基于CT試驗的矽卡巖凍融細觀損傷擴展機理

邵志鑫, 宋彥琦, 李小龍, 鄭俊杰, 楊敏健

(中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院， 北京 100083)

近年來，隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，中國礦產(chǎn)資源開發(fā)逐步向西部地區(qū)挺進，高海拔寒區(qū)金屬礦產(chǎn)資源開采與利用已成為國家的戰(zhàn)略指向。高海拔寒區(qū)大型基礎(chǔ)工程建設(shè)及資源開采中經(jīng)常會遇到惡劣氣候環(huán)境因素的影響，特別是季節(jié)更替、晝夜循環(huán)導(dǎo)致的凍融破壞對巖體工程造成極大威脅[1]。由于所處的凍融環(huán)境條件，巖石的物理力學性質(zhì)將會發(fā)生改變，這種改變通常會引起重災(zāi)害事故的發(fā)生。因此，研究凍融環(huán)境條件下巖石的損傷劣化擴展特征對高海拔寒區(qū)金屬礦產(chǎn)資源開采具有重要的意義。

由凍融循環(huán)效應(yīng)所引起的巖石損傷是影響高海拔寒區(qū)礦產(chǎn)資源開采工程安全穩(wěn)定的重要因素，巖石內(nèi)部孔隙、裂隙分布以及水冰相變是寒區(qū)巖石損傷的主導(dǎo)因素[2]。巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成與物質(zhì)形態(tài)決定其在凍融環(huán)境與荷載作用下的物理力學特性，進而影響巖石的損傷劣化擴展及宏觀力學響應(yīng)。因此，要防范與控制高海拔寒區(qū)資源開采過程中災(zāi)害的發(fā)生，應(yīng)充分考慮巖石細觀結(jié)構(gòu)分布特征，從巖石細觀角度入手，揭示凍融循環(huán)條件下的巖石細觀損傷擴展機理。

由于凍融后巖石結(jié)構(gòu)組成的不均勻性、巖石變形后細觀結(jié)構(gòu)變化的復(fù)雜性以及高海拔寒區(qū)巖石對溫度的敏感性，使得在細觀尺度上研究寒區(qū)巖石的物理力學特性變得更加復(fù)雜，而巖石CT(computerized tomography)掃描技術(shù)的引入，為研究巖石細觀損傷擴展機理提供了可能，巖石CT掃描技術(shù)是目前最先進的無損檢測手段，可觀測出巖石內(nèi)部任意部位細觀結(jié)構(gòu)的變化過程，包括細觀顆粒的物質(zhì)移動、裂隙發(fā)育、局部密度變化情況[3]。利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對巖石CT圖像進行處理時，其內(nèi)部物質(zhì)結(jié)構(gòu)的空間分布將通過色度的變化在數(shù)字圖像中得到精確的反映。

許多學者都利用CT識別技術(shù)進行了巖石凍融破損機理的研究。在國外，Martin等[4]經(jīng)過對飽和溶灰?guī)r在一定應(yīng)變率下進行無側(cè)限壓縮試驗，對實驗前后的巖樣進行CT掃描，說明了巖樣天然細觀結(jié)構(gòu)、彈性模量和強度特性的關(guān)系；Kawakata等[5]對巖樣斷面CT掃描數(shù)據(jù)重建了巖石三維CT圖像，可以直觀地看到微裂紋的形態(tài)和空間分布；Goodwin等[6]把CT技術(shù)應(yīng)用于礦山填料材料內(nèi)顆粒間的相互作用研究。而在中國，楊更社等[7]在CT掃描巖石CT數(shù)分布的基礎(chǔ)上，將巖石損傷變量和CT數(shù)聯(lián)系起來，推導(dǎo)了巖石損傷變量用CT數(shù)表達的公式；葛修潤等[8]進行了三軸(單軸)荷載作用下巖石破壞的實時CT測試，得到了不同荷載作用下巖石破壞的清晰CT圖像，定義基于CT數(shù)的新?lián)p傷變量，得到了損傷擴展的初步規(guī)律；朱紅光[9]等利用CT掃描機進行巖石單軸壓縮荷載作用下的實驗研究，根據(jù)同一位置的點的密度變化來分析微裂隙的損傷情況，開展了基于密度變化的統(tǒng)計以及分形指標來描述巖石微裂隙的演化規(guī)律的研究；吳國銘等[10]對碳酸鹽巖儲層巖心進行了CT圖像的處理，統(tǒng)計得到孔隙累積數(shù)量與直徑分布，為探究多孔介質(zhì)的分形特征提供了一個新的角度和方法；劉培剛等[11]基于砂巖巖心CT掃描后的重構(gòu)灰度圖,將原始的數(shù)字巖心灰度圖像劃分成為了含孔隙、顆粒骨架和泥質(zhì)三相的相劃分圖像，開發(fā)了一套應(yīng)用于石油工程領(lǐng)域砂巖三維數(shù)字巖心圖像的處理方法。

綜上所述，目前的研究多采用砂巖、頁巖等巖樣來進行試驗，這類巖石通常孔隙率較大，含水率較高。而對于孔隙率較低，含水量較小的硬巖，由于經(jīng)凍融后巖石變化不夠明顯，巖石損傷演化規(guī)律不易統(tǒng)計歸納，且受不同巖石內(nèi)部巖性區(qū)別的影響，故相關(guān)報道研究較少，也很不具體。以高海拔寒區(qū)金屬礦山開采工程為背景，以西部高海拔寒區(qū)礦山圍巖矽卡巖為研究對象，針對寒區(qū)凍融狀態(tài)下的矽卡巖損傷問題，利用巖石CT掃描技術(shù)及數(shù)字圖像處理技術(shù)，以期從不同凍融循環(huán)次數(shù)下矽卡巖CT圖像中，得到巖石內(nèi)部孔隙、裂紋等損傷分布特征；通過對原始CT圖像進行處理并結(jié)合巖石損傷力學理論，得到矽卡巖細觀損傷演化規(guī)律，為高海拔寒區(qū)巖石損傷性能研究提供基礎(chǔ)。

1 巖石CT掃描試驗

1.1 巖樣制備

本實驗選用新疆備戰(zhàn)礦區(qū)礦床圍巖-矽卡巖為目標巖石，通過取樣、切割、磨平，按照高徑比為2∶1要求加工成直徑大小為50 mm，高度100 mm的標準圓柱形巖樣，巖樣制備嚴格遵照國際巖石力學試驗規(guī)范要求。巖樣兩端面不平行度誤差小于0.005 mm；端面的不平整度誤差小于0.02 mm；垂直高度方向上直徑誤差小于0.3 mm；巖樣水平端面垂直方向與巖樣軸線的最大偏差角小于0.25°。制備得到矽卡巖巖樣3塊，分別編號xk1、xk2及xk3。如圖1所示。

圖1 標準巖樣Fig.1 The standard sample

1.2 試驗設(shè)備

試驗主要采用設(shè)備為快速凍融機和微焦點X射線CT掃描設(shè)備。凍融循環(huán)試驗在中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院快速凍融機內(nèi)進行，本機主要由觸摸屏微電腦控制系統(tǒng)、載冷劑循環(huán)系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)及凍融試驗箱五部分組成。加熱器功率12 kW，風機功率0.24 kW，壓縮機功率3.5 kW， 循環(huán)泵功率0.37 kW，該凍融機凍結(jié)溫度為(-18±2) ℃，融解溫度為(5±2) ℃，凍融周期為4.5 h。微焦點X射線CT掃描設(shè)備來自中國礦業(yè)大學(北京)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，型號為：ACTIS300-320/22，射線源采用FeinFocus-225.28，焦點3×6 micron，探測器采用PerkinElme(XRD1611)分辨率2 048×2 048像素，巖石試件掃描間距為0.05 mm，共掃描2 000層，圖像分辨率為2 048×2 048像素。主要設(shè)備如圖2所示。

圖2 主要設(shè)備圖Fig.2 The main equipment drawing

1.3 試驗方案

(1)將矽卡巖試件放入水中浸泡48 h，讓其進行自然飽水。

(2)對飽水狀態(tài)下的巖樣進行CT掃描試驗，得到巖樣的初始細觀損傷結(jié)構(gòu)圖像。

(3)使用快速凍融機進行凍融循環(huán)，根據(jù)當?shù)睾畢^(qū)礦山氣溫條件，每年1—4月及9—12月氣溫均在零度以下，最低可達-40 ℃，5—8月氣溫一般為5—15 ℃。由此設(shè)定凍結(jié)溫度-20 ℃，融解溫度7 ℃，之后進行25次凍融循環(huán)，再對巖樣進行CT掃描，觀察凍融循環(huán)25次時巖樣內(nèi)部裂隙及孔隙發(fā)育情況。

(4)重復(fù)以上步驟分別進行50、75、100次的凍融循環(huán)，得到不同凍融循環(huán)次數(shù)下的CT圖像。

1.4 CT掃描試驗結(jié)果與分析

將CT掃描試驗直接得到的原始格式圖像轉(zhuǎn)換成TIF格式圖像文件，獲得巖樣各個掃描層面在凍融循環(huán)0、25、50、75、100次時的CT圖像。 因CT掃描試驗所得巖樣圖像數(shù)量繁多，現(xiàn)選取其中一巖樣xk3的CT圖像，取第996層和第1 861層進行處理分析，如圖3所示。

圖3 不同凍融循環(huán)次數(shù)下的CT圖像Fig.3 CT images under different freeze-thaw cycles

2 灰度圖像處理分析

未經(jīng)處理的CT圖像只能看出巖樣內(nèi)部初始損傷的有無，粗略判斷巖石內(nèi)孔隙、裂紋等損傷位置，無法準確獲取巖樣細觀損傷特征，難以定量描述在凍融循環(huán)過程中的巖石損傷劣化擴展規(guī)律，因此需要對巖石灰度圖像進行處理。利用大型數(shù)學分析工具MATLAB進行自主編程處理，對CT掃描圖像進行中值濾波降噪、圖像灰度變換、直方圖均衡化、圖像銳化及圖像分割等相關(guān)處理，以獲取高品質(zhì)的圖像資料，為研究矽卡巖的細觀損傷結(jié)構(gòu)提供基礎(chǔ)。

2.1 圖像降噪處理分析

由CT掃描直接得到的矽卡巖灰度圖像中存在著大小分布不均勻的圖像噪聲，對后期圖像的處理存在影響，因此首先要對灰度圖像進行降噪處理，這里采用二維中值濾波來去除圖像中的噪聲，同時使圖像邊緣保持清晰。如圖4所示為中值濾波降噪處理前后的圖像對比。

圖4 降噪前后圖像對比Fig.4 Image comparison before and after noise reduction

通過肉眼觀察降噪前后的圖像，發(fā)現(xiàn)兩幅圖像差別不大，說明本次試驗所得圖像受到的噪聲影響較小，圖像質(zhì)量較好。同時，兩個維度大小相同灰度圖像，可以通過計算圖像矩陣的相關(guān)系數(shù)，判斷圖像間的相似程度，公式為

(1)

通過自主編程，先對灰度圖像進行二維中值濾波，再計算濾波前后兩幅圖像的相關(guān)系數(shù)。計算結(jié)果兩幅圖像相關(guān)系數(shù)r=0.997 0，表明降噪前后圖像相似度非常高。

2.2 圖像灰度變換及銳化處理

灰度拉伸是灰度變換常用的方法，目的是突出圖像中感興趣的部分或灰度區(qū)間，針對局部的灰度范圍，對其分段進行灰度線性變換，使所需的圖像細節(jié)灰度拉伸，增強圖像對比度。

在CT圖像中裂紋和孔隙等損傷區(qū)域，通過灰度拉伸，使圖像中灰度相近的不同物質(zhì)間的對比度增強。如圖5所示是巖樣xk3第996層和第1 861層CT圖像經(jīng)過灰度拉伸處理后的圖像，可以看出巖石內(nèi)部裂紋、孔隙等損傷區(qū)域與巖石顆粒的對比度明顯提高，重點突出了圖像所需信息特征。

圖5 經(jīng)灰度變換處理后的CT圖像Fig.5 CT image after gray scale transformation

圖像銳化處理主要是使圖像中模糊不清的邊緣輪廓線變得更加清晰，凸顯圖像的細節(jié)或邊緣。如圖6所示是圖像經(jīng)過灰度拉伸后，對圖像進行銳化處理。經(jīng)過圖像銳化使裂紋的邊緣更加突出，有利于后續(xù)巖石圖像細觀損傷結(jié)構(gòu)特征的提取。

從圖6中可以較為明顯的看出巖石內(nèi)部裂隙發(fā)育過程，觀察發(fā)現(xiàn)巖樣存在一定的初始損傷，在凍融循環(huán)初期圖像變化不大，在經(jīng)歷50次凍融循環(huán)后，巖樣初始裂紋進一步擴展，并在巖樣邊緣區(qū)域產(chǎn)生新的裂紋損傷，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，前期導(dǎo)致的損傷區(qū)域進一步擴展并連通，邊緣區(qū)域裂紋逐漸向中間區(qū)域發(fā)育、匯合。由于巖樣所受凍融循環(huán)次數(shù)有限，在經(jīng)歷100次凍融循環(huán)后并未發(fā)生明顯的斷裂破壞。

2.3 圖像閾值分割處理

閾值分割是圖像分割方法中最經(jīng)典、最簡單的一種，分割的關(guān)鍵在于選取適當?shù)幕叶乳撝怠２捎米畲箢愰g方差法(Otsu算法)對閾值進行選擇，根據(jù)圖像的灰度直方圖，通過最小二乘法確定出最佳閾值，將圖像的灰度值分割成巖石顆粒與損傷區(qū)域兩部分，使其方差最大，具有最大的分離性。

如圖7所示是經(jīng)閾值分割后的圖像。分割后的圖像為二值圖像，只存在黑、白兩種顏色，白色區(qū)域表示巖石顆粒；黑色區(qū)域表示巖石中的微孔隙、裂紋等損傷區(qū)域。圖像閾值分割很好地提取了矽卡巖凍融損傷結(jié)構(gòu)劣化特征，為后續(xù)矽卡巖凍融循環(huán)損傷演化分析奠定了基礎(chǔ)。

圖7 閾值分割后的CT圖像Fig.7 CT image after threshold segmentation

3 巖石凍融循環(huán)損傷演化分析

根據(jù)巖石損傷力學理論[12]，巖石中的微孔隙、裂紋可以看成是巖石的一種損傷，描述巖石損傷的變量有多種，在對CT圖像分割的基礎(chǔ)上，通過統(tǒng)計圖像中黑色區(qū)域像素點數(shù)量表示巖石內(nèi)部損傷區(qū)域的面積，通過統(tǒng)計整個圖像像素點數(shù)量表示巖石的總面積，結(jié)合巖石損傷力學，選取以圖像像素點數(shù)量所表示的損傷變量來反映巖石細觀損傷演化過程，公式為

(2)

式(2)中:D為損傷變量；AL為巖石中損傷區(qū)域面積；A為巖石總面積；n1為分割圖像中黑色像素點的數(shù)目；n為圖像中所有像素點的數(shù)目。

如表1所示，選取巖樣xk3中第486層、第996層、第1 584層和1 861層來計算不同凍融循環(huán)次數(shù)下的損傷變量大小，并繪制曲線，如圖8所示。

表1 不同凍融次數(shù)下的損傷變量Table 1 Damage variable under different freeze-thaw cycles

圖8 不同凍融循環(huán)次數(shù)下各層損傷變量變化曲線Fig.8 Variation curve of damage variable of each layer under different freeze-thaw cycles

從表1、圖8可以看出，上述4個掃描層面損傷變量的變化曲線趨勢大體相同，也說明不同凍融循環(huán)次數(shù)下矽卡巖損傷變量的變化規(guī)律大體相同。但是不同凍融循環(huán)次數(shù)下各個掃描斷層損傷變量的大小不一樣，從上往下?lián)p傷變量逐漸增大，這是由于巖石內(nèi)部具有不同的初始損傷，矽卡巖損傷區(qū)域不均勻分布，在相同凍融循環(huán)條件下矽卡巖內(nèi)部損傷變化存在差別，損傷的演化具有不均勻性。

從矽卡巖各層損傷變量與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線中可以發(fā)現(xiàn)：0次凍融循環(huán)下巖石初始損傷并不為0，該巖樣初始損傷變量為0.015，說明巖樣孔隙率較低，完整性較好；巖樣在經(jīng)歷25次凍融循環(huán)時，曲線有一下凹段矽卡巖各層損傷變量均有所下降，這是由于凍融循環(huán)初期，巖石顆粒受熱脹冷縮影響，巖樣中的微孔隙、微裂紋出現(xiàn)了閉合，使得巖石內(nèi)部損傷區(qū)域面積減少，引起各層損傷變量降低；隨著凍融循環(huán)的增加，曲線開始呈現(xiàn)增長趨勢，在經(jīng)歷50次凍融循環(huán)時，各層損傷變量迅速增長，表明隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，矽卡巖凍融損傷劣化不斷加劇，說明巖樣孔隙、裂隙中由于水冰相變使得凍脹力產(chǎn)生并增大，孔隙、裂隙受凍脹力的影響開始發(fā)育，并逐漸擴展，這一階段損傷變量持續(xù)增加；在經(jīng)過100次凍融循環(huán)后，巖樣損傷變量達到0.085，說明前期導(dǎo)致的損傷區(qū)域逐步連通，新生微裂紋進一步擴展、匯合，損傷區(qū)域面積進一步增大，損傷變量增加。

4 結(jié)論

針對高海拔寒區(qū)凍融循環(huán)狀態(tài)下的巖石損傷問題，運用CT掃描及數(shù)字圖像處理技術(shù)，進行了凍融循環(huán)0、25、50、75、100次下矽卡巖CT 掃描試驗，得到了不同凍融循環(huán)次數(shù)下矽卡巖CT圖像的裂隙結(jié)構(gòu)特征,并對凍融循環(huán)條件下的矽卡巖細觀損傷劣化過程進行分析，得到的結(jié)論主要如下：

(1)利用圖像處理技術(shù)，首先對獲取的CT圖像進行了降噪處理，降低圖像中噪聲影響，通過計算兩幅圖像間的相關(guān)系數(shù)，判斷了圖像間的相似程度；經(jīng)灰度拉伸法對圖像增強處理，有效地提高了矽卡巖內(nèi)部孔隙、裂紋等損傷區(qū)域的對比度，并通過圖像銳化處理，使圖像細節(jié)更加突出。

(2)針對增強處理后的圖像，初步分析了凍融循環(huán)條件下矽卡巖內(nèi)部裂隙損傷的演化過程；采用圖像閾值分割處理，分離出了圖像中巖石顆粒與孔隙、裂紋等損傷區(qū)域，成功提取了矽卡巖凍融損傷結(jié)構(gòu)劣化特征，為后續(xù)矽卡巖凍融循環(huán)損傷演化分析奠定了基礎(chǔ)。

(3)凍融循環(huán)初期，受熱脹冷縮影響，矽卡巖損傷變量隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低；之后由于凍脹力的產(chǎn)生，使巖樣內(nèi)部初始裂紋不斷擴展、連通，同時在巖樣邊緣生成新的損傷裂隙；隨著循環(huán)次數(shù)的增加，新生裂隙逐漸發(fā)育、匯合，巖樣內(nèi)部凍融損傷劣化程度進一步加劇，矽卡巖損傷變量隨凍融損傷劣化的加劇而增大。