徐菊萍 朱 洁 于秋仙 卢倩倩 刘汪洋 倪骁慧

(嘉兴学院建筑工程学院，浙江 嘉兴 314001)

·岩土工程·地基基础·

岩石细观尺度微损伤识别方法及运用★

徐菊萍 朱 洁 于秋仙 卢倩倩 刘汪洋 倪骁慧

(嘉兴学院建筑工程学院，浙江 嘉兴 314001)

基于体视学中二三维几何特征相关理论，建立起三维几何信息获取参数，在此基础上以大理岩细观尺度微裂纹为研究对象，得到了微裂纹间距服从变参数的广义极限分布这一特征，并得到损伤发展在某应力区间较为迅速的结论。

岩土力学，细观尺度，微裂纹，大理岩

0 引言

岩石是长久的地质运动中的产物，是由多种矿物晶粒和胶结物组成的混杂体，形成了不同数量、尺度上的微裂纹、微孔洞，致使岩石材料在化学成分、物理性质上均具有较为复杂的特性[1-4]。近年来，在数字图像技术发展的基础上，建立针对岩石细观尺度微损伤识别方法并以计算机程序实现，从而能够准确的获得岩石细观结构基本几何数据，为进一步进行岩石细观尺度微损伤的定量研究奠定基础。

1 岩石细观尺度微损伤几何参数获取原理

1.1 岩石细观结构的构成

某大理岩受荷破坏试样的细观尺度微损伤图见图1。

岩石细观尺度微结构包括：1)三维结构体，如细观尺度中的矿物颗粒、微裂纹等；2)二维结构面，包括细观尺度中的矿物颗粒的面、微裂纹的面以及胶结面；3)一维线，包括细观尺度中矿物颗粒的沿晶、穿晶微裂纹，矿物颗粒与胶结面之间的各类微裂纹等；4)零维点，包括在细观尺度下的细小微裂纹、孔洞等。

1.2 基于体视学微裂纹三维参数获取原理

根据体视学中二维几何特征与三维几何特征的关系，得到岩石细观尺度微裂纹的三维参数计算公式。

1)单位体积内的微裂纹面积计算公式：

(1)

其中,LAC1为水平方向试样观察面在单位面积内的微裂纹长度；LAC2为竖直方向试样观察面在单位面积内的微裂纹长度。假定细观尺度微裂纹的方位角是随机分布的，则式(1)变为式(2)：

(2)

其中，LAC为单位量测面积的微裂纹长度。

2)微裂纹的空间宽度计算公式：宽度是对大理岩细观尺度微结构空间描述的重要参数之一。图2为两个垂直平面上的投影宽度与实际微裂纹宽度关系示意图，计算公式如下：

(3)

(4)

其中，ζ为微裂纹在第一切片与水平轴之间的夹角；WCP1为微裂纹在第一切片上的投影长度；WCP2为微裂纹在第二切片上的投影长度。由于有：

sin2ζ+cos2ζ=1

(5)

由式(3)～式(5)可以得到：

(6)

最后得到三维微裂纹宽度公式：

(7)

2 基于体视学微裂纹间距信息的获取及结果分析

在Matlab软件中进行相关编程实现以上算法，并对单轴压缩大理岩试样的细观微裂纹的SEM图片进行分析，以求获取不同尺度下微裂纹几何信息，本文仅对微裂纹间距进行统计分析。经过对微裂纹几何间距数据的统计分析，微裂隙间距分布特征基本服从广义极限分布(GEV)，其密度函数如下：

(8)

其中，x为对应于微裂纹的间距S；μ为位置参数；v为比例参数；k为形状参数。图中GEV的统计参数：μ=51.147；v=50.999；k=0.147。

微裂隙间距直方图见图3，间距的分布参数回归分析见图4。

由图4可见，试样微裂纹间距的统计参数在40 MPa～45 MPa区间内有突变，这也表明裂纹间距在这个应力区间内发生较大的变化，反映出损伤在此阶段中较大的发展。

3 结语

1)依据体视学中几何特征，经过推导得到微裂纹的三维几何特征参数计算公式，进一步利用软件编程实现该方法在岩石细观微裂纹电镜识别方面的应用。2)应用所编程序对某大理岩试样进行微裂纹分析，在某应力区间损伤发展较为迅速的结论。

[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] 许 江.对单轴应力状态下砂岩微观断裂发展全过程的试验研究[J].力学与实践,1986,8(4):24-28.

[3] 卢应发,张梅英,葛修润.大理岩静态和循环荷载试件的电镜分析[J].岩土力学,1990,11(4):75-80.

[4] 赵永红.受单轴压缩大理岩填充割缝周围的微裂纹生长[J].岩石力学与工程学报,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★:嘉兴学院大学生研究训练(SRT)计划项目“岩质边坡稳定性的宏细观损伤特征研究—数据处理分析”(编号：12)；浙江省自然科学基金青年基金项目(项目编号：LQ12E08004)

徐菊萍(1994- )，女，在读本科生

1009-6825(2015)31-0043-02

P584

A