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用户论文 | 显微ct揭示岩石裂纹的分布规律
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       中国经济的飞速发展离不开建筑行业的支撑,岩石作为一种典型的天然非均质工程地质材料,岩石的断裂演化机制一直是岩石力学和工程领域的热点问题。这段时间新冠肺炎疫情牵动着每个人的心,我们能够飞速建设火神山和雷神山两所医院的背后,也离不开岩土工程领域科研工作者的辛苦工作,我们也期盼火神和雷神可以早日祛除疾病、驱赶瘟疫。


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       近年来,许多学者通过岩石/类岩石的实验测试以及建模标本的数值模拟,对缺陷岩石的力学性能和断裂演化行为进行了研究,并取得重大成果。与此同时,诸多专家学者对理解具有单一形态缺陷(如孔状或裂缝状缺陷)的真实岩石或类岩石材料的裂纹力学机理很感兴趣。由于在实际工程应用中,岩石是一种复杂的材料,同时包括孔状和裂缝状缺陷的现象非常普遍,并且孔状和裂缝状缺陷之间的相互作用直接影响着岩石的不稳定性和抗开裂性。

       北京科技大学土木与资源工程学院的周喻等人开展了单轴压缩下岩石材料中孔与裂隙相互作用的实验和数值研究。通过科学实验和数值单轴压缩试验研究了具有孔和裂缝的岩石试样的力学行为和破坏机理,利用显微ct技术对试样进行了高分辨率的扫描测试,获得试样内部的裂纹分布,同时通过dic方法识别试样表面的裂纹,从而进一步揭示失效试样的内部裂纹和表面裂纹之间的分布规律。


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       将显微ct的扫描结果经过软件处理得到2d切片图像和3d裂纹模型,可以清楚地观察裂纹形状、取向和大小和空间分布。结合dic对表面裂纹的测试,结果表明:试样表面裂纹的分布通常可以反映试样内部裂纹的分布信息。

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ct扫描和dic观察获得的极限破坏模式


(a–b)ct扫描的结果;(c)dic观察的结果


            关于裂纹聚结类型和最终破坏模式的研究,ct扫描结果与dic观察结果非常吻合。可以在岩桥区域中识别出三种结合模式如下:


           •t-t模式(拉伸-拉伸合并):在上部和下部岩桥区域中合并拉伸裂缝。


           •s-s模式(剪切-剪切合并):剪切裂缝在上,下岩桥区域中合并。


           •t-s模式(拉伸-剪切合并):拉伸-剪切裂缝在上下岩桥区域合并。


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不同缺陷岩样的裂纹聚结类型图


(第一列表示极限破坏模式,第二列表示水平位移场,第三列表示合并模式的草图)


t-t模式包括(a),(d)和(f);s-s模式包括(c);t-s模式包括(b)和(e)


       高分辨率显微ct扫描实现了试样内部的裂缝空间分布的三维可视化,揭示了失效岩样内部和表面之间的裂纹分布规律,是一种研究岩石/类岩石材料在各种载荷作用下破坏演化机理的极具潜力的有效方法,可将高分辨率ct成像技术应用于类似的科学研究中。

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