·998· 工程科学学报，第41卷，第8期 eventually form macroscopic tensile cracks.The porosity and pore distribution have significant influences on the position of macroscopic tensile cracks.The acoustic emission (AE)event numbers and the accumulative AE energy are gradually decreased as the porosity in- creased.In addition,the brittle failure primarily determines the tensile failure mode and the presence of pores weakens the tensile strength of basalt samples. KEY WORDS basalt:pore:CT;digital image;finite element method 在自然界中岩石往往承受压缩荷载作用，因此 近年来CT扫描技术和数值试验方法的广泛应 研究者经常关注岩石在受压状态下的物理力学性质 用使得能够突破实验室客观实验条件的限制，非常 和破坏机制.但是岩石作为一种典型的脆性材料， 理想地实现各种加载条件，并且能针对试样内部孔 拉伸破坏是其破坏的基本模式之一，因此准确测试 隙结构对其力学性质和破裂过程的影响展开研究. 岩石在拉伸荷载作用下的力学性质并分析其产生的 Yu等8]利用CT扫描技术结合有限元方法研究了 破坏模式对边坡和隧道等地下工程具有重要的工程 节理岩体在压缩荷载条件下的力学破坏特性.J山 意义 等[]根据天然砂岩孔隙的统计分布和特征函数，利 目前，确定岩石在拉伸受力状态下性质的室内 用随机数算法和FLAC3D软件生成三维岩石孔隙数 物理试验方法主要有巴西盘间接劈裂试验和直接拉 值模型，研究了孔隙结构参数对试样力学性质的影 伸试验2-3).张少华等[)分别利用弧压劈裂、角压 响，但其研究方法为间接劈裂法.同时Wag等0] 劈裂和直接拉伸三种试验方法测试了不同类型岩石 采用蒙特卡罗方法生成随机骨料结构，并结合有限 抗拉强度，结果表明间接劈裂法得到的抗拉强度与 元方法模拟了混凝土材料中的裂纹扩展过程.但是 实际值相比偏小，同时指出在条件允许情况下，应尽 利用随机算法生成的数值模型不能准确的表征岩石 量采用直接拉伸方法测定岩石抗拉强度.窦庆峰 试样内部孔隙结构.于庆磊2]利用RFPA2D软件基 等[)对不同类型岩石试样进行抗拉强度试验，结果 于数字图像方法研究了细观结构对花岗岩断裂破坏 同样证明直接拉伸法较间接劈裂法优越.然而在直 特性的影响，其研究结果表明将CT扫描技术和RF- 接拉伸试验中存在试样加工困难且两端固定及试验 PA数值分析软件相结合可以得到良好的效果. 装置和试验过程复杂等问题[6，尽管Nova和Za- 因此，在上述研究的基础之上，本文利用CT扫 ninetti)]以及Okubo和Fukuit8]针对上述问题采用 描和数字图像处理技术，考虑岩石材料非均匀性，利 了各种不同的方法来提高试验结果的准确性，但是 用RFPA3D软件构建可以表征玄武岩内部孔隙结构 室内物理试验方法是一个花费高的、耗时的过程，且 的精细三维数值模型.结合有限元并行计算方法进 只能得到有限结果，同时室内试验往往需要借助高 行直接拉伸试验，深入研究玄武岩内部孔隙结构特 速摄影机和声发射技术研究试样的破坏过程9-]. 性对试样拉伸破坏模式、声发射特性和抗拉强度的 由于玄武岩内部含有各种不规则、跨尺度的孔 影响，为进一步了解玄武岩的拉伸破坏机制提供参考 隙和天然裂缝等缺陷，具有不均匀性和不可见性的 1构建数值模型 特点，这些缺陷的存在对玄武岩试样的宏微观破坏 模式和物理力学性质具有显著影响[].目前研 1.1试样与CT扫描处理 究者对玄武岩内部孔隙结构特征进行了一系列的研 本研究选取的玄武岩试样来自黑龙江省五大连 究.Bubeck等I),Schaefer等Iw以及Al-Harthi 池市，大约在地质年代的更新世晚期、第四纪早期， 等[]利用试验方法研究了孔隙率和孔隙形状特征 如图1所示.通过观察试样可以看出：试样1孔隙 对玄武岩试样工程性质和力学强度的影响，但是上 尺寸相对较大且分布稀疏：试样2表面孔隙含量较 述研究均是在压缩荷载条件下进行的.Canaker 少且尺寸较小：试样3孔隙较多且表面具有较大尺 等16)基于神经网络方法研究了玄武岩试样的抗压 寸孔隙：试样4孔隙尺寸较小但分布密集：试样5孔 和抗拉强度，但是其采用巴西劈裂法测定抗拉强度. 隙尺寸较小并呈“线状”分布.为获取玄武岩内部 同时Heap等[)利用数值试验方法研究了压缩荷载 孔隙结构信息，利用太原理工大学与中国工程物理 条件下孔隙率和气孔形状对火山岩脆性强度的影 研究院应用电子学研究所共同研制的 响，但是其数值模型是二维的且孔隙是随机生成的. μCT225 kVFCB型高精度显微CT试验系统对5个试 上述研究均未讨论试样内部孔隙结构对其最终破坏 样进行扫描.经统计分析得知本文选取的五个试样 形态的影响. 孔隙孔径主要集中在0~3mm范围内，而该cT扫工程科学学报,第 41 卷,第 8 期 eventually form macroscopic tensile cracks. The porosity and pore distribution have significant influences on the position of macroscopic tensile cracks. The acoustic emission (AE) event numbers and the accumulative AE energy are gradually decreased as the porosity in鄄 creased. In addition, the brittle failure primarily determines the tensile failure mode and the presence of pores weakens the tensile strength of basalt samples. KEY WORDS basalt; pore; CT; digital image; finite element method 在自然界中岩石往往承受压缩荷载作用,因此 研究者经常关注岩石在受压状态下的物理力学性质 和破坏机制. 但是岩石作为一种典型的脆性材料, 拉伸破坏是其破坏的基本模式之一,因此准确测试 岩石在拉伸荷载作用下的力学性质并分析其产生的 破坏模式对边坡和隧道等地下工程具有重要的工程 意义[1] . 目前,确定岩石在拉伸受力状态下性质的室内 物理试验方法主要有巴西盘间接劈裂试验和直接拉 伸试验[2鄄鄄3] . 张少华等[4] 分别利用弧压劈裂、角压 劈裂和直接拉伸三种试验方法测试了不同类型岩石 抗拉强度,结果表明间接劈裂法得到的抗拉强度与 实际值相比偏小,同时指出在条件允许情况下,应尽 量采用直接拉伸方法测定岩石抗拉强度. 窦庆峰 等[5]对不同类型岩石试样进行抗拉强度试验,结果 同样证明直接拉伸法较间接劈裂法优越. 然而在直 接拉伸试验中存在试样加工困难且两端固定及试验 装置和试验过程复杂等问题[6] ,尽管 Nova 和 Za鄄 ninetti [7]以及 Okubo 和 Fukui [8] 针对上述问题采用 了各种不同的方法来提高试验结果的准确性,但是 室内物理试验方法是一个花费高的、耗时的过程,且 只能得到有限结果,同时室内试验往往需要借助高 速摄影机和声发射技术研究试样的破坏过程[9鄄鄄10] . 由于玄武岩内部含有各种不规则、跨尺度的孔 隙和天然裂缝等缺陷,具有不均匀性和不可见性的 特点,这些缺陷的存在对玄武岩试样的宏微观破坏 模式和物理力学性质具有显著影响[11鄄鄄12] . 目前研 究者对玄武岩内部孔隙结构特征进行了一系列的研 究. Bubeck 等[13] , Schaefer 等[14] 以 及 Al鄄Harthi 等[15]利用试验方法研究了孔隙率和孔隙形状特征 对玄武岩试样工程性质和力学强度的影响,但是上 述研究均是在压缩荷载条件下进行的. 覶anakc覦 等[16]基于神经网络方法研究了玄武岩试样的抗压 和抗拉强度,但是其采用巴西劈裂法测定抗拉强度. 同时 Heap 等[17]利用数值试验方法研究了压缩荷载 条件下孔隙率和气孔形状对火山岩脆性强度的影 响,但是其数值模型是二维的且孔隙是随机生成的. 上述研究均未讨论试样内部孔隙结构对其最终破坏 形态的影响. 近年来 CT 扫描技术和数值试验方法的广泛应 用使得能够突破实验室客观实验条件的限制,非常 理想地实现各种加载条件,并且能针对试样内部孔 隙结构对其力学性质和破裂过程的影响展开研究. Yu 等[18]利用 CT 扫描技术结合有限元方法研究了 节理岩体在压缩荷载条件下的力学破坏特性. Ju 等[19]根据天然砂岩孔隙的统计分布和特征函数,利 用随机数算法和 FLAC 3D软件生成三维岩石孔隙数 值模型,研究了孔隙结构参数对试样力学性质的影 响,但其研究方法为间接劈裂法. 同时 Wang 等[20] 采用蒙特卡罗方法生成随机骨料结构,并结合有限 元方法模拟了混凝土材料中的裂纹扩展过程. 但是 利用随机算法生成的数值模型不能准确的表征岩石 试样内部孔隙结构. 于庆磊[21] 利用 RFPA 2D软件基 于数字图像方法研究了细观结构对花岗岩断裂破坏 特性的影响,其研究结果表明将 CT 扫描技术和 RF鄄 PA 数值分析软件相结合可以得到良好的效果. 因此,在上述研究的基础之上,本文利用 CT 扫 描和数字图像处理技术,考虑岩石材料非均匀性,利 用 RFPA 3D软件构建可以表征玄武岩内部孔隙结构 的精细三维数值模型. 结合有限元并行计算方法进 行直接拉伸试验,深入研究玄武岩内部孔隙结构特 性对试样拉伸破坏模式、声发射特性和抗拉强度的 影响,为进一步了解玄武岩的拉伸破坏机制提供参考. 1 构建数值模型 1郾 1 试样与 CT 扫描处理 本研究选取的玄武岩试样来自黑龙江省五大连 池市,大约在地质年代的更新世晚期、第四纪早期, 如图 1 所示. 通过观察试样可以看出:试样 1 孔隙 尺寸相对较大且分布稀疏;试样 2 表面孔隙含量较 少且尺寸较小;试样 3 孔隙较多且表面具有较大尺 寸孔隙;试样 4 孔隙尺寸较小但分布密集;试样 5 孔 隙尺寸较小并呈 “线状冶分布. 为获取玄武岩内部 孔隙结构信息,利用太原理工大学与中国工程物理 研 究 院 应 用 电 子 学 研 究 所 共 同 研 制 的 滋CT225kVFCB 型高精度显微 CT 试验系统对5 个试 样进行扫描. 经统计分析得知本文选取的五个试样 孔隙孔径主要集中在 0 ~ 3 mm 范围内,而该 CT 扫 ·998·