分辨率可达 o 2 0 3 r i m ，放大倍数8 0 万倍，可以用来进行形貌观测同时也可以进行结构分析 等，具独特性能：只是t e m 的制样须很薄，制备起来相当麻烦，由于岩石的特 性，故无法运用t e m 做相应的细观量化试验。 s e m 可直接观测大块试样，样品制各非常方便。加之扫描电镜的景深大、 放大倍数且连续调节范围大，分别率可达数纳米，尤其适用观察比较粗糙的表面 如材料断口的三维形态。 近年来，随着计算机技术和数字图像处理的发展使得通过分析岩石切片细观 图像得到岩石细观结构参数量化信息成为可能”，1 7 , 3 。这些方法主要是基于分析 微裂隙长度、方位角、颗粒尺寸大小以及颗粒形状等细观结构参数，从而分析其 与宏观岩石力学行为之间的关系。同时数字图像处理技术的发展使得从切片微观 图像上获取数据收集更方便、更准确、统计上更有代表性，数字图像处理部分具 体将在第四章中讨论。 依据第二章理论，本文中的岩石细观结构观测研究主要是对岩样中三个相互 垂直的切片进行s e m 观测，目的是获取完好锦屏大理岩的初始微裂隙的长度、 方位角和问距等微结构参数信息，在此基础上得到锦屏大理岩的初始损伤张量。 岩石的细观结构与岩石的初始损伤张量之间的关系是基于研究岩石试样体 内三个相互垂直的切片之间关系得至l j ( x y ，y z 和x z 平面) ，见图3 1 岩石细观 结构体示意图，详细内容见第六章。 河海大学硕士论文 3 2 岩石取样 图3 1 岩石细观结构体示意图 岩石试样采自四川锦屏二级水电站工程现场的大理岩，锦屏二级水电站位于 四川凉山雅砻江干流之上，装机容量4 4 0 0 m w ，电站由首部低闸、引水隧洞、地 下厂房三部分组成。电站利用雅砻江1 5 0 k i n 大河弯的巨大天然落差裁弯取直， 开挖隧洞引水发电。隧洞洞长1 6 1 9 k m ，洞径1 l m ，一般埋深1 5 0 0 2 0 0 0 m ，最 大埋深2 5 0 0 m ，属洞线长、洞径大、埋深极大的大型引水隧洞，成为锦屏电站的 关键部分。 试验所用的岩石为大理岩，白色、块状、粒状变晶结构，均匀性好。为了保 证试样性质的均一性，严格密集采样，岩样严格按照国际岩石力学学会( t s r m ) 试验规程来加工，加工成两组尺寸约5 0 m i n x l o o m m 的圆柱体标准试件。其中 两组进行单轴压缩试验和常规三轴压缩试验，另为一组按照以下介绍的方法进一 步加工成三个切片进行岩石细观结构量化试验。 3 3 试验切片制备 3 3 1 试验切片的尺寸 切片的尺寸大小实际是由岩石细观结构的表征单元体积( r e p r e s e n t a t i v e e l e m e n t a r yv o l u m e ，r e v ) 决定的，所谓表征单元体积r e v 是指，当岩石尺寸小 于矿，体积岩石细观结构参数随岩体体积变化而变化，当岩石尺寸大于某一值 矿时，岩石细观结构参数( 如微裂隙密度，见第二章式( 2 5 ) ) 不再随体积变化而变 化，此时矿即为表征单元体积r e v 4 0 1 ，图3 3 为细观结构表征单元体积r e v 示 意图。从图3 3 可以看出，由于岩石细观结构参数主要取决于岩石的细观结构特 第三章岩石细观结构量化试验 征和切片的尺寸大小，所以决定了切片的尺寸大小的要尽量的大，使其体积大于 r e v ，则岩石细观结构参数不再具有尺寸效应。 扫描电镜采用中国矿业大学的h i t a c h is - 3 0 0 0 h 型扫描电镜，见图3 2 ，详细 规格见表3 1 ，从表3 1 中得知平台样品的最大尺寸伍黔脚为3 0 3 0 1 0 m m ，由 于获取细观结构图像的扫描电镜样品大小的限制，所以为了获得足够的统计信 息，下面进行制作切片时，尺寸选取最大选取3 0 3 0 1 0 m m 。 3 _ 3 2 扫描电镜( s e m ) 图3 2h i t a c h is - 3 0 0 0 h 型扫描电镜全貌图 s e m 是目前研究岩土细观结构最重要的工具之一。s e m 的工作原理是利用 二次电子成像，其图像是按一定时间、一定空间顺序逐点形成并在镜体外显像管 上显示。 图3 4 是s e m 工作原理示意图。由三极电子枪发射出来的电子束，在加速 电压作用下，经过2 - 3 个电子透镜聚焦后，在样品表面按顺序进行扫描，激发样 品产生各种物理信号，如二次电子、背散射电子、吸收电子、x 射线、俄歇电子 等。这些物理信号的强度随样品表面特征而变，它们分别被相应的收集器接收， 经放大器按顺序、成比例地放大后，送到显像管的栅极上，用来同步地调制显像 管的电子束强度，即显像管荧光屏上的亮度。由于供给电子光学系统使电子束偏 向的扫描线圈的电源也就是供给阴极射线显像管的扫描线圈的电源，此电源发出 的锯齿波信号同时控制两束电子束作同步扫描。因此，样品上电子束的位置与显 河海大学 i | i i 士论文 示管荧光屏上电子束的位置是一一对应的。这样，在长余辉荧光屏上就形成一幅 与样品表面特征相对应的画面一某种信息图，如二次电子像、背射电子像等。画 面上亮度的疏密程度表示该信息的强弱分布。 瓤 抵 蜒 蛞 鼷 器 微结构体积 图3 3 细观结构表征单元体积r e v l “1图3 4 扫描电镜原理图 表3 1h i t a c h is - 3 0 0 0 h 规格 阴 极 射 线 管 二次电子分辨率3 0 n m ( 2 5 k v , , 商真空模式) v p 可变压力模式分辨率4 0 n m ( 2 5 k v , 可变压力模式) 放大倍数范围 5 3 0 0 ，0 0 0 ( 6 5 阶) 加速电压 0 3 3 0 k v 可变压力范同 1 也7 0 p a 最大样品尺寸1 5 0 m m 直径 图像移动范围士2 0 r n ( a tw d = 1 5m m ) 样品台 x ：1 5 m m y ：1 5 m m z ：1 5 3 5 r n m 电子枪u 型钨丝 枪偏压可加速电压关联，可变电压( 双偏压功能) 检测器s e 检测器，b s e 检测器，可变压力模式 e d x 位置 w d = 1 5 m m , 出入角= 3 5 0 操作语言 英语( 日语) 计算机操作系统p c 兼容，w i n d o w sn t s e m 操作 鼠标、键精旋钮控制盘( 选件) 扫描方式 t v ，慢速( 4 步) r 照相( 4 步) ，分开 显示器 大屏幕x g a 彩色显示器( 1 0 2 4 7 6 8 像 素1 自动调节功能自动聚焦，自动像散校正，自动亮度和 对比度调节，自动灯丝饱和度调节 数字图像储存 6 4 0 4 8 0 像素，1 2 8 0 9 6 0 像素 图像格式 b m p 图像数据条显示加速电压，放大倍数，微米标尺，w o o - 作距离1 ，照片放大倍数，真空度水平， 检测器，日期，文件号等 真空系统全自动，d p5 7 0 l s e e ，r p1 6 0 l m i n x1 系统保护断电、失真空和缺水保护 2 0 第三章岩石细观结构量化试验 。圆妥画善 图3 5 试验切片的制作流程图 3 3 3 试验切片的制作流程 试验切片的制作流程见图3 5 ，具体试样加工步骤如下： ( 1 ) 首先从加工好的大理岩试样中选取一块，另外两块将用来做单轴压缩试 验和常规三轴压缩试验； ( 2 ) 从试样顶部切割一高大约为l o m m 左右的圆柱，见图3 5 步骤a ，切割采 用的电锯见图3 6 ； ( 3 ) 在得到小部分圆柱上，切出一个大致尺寸大小3 0 x 3 0 l o m m 的切片，其 为第一切片( 垂直于加载方向) ，