郎颖娴等：玄武岩三维细观孔隙模型重构与直接拉伸数值试验 ·1005· 较好的联通性，因此其抗拉强度不是最小的.通过 mm,所建三维模型能精细的表征玄武岩试样的细观 图8可知，试样4孔隙尺寸较小但是主要呈现横向 孔隙结构特征 分布联通性较好：同样试样5内部孔隙则呈现更为 (2)在加载过程中初始裂纹首先产生于孔隙处 强烈的横向分布特征，Bubeck等IuB)通过分析孔隙 且随着荷载的增加逐渐横向扩展最终形成宏观裂 形状对抗压强度的影响得知：当压缩荷载和椭圆孔 纹.孔隙率和空间分布特征的不同导致在试样不同 隙短轴方向垂直时，试样更容易破坏.因此对于试 位置产生贯通拉伸裂纹，从而形成不同的破坏特征. 样4和试样5，当拉伸荷载平行于孔隙短轴时，试样 (3)直接拉伸试验初期，声发射数目和累积声 容易发生拉伸破坏、具有较低的抗拉强度.在研究 发射能量较少，而在试样开始破坏时产生较多声发 玄武岩试样的破坏机制和强度特性时，需要综合考 射事件.试样破坏过程中产生的累积声发射能量随 虑试样内部的孔隙含量、分布位置、发育密度及联通 着孔隙率的增大而减小，但是受孔隙分布位置、发育 性等因素的影响 密度和联通性的影响，孔隙率与累积声发射能量不 应变% 成严格的负相关关系 0.04 0.03 -0.02 -0.01 (4)随着孔隙率的增高，试样的破坏模式呈现 -0.5 脆性破坏特征.抗拉强度不仅与孔隙率有关，还与 孔隙尺寸、分布位置、发育密度及联通性等因素 -1.0 e试样1 有关 ·试样2 ☆试样3 -1.5 试样4 参考文献 试样5 20 [1]Tao L B,Xia C C.He Z M.Experimental studies on the total -2.5 course stress-strain curves of granite specimens under tensile con- -3.0 dition.J Tongji Unie Nat Sci,1997,25(1):34 (陶履彬，夏才初，何之民。花岗岩拉伸全过程变形特性的试 图11应力-应变曲线 验研究.同济大学学报：自然科学版，1997,25(1)：34) Fig.11 Stress-strain curves [Dai G F,XiaCC,Yan C.Testing study on deformation behaviour 3.0 130 of rock in Longtan hydropower project under tensile condition. ·抗拉强度 Chin J Rock Mech Eng,2005,24(3):384 25 ◆孔隙率 25 (代高飞，夏才初，晏成.龙滩工程岩石试件在拉伸条件下的 变形特性试验研究.岩石力学与工程学报，2005,24(3)： 2.0 20 384) Sundaram P N,Corrales J M.Brazilian tensile strength of rocks 1.5 15 [3] with different elastic properties in tension and compression.Int J 1.0 10 Rock Mech Min Sci Geomech Abstracts,1980,17(2):131 [4]Zhang S H,Miao XX,Zhao H Y.Influence of test methods on 0.5 5 measured results of rock tensile strength.China Univ Min Techn- ol,1999,28(3):243 (张少华，缪协兴，赵海云.试验方法对岩石抗拉强度测定的 试样编号 影响.中国矿业大学学报，1999,28(3)：243) 图12抗拉强度与孔隙率的关系 [5]Dou Q F,Yue S,Dai G F.Comparative study on direet tensile Fig.12 Relationship between tensile strength and porosity test and splitting test.Underground Space,2004,24(2):178 (窦庆峰，岳顺，代高飞.岩石直接拉伸试验与劈裂试验的对 4结论 比研究.地下空间，2004,24(2)：178) [6] Zhang S H.Zhao H Y.The test method and its characteristics of 本文基于CT扫描和数字图像处理技术构建了 rock tensile strength.Ground Pressure Strata Control,1994(3): 可以表征玄武岩三维孔隙结构特征的数值模型，研 68 究了玄武岩试样在直接拉伸试验条件下孔隙结构特 (张少华，赵海云.岩石抗拉强度试验方法及其特征.矿山压 征对破坏机制和力学强度参数的影响，研究结果 力与顶板管理，1994(3)：68) 表明： [7]Nova R,Zaninetti A.An investigation into the tensile behaviour of schistose rock.Int Rock Mech Min Sci Geomech Abstracts,1990. (1)利用CT扫描技术、数字图像处理技术与三 27(4):231 维重构算法，数值模型单元的精细度可达到0.36 [8]Okubo S,Fukui K.Complete stress-strain curves for various rock郎颖娴等: 玄武岩三维细观孔隙模型重构与直接拉伸数值试验 较好的联通性,因此其抗拉强度不是最小的. 通过 图 8 可知,试样 4 孔隙尺寸较小但是主要呈现横向 分布联通性较好;同样试样 5 内部孔隙则呈现更为 强烈的横向分布特征,Bubeck 等[13] 通过分析孔隙 形状对抗压强度的影响得知:当压缩荷载和椭圆孔 隙短轴方向垂直时,试样更容易破坏. 因此对于试 样 4 和试样 5,当拉伸荷载平行于孔隙短轴时,试样 容易发生拉伸破坏、具有较低的抗拉强度. 在研究 玄武岩试样的破坏机制和强度特性时,需要综合考 虑试样内部的孔隙含量、分布位置、发育密度及联通 性等因素的影响. 图 11 应力鄄鄄应变曲线 Fig. 11 Stress鄄鄄strain curves 图 12 抗拉强度与孔隙率的关系 Fig. 12 Relationship between tensile strength and porosity 4 结论 本文基于 CT 扫描和数字图像处理技术构建了 可以表征玄武岩三维孔隙结构特征的数值模型,研 究了玄武岩试样在直接拉伸试验条件下孔隙结构特 征对破坏机制和力学强度参数的影响,研究结果 表明: (1)利用 CT 扫描技术、数字图像处理技术与三 维重构算法,数值模型单元的精细度可达到 0郾 36 mm,所建三维模型能精细的表征玄武岩试样的细观 孔隙结构特征. (2)在加载过程中初始裂纹首先产生于孔隙处 且随着荷载的增加逐渐横向扩展最终形成宏观裂 纹. 孔隙率和空间分布特征的不同导致在试样不同 位置产生贯通拉伸裂纹,从而形成不同的破坏特征. (3)直接拉伸试验初期,声发射数目和累积声 发射能量较少,而在试样开始破坏时产生较多声发 射事件. 试样破坏过程中产生的累积声发射能量随 着孔隙率的增大而减小,但是受孔隙分布位置、发育 密度和联通性的影响,孔隙率与累积声发射能量不 成严格的负相关关系. (4)随着孔隙率的增高,试样的破坏模式呈现 脆性破坏特征. 抗拉强度不仅与孔隙率有关,还与 孔隙尺寸、分布位置、发育密度及联通性等因素 有关. 参 考 文 献 [1] Tao L B, Xia C C, He Z M. Experimental studies on the total course stress鄄鄄strain curves of granite specimens under tensile con鄄 dition. J Tongji Univ Nat Sci, 1997, 25(1): 34 (陶履彬, 夏才初, 何之民. 花岗岩拉伸全过程变形特性的试 验研究. 同济大学学报: 自然科学版, 1997, 25(1): 34) [2] Dai G F, Xia C C, Yan C. Testing study on deformation behaviour of rock in Longtan hydropower project under tensile condition. Chin J Rock Mech Eng, 2005, 24(3): 384 (代高飞, 夏才初, 晏成. 龙滩工程岩石试件在拉伸条件下的 变形特性试验研究. 岩石力学与工程学报, 2005, 24 (3 ): 384) [3] Sundaram P N, Corrales J M. Brazilian tensile strength of rocks with different elastic properties in tension and compression. Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstracts, 1980, 17(2): 131 [4] Zhang S H, Miao X X, Zhao H Y. Influence of test methods on measured results of rock tensile strength. J China Univ Min Techn鄄 ol, 1999, 28(3): 243 (张少华, 缪协兴, 赵海云. 试验方法对岩石抗拉强度测定的 影响. 中国矿业大学学报, 1999, 28(3): 243) [5] Dou Q F, Yue S, Dai G F. Comparative study on direct tensile test and splitting test. Underground Space, 2004, 24(2): 178 (窦庆峰, 岳顺, 代高飞. 岩石直接拉伸试验与劈裂试验的对 比研究. 地下空间, 2004, 24(2): 178) [6] Zhang S H, Zhao H Y. The test method and its characteristics of rock tensile strength. Ground Pressure Strata Control, 1994 (3): 68 (张少华, 赵海云. 岩石抗拉强度试验方法及其特征. 矿山压 力与顶板管理, 1994(3): 68) [7] Nova R, Zaninetti A. An investigation into the tensile behaviour of schistose rock. Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstracts, 1990, 27(4): 231 [8] Okubo S, Fukui K. Complete stress鄄鄄strain curves for various rock ·1005·