Page 81 - 无损检测2021年第五期

孙富强:
基于 CT 技术的层状复合岩体损伤演化规律分析

时段采样测试, 通过分析岩体状态得出岩体的损伤 粒碰撞的各项参数为
变化规律。以上提到的 3 种方法在实际应 用过程 R = x i -x i
B
A
中, 得到的演化规律不具有普遍性特点, 不适用于形 x i -x i A
B
n i =
状不一、 形成原因不一致的岩体损伤规律分析。 R ( 1 )

针对当前这一研究现状, 笔者基于 CT ( 电子计 U = r 1 + r 2 -R
算机断层扫描) 技术的功能特点, 提出了一种层状复 C A
(
x i = x i + r 1 -0.5U ) n i
合岩体损伤演化规律的分析方法。当前 CT 技术在 为颗粒
式中: R 为颗粒 A 、 B 碰撞时的中心距离; r 1
国内外各领域都有着广泛应用, 徐健等 [ 4 ] 提出基于 为颗粒 B 的半径; C 为两个颗粒相切
A 的半径; r 2
CT 技术的头颅中心层面水当量直径估算方法, 通 A B 分别为碰撞点为 i 时, 颗粒 A 和
,
时的切点; x i x i
过标定所有层面的转换系数校准各层面电流, 计算
颗粒 B 的中心在法向量的模n i 上的坐标位置; U 为
层面水当量直径。 SHI等 [ 5 ] 提出基于显微 CT 技术
C 为重叠区域的中心位置 [ 6 ]
颗粒间的重叠量; x i 。
的煤中微米级裂隙的检测分析法, 利用 CT 技术和
将图 1 中的 L 向逆时针旋转, 设置旋转角度为
分形理论分析了微裂缝的物理特征, 确定了煤级对微
α , 将颗粒 A 和颗粒 B 的接触力矢量 F 分解为法向
裂缝物理性质的影响, 并探讨了分形特征与渗透率之
n s :
分量F 1 和切向分量 F 2
间的关系。由此可见, CT 技术法的应用范围广泛且
F 1 = λU
n
n
效果较好, 将其应用于复合岩体损伤演化规律的分析 ( 2 )
s
s
中, 不仅升级了传统方法中的扫描硬件, 同时通过更 F 2 = vα
n
s
加详细的数据收集和特征提取得出其中隐含的损伤 式中: λ 为接触处的法向刚度; v 为切向接触速度。
综合式( 1 ),( 2 ) 得出分析模型的计算式为
演化规律。该方法的提出为甘肃地区的岩体分析提
K
供了科学的技术手段, 也可为其他地区不同体貌特征
E = ε ∑ F i n i U ( 3 )
的层状复合岩体的损伤规律分析提供分析思路。 i = 1
式中: E 为岩体损伤强度; ε 为分析条件; K 为颗粒
1 岩体损伤演化规律分析 总数量; F i 为 碰 撞 点 为i 时 颗 粒 间 的 相 互 作 用 力
大小。
1.1 岩体损伤分析模型
利用该损伤演化规律分析模型对层状复合岩体
层状复合岩体具有分层化的结构特征, 在自然
展开分析, 当分析值与常规状态下的分析值不相近
因素作用下出现的损伤具有位置不确定的特征, 因
时, 则说明当前的岩体损伤出现变化, 需要利用扫描
此需要建立一个分析模型, 对不同损伤程度的岩体
仪进行总体结构扫描 [ 7 ] 。
进行损伤演化规律分析。分层复合岩体发生变形破
1.2 岩体损伤特征提取
损时, 岩层的颗粒与颗粒间会发生硬碰撞( 见图 1 )。
CT 技术通过 X 射线管环绕物体某一层面进行
扫描, 测得该层面中各点吸收 X 射线的数据, 然后
利用计算机的高速运算能力及图像重建原理, 得到
各层面的图像。 CT 平均数扫描法是现阶段经常使
用的岩体损伤识别方法。 CT 平均数是指多次扫描
得出的岩体密度平均值, 该方法通过 CT 数据反映
岩体密度, 岩体密度越大, CT 平均数越大, 因此岩
体内部所含的水、 空气成为影响 CT 平均数的关键
图 1 岩体颗粒间的硬碰撞示意 因素 [ 8 ] 。根据这一规律, 不考虑 CT 技术自身的变
图 1 中虚线圆形代表碰撞后与颗粒 A 部分重 化规律, 设置扫描范围的边界条件为

E [ ( u-u a ) + v-v a )] B a
=
(
叠的颗粒 B , 阴影部分为碰撞重叠区域 S , C 1 与 C 2 2 2
p
表示颗粒 A 、 B 的碰撞交点。该碰撞所形成的接触

2
2
=
p
E [ ( u-u b ) ( )] B b ( 4 )
面极小, 默认为点接触碰撞; 颗粒的碰撞重叠区大小 + v-v b
2
与风等自然因素作用力的大小相关。这些自然因素 E [ ( u-u c ) + v-v c )] B c
2
=
p
(
对岩体的作用力也是岩体损伤的原因之一。岩体颗 式中: u 为边界横坐标; u a u b u c 为在位置a , b , c
, ,
9
3

2021 年 第 43 卷 第 5 期
无损检测