本文摘要：摘要：岩石破裂是裂纹萌生、扩展演化直至贯通的过程，为了研究受载岩石发生变形破坏其内部裂纹动态扩展演化过程，利用工业CT对岩石破裂过程进行阶段性观测扫描，通过CT图像堆栈矢量化处理构建岩石三维裂隙模型，并对裂纹结构特征参数进行统计分析，定量化表
摘要：岩石破裂是裂纹萌生、扩展演化直至贯通的过程，为了研究受载岩石发生变形破坏其内部裂纹动态扩展演化过程，利用工业CT对岩石破裂过程进行阶段性观测扫描，通过CT图像堆栈矢量化处理构建岩石三维裂隙模型，并对裂纹结构特征参数进行统计分析，定量化表征岩石破裂过程中裂纹扩展情况。在此基础上，提取裂纹扩展路径上的局部破坏形态特征，结合岩矿鉴定实验进行细观尺度分析研究。研究结果表明：利用裂隙体积、表面积及分形维数等参数可以将三维裂隙扩展过程量化，且参量呈现“基本不变→小幅增大→大幅激增”的变化规律;CT切片图像中裂纹面积可以表征岩石局部裂纹扩展特征，且与同阶段三维裂隙的扩展演化特征相对应;岩石细观结构对裂隙扩展影响较大，裂隙扩展遇到砾石将形成绕砾扩展、穿砾扩展及分叉扩展三种方式。研究成果将为岩石失稳破坏、工程岩体致灾预警工作提供研究基础。
关键词：CT扫描;裂纹演化;三维重构;量化表征;扩展特征
引言
岩石作为一种非均质的天然地质材料，其内部主要由岩石基质、孔隙类原始缺陷以及其它矿物质共同组成，这些组成部分在岩石中的随机分布决定了岩石内部结构特征，岩石内部的复杂结构将影响着岩石物理力学特性以及裂隙扩展演化。分析岩石在荷载作用下内部裂隙萌生、发育扩展至贯通的动态演化过程，量化表征裂隙扩展演化特征，能够更好的了解岩石破坏过程，有利于进一步揭示岩石断裂破坏机制，为岩体工程稳定性评价以及地质灾害预警工作提供研究基础。
国内外学者针对岩石破裂过程中裂纹扩展演化规律以及分布形态特征进行了大量的研究工作，YU等[2]采用声发射和摄影监测技术对不同含水率含预制裂隙粉砂岩裂隙扩展规律进行分析，研究裂隙角及含水率对其力学性质及裂纹扩展的影响;WANG等[3]利用数码相机记录双轴压缩下含裂隙类岩石材料的裂纹扩展过程，将岩桥贯通模式分为三类并分析预制裂隙角、岩桥角及侧向应力对裂纹扩展的影响;WANG等[4]研究含不同层理倾角人工层状岩石的单轴压缩压裂响应特征，确定种独立裂纹类型，分析层理倾角对裂纹扩展的影响;吕艳伟等[5]采用数字图像处理技术对复合应力状态下岩石的裂纹扩展特征和机制进行研究;张国凯等[6]利用声发射以及高速摄像技术综合分析裂纹扩展特征，并探究裂纹扩展对岩石强度以及破坏特征的影响。
上述研究主要针对含预制裂隙岩石试件中裂纹形成并扩展为宏观裂纹的过程进行分析，其中预制裂隙以及层理的存在对裂纹扩展演化起着决定性的作用，人为影响因素干扰较大，而且研究多集中于岩石试件观测面进行二维角度分析。通过摄影监测技术能够得到岩石表面二维裂纹扩展形态，而岩石变形破坏作为三维岩石力学问题，需要对岩石内部裂纹扩展演化特征进行研究。
CT扫描成像系统作为一种无损检测手段，运用其扫描成像原理及三维重构的可视化功能，能够快速、无损获取岩石内部结构分布特征，近些年工业CT常用于岩石内部结构特征对岩石宏观力学特性和破坏特征影响方面的研究。JU等[10]提出了一种结合CT扫描与伺服控制三轴加载技术的新方法，实现了对不同加载阶段和围压下煤的裂隙网络空间形貌与分布特征的原位观测与定量表征。WANG等[11]对龙马溪页岩在压缩状态下进行了原位CT扫描实验，实验结果显示页岩样品经历了压缩、损坏、开裂、裂纹扩展和破坏阶段，并且裂隙的形成与扩展受层状结构和层状弱胶结介质的影响。
DUAN等[12]利用不同应力水平下CT扫描图像重建三维体视图，讨论了初始矿物分布、内部孔隙演化以及最终裂隙形态的相互关系。WANG等[13]在三轴压缩条件下基于工业CT扫描对双土体细观结构变化进行原位实时量化表征，结果表明岩土界面滑移以及大孔隙形成等行为导致的局部变形对于裂隙扩展有很大的控制作用。
YANG等14对不同孔径的空心砂岩试样在不同围压下进行了一系列射线CT观测和三维数值模拟，对比了射线CT观测和模拟得到的空心砂岩的表面和内部断裂特征，分析了围压对不同孔径空心砂岩裂缝演化机理的影响;ZHAO等15对重庆砂岩试件进行了三轴压缩试验和射线CT试验，利用局部阈值分割算法来分割射线CT图像中的裂纹、孔洞和实体物体，建立三维裂纹损伤本构模型研究岩石三维破裂行为。
ZHOU等16应用射线CT成像和数字图像相关技术，通过数字层状各向异性指数和数字损伤比对层状各向异性损伤和空间裂纹演化进行了定量分析，研究了单轴压缩条件下砂岩的空间裂纹行为;周尚志等17对CT图像的几何信息和CT数进行统计，定量化描述混凝土体损伤破裂演化;田威等18以混凝土为研究对象，运用CT实时扫描观测分析破裂过程;刘俊新等19对受载泥页岩试样进行CT扫描分析其内部裂纹扩展过程;邓远刚等20对失稳破坏后的岩石断裂面进行CT扫描并分析裂纹扩展演化规律;刘京红等21将混凝土CT扫描图像进行三维模型重构，结合分形理论定量描述裂纹扩展规律;姬程飞等22对CT扫描图像进行图像处理分析研究岩石内部孔隙结构特征。
上述学者运用工业CT扫描观测分析岩石失稳破坏过程，其中针对不同加载阶段的裂隙扩展演化特征进行多尺度的定性、定量分析相对较少。鉴于此，笔者为了定量刻画受载岩石变形破坏过程中内部裂隙动态扩展演化过程，进行单轴循环加卸载实验以及工业CT扫描试验，对各应力加载阶段扫描所得岩石切片图像进行矢量化处理构建裂隙体三维可视化模型。基于加载过程中的CT扫描阶段，从整体到局部、从宏观到细观，多尺度统计分析裂隙网络结构特征参数以及分布形态，从而量化表征岩石破裂过程中裂隙动态扩展演化过程。
在此基础上，提取裂隙演化路径上的破坏形态特征并获取关键特征周边矿物信息，进一步揭示岩石断裂破坏机制。研究结论可为探究岩石失稳破坏裂隙演化规律提供科学依据，为岩土工程中动力灾害发生机理和防治技术研究提供理论基础，为科学评价岩土工程的安全稳定性提供理论支撑。
2实验设计
2.1岩样制备
本次实验所用的岩石试件为粗粒红砂岩，试件呈颗粒状碎屑结构，主要由碎屑颗粒和填隙物组成，其中碎屑颗粒主要为石英、长石及岩屑，颗粒大小在0.5～30mm不等，填隙物主要为泥质、碳酸盐矿物及细粉砂，碎屑颗粒和填隙物之间为孔隙式胶结。利用室内专业切割机将岩石加工成尺寸为100mm×100mm×100mm的正方体试件，并采用磨石机将岩石试件的端面以及边缘处进行打磨处理，然后将岩石试件进行标号(CGRSCT，CoarseGrainRedSandstoneCT，粗颗粒红砂岩CT)并放置在实验室环境中以备预实验以及后续实验使用。
2.2实验设备
本次实验的实验设备包括单轴压缩加载系统和工业CT扫描成像系统，单轴压缩加载系统采用TAW3000型电液压伺服岩石加载压力机，轴向压力最大可达到000kN，加载精度误差不超过1%。CT扫描成像系统采用通用电气公司GE旗下的德国Phoenix微焦点射线工业CT，该系统的细节分辨率可达到1μm，能够清晰、直观地展示岩石内部的结构、组成和缺陷状况，结合专业CT图像软件VGStudioMax以及Avizo软件可以进行快速数据采集、三维模型重建以及数据处理分析。
2.实验方案
中科院地质所李晓等23研发的高能加速器CT可旋转式岩石力学刚性伺服试验机，首次实现了大尺度试样、模拟深部地层温压环境、可透视岩石损伤破裂全过程的试验目标，但目前采用工业CT对破裂过程进行实时扫描的研究多以小尺寸岩石试样为主2425，针对较大尺寸岩石试样进行的研究较少。并且在进行地下开采、巷道掘进以及硐室开挖等实际岩土工程的施工活动中，岩体往往处于反复加卸载的受力环境中26。为了研究裂纹阶段性扩展演化特征规律，深入了解岩石破裂过程，决定采用单轴循环加卸载的加载方式，并结合工业CT扫描进行实验。
3裂隙扩展演化特征规律分析
3.1二维裂纹扩展定性描述
为了研究岩石破裂在各加载阶段中裂纹动态扩展演化过程，对CT扫描切片图像进行灰度均衡化处理以方便观察，并且对裂纹扩展行为进行阶段定性描述。阶段Ⅰ：初始状态的岩石试样左侧存在一条原生裂纹A1，增加荷载，裂纹A1微张，右上方砾石边界处出现新生裂纹B1;阶段Ⅱ：原生裂纹A1生长发育，左上方萌生新裂纹A2，B1沿砾石边界继续扩展形成次生裂纹，裂纹B2自右下方萌生并沿轴向与B1次生裂纹相遇形成剪切合并，随后继续扩展;阶段Ⅲ：裂纹A1、A2继续扩展演化，左上方出现新生裂纹A3，裂纹B1扩张并在合并点位置衍生新裂纹向下扩展，裂纹B2沿轴向向上延伸并演化出大量衍生裂纹，在B2左侧的砾石边界处出现新生裂纹B3、B4;阶段Ⅳ：此时处于峰后残余应力阶段，受载岩石发生变形破坏，内部的宏观裂纹相互汇集，并最终贯通形成复杂的裂纹网络。
3.2裂纹局部扩展特征分析
观察岩石破裂后内部裂隙结构主要由原生裂隙面区域、砾石周边新生裂隙区域以及二者贯通区域三部分共同组成，为了进一步研究岩石裂纹扩展演化过程，本部分将在上节岩石裂隙发育整体性定量表征的基础上，对岩石内局部裂纹扩展过程进行量化分析。构建与岩石试样等比例(100mm×100mm×100mm)的三维坐标系，将CT图像堆栈放置于坐标系内，选取YZ、XZ、XY方向内10mm、50mm、90mm处的CT切片进行分析，提取各应力阶段下CT图像中的裂纹并将其面积作为裂纹特征参数进行统计研究，量化表征岩石破裂过程中的局部裂纹扩展演化特征。
岩石论文投稿刊物：《岩石矿物学杂志》创刊于1982年。自创刊以来始终遵循“百花齐放，百家争鸣”的办刊方针，坚持普及与提高并举的办刊宗旨，开展学术交流和讨论，以广大地学科研、教学人员为主要读者对象，为加速现代化建设服务。
4结论
(1)将岩石内部裂隙三维可视化处理，利用裂隙体积、表面积及分形维数等特征参数将裂隙扩展过程量化，这类参量均呈现出“基本不变→小幅增大→大幅激增”的变化规律，与岩石破坏过程中的各应力阶段相对应，可表征加载过程中岩石的损伤弱化过程，其中阶段Ⅲ(非稳定破裂发展阶段)中裂隙体积增长贡献率为75.6%，裂隙结构特征参数增速较快且变化幅度较大，说明岩石破裂过程中裂隙扩展演化主要在此阶段进行;(2)以CT扫描切片图像的裂纹面积为特征参数来量化岩石局部裂纹扩展过程，实现从整体到局部多尺度全方位的分析过渡，其中原生裂隙面区域最先产生裂隙，砾石富集应力集中区域最终破坏程度最大，在时空层次与岩石三维裂隙扩展演化特征一致。(3)岩矿鉴定实验结果对裂纹扩展形态特征的形成机制进行研究，岩石细观结构对裂隙扩展影响较大，着重分析了遇到砾石后裂隙的扩展方式，总结得出裂隙扩展存在三种方式，绕砾扩展、穿砾扩展及分叉扩展，在细观尺度上对裂隙扩展演化行为有了进一步的认识。
参考文献
[1]蔡美峰.岩石力学与工程[M].北京:科学出版社,2013CAIMeifeng.Rockechanicsandngineering[M].Beijing:TheSciencePublishingCompany,2013.
[2]U,YAO,LIH,etal.Experimentalstudyoffailurecharacteristicsandfissurepropagationinhydroussiltstone[J].ArabianJournalofGeosciences,2020,13(8)153157
[3]WANGM,WANW,ZHAOYL,etal.Experimentalstudyoncrackpropagationandthecoalescenceofroclikematerialswithtwopreexistingfissuresunderbiaxialcompression[J]BulletinofEngineeringGeologyandtheEnvironment,2020,79(6)31213144.
作者：张艳博1,，徐跃东1,2，刘祥鑫1,2，姚旭龙1,2，王帅1,2，梁鹏1,2，孙林1,2，田宝柱1,2
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