基于邊緣檢測的含缺陷巖石裂紋擴展分析

梁放，宋學，肖穎，張雪娟，郭偉，盧志堂

（合肥工業大學資源與環境工程學院，安徽 合肥 230009）

0 前言

巖石作為一種天然的非均質材料，其內部含有許多孔洞、裂隙等缺陷。巖石材料內部缺陷類型、幾何分布等對其力學特性有重要影響[1-3]。近年來，研究人員對含缺陷巖石的強度、變形特性及其破裂演化規律等進行了大量的研究，取得了可喜的成果。伍天華等[4]采用數字圖像相關（DIC）技術，并結合PFC2D構建了含孔-隙的類巖石試樣，研究了巖石孔-隙相互作用機制。趙程等[5]分析了單軸壓縮下含裂隙巖石裂紋擴展及其損傷演化特性。牛亮等[6]對含天然微裂隙巖石進行了單軸壓縮、劈裂試驗，利用SEM研究了含微裂隙巖石的劈裂力學特性和微觀結構。袁媛等[7]對含充填裂隙大理石進行研究，分析了裂紋起裂、擴展及貫通的特征。徐麗海等[8]利用DIC技術對類巖石材料進行單軸壓縮，研究了裂紋擴展及巖體細觀損傷演化過程。

由上可知，已有研究多關注單一裂隙或孔洞對巖石力學性能影響。然而，巖石中存在多種類型缺陷，缺陷相互作用及對巖石力學性質的影響規律有待研究。為此，文章對含缺陷（裂隙和孔洞）的類巖石材料（石膏）進行單軸壓縮試驗，并利用邊緣檢測追蹤裂紋擴展路徑，探究孔洞和裂隙相互作用及對其力學性質的影響規律。

1 試驗介紹

1.1 試樣制備

采用速凝石膏制成試樣，其中石膏粉與水質量比為1∶0.35，該石膏的物理力學參數見表1所列。試樣尺寸為100 mm×40 mm×10 mm（長×寬×高）。所用模具和及含缺陷試樣見圖1所示。在模具預定位置嵌入鐵片和圓柱筒，待石膏初凝后拔出，就可以形成貫穿試樣的預制裂隙和圓孔。其中鐵片長度為14 mm、厚度為0.1 mm；圓筒直徑為12 mm。裂紋傾角θ分別為 15°、45°、75°。

石膏物理力學參數

1.2 主要步驟

①架設高清攝像機，對壓縮作用下試樣的變形破裂全過程進行圖像實時采集；

②開啟壓力機進行單軸壓縮試驗，控制加載速率為10 N/s，直至試樣破壞；

③利用Free Video to JPG Converter軟件將視頻文件進行處理，提取有代表性的圖片，分析裂紋擴展特征。

2 試驗結果與分析

2.1 含孔洞試樣

圖2給出了含單一孔洞試樣的破裂形態及素描圖。可以看出，試樣經單軸壓縮后，其孔洞中心上下部位附近各自擴展出兩條拉伸裂紋。整體上來看，兩條拉伸裂紋均近似沿著加載方向擴展到試樣上下端部。

2.2 含孔洞和裂隙試樣

為便于追蹤裂紋擴展路徑，將制備的試樣涂黑，而加載后形成的裂紋區域為白色，這樣可以保證裂紋清晰可辨，見圖3a所示（以θ=75°為例）。將該照片經過羅伯茨交叉邊緣檢測處理，可以準確識別裂紋位置，見圖3b所示。從圖中可以看出，邊緣檢測處理后的圖片，其裂紋分布與照片相吻合，這表明文章采用的處理方法能夠準確追蹤裂紋擴展路徑。下面將根據邊緣檢測結果，分析傾角對裂紋擴展的影響。

圖2 試樣破壞形態和素描圖

圖4展示了含不同角度預置裂隙試樣裂紋擴展過程。θ=15°時（圖4a），裂紋先出現于試樣裂隙下端，隨加載進行，原有裂紋繼續擴展，向下傳播至試樣底端，孔洞上下端并未明顯開裂，僅在左上方有局部開裂。θ=45°時（圖4b），裂紋先出現于試樣孔洞左側，為剝落裂紋，然后孔洞左上方產生局部開裂，孔洞下端產生狹長裂紋，并向試樣底部擴展。θ=75°時（圖4c），孔洞邊緣下側出現裂紋，隨加載進行，原有裂紋沿加載方向朝試樣下端部擴展，同時裂紋上端也出現擴展裂紋，并向頂端傳播。綜上所述，當預置裂隙角度較小時（θ=15°），裂隙主導內部裂紋開裂過程，孔洞對巖石破裂影響較小。當θ≥45°時，孔洞主導內部裂紋開裂過程，擴展裂紋最終沿著加載方向擴展到試樣端部。這表明試樣的起裂形態、裂紋搭接過程及其最終破壞形式等則與預置裂隙的傾角密切相關。

3 結論

單軸壓縮時，只含孔洞的試樣裂紋擴展方向與加載方向一致，裂紋由拉應力引起。而對于含裂隙與孔洞的試樣，試樣預置裂隙角度對裂紋的擴展路徑有重要影響，當傾角為15°時，內部裂紋開裂過程受裂隙主導，當θ≥45°時，擴展裂紋主要從孔洞下端出現，并傳播到試樣端部。

圖3 邊緣檢測處理前后圖對比

圖4 含不同角度預置裂隙試樣裂紋擴展過程