基于CT扫描的循环侵水岩石细观损伤特性研究

摘要

基础设施建设和矿产资源大规模露天开采，会产生高陡边坡，一旦失稳将引起严重事故。水是影响边坡稳定性最重要的因素之一，它的存在使得边坡稳定性分析复杂多变。在水利工程坝基、水库河岸、滨海岸坡、地下硐室和用作尾矿库的露天矿坑等区域，水的影响更加明显，特别是水位循环升降，造成边坡岩石的结构改变、强度降低，极易引起边坡失稳破坏，成为工程安全面临的新问题。边坡的失稳破坏是多因素耦合复杂的过程，但综合分析其内因是岩石细观结构改变，细观损伤增大，因此岩石循环侵水细观损伤研究至关重要。　　本文首先在室内对岩石进行循环侵水试验模拟自然环境下的循环侵水作用。通过CT扫描分别对不同循环侵水次数的岩样进CT扫描试验，得到岩样的细观特征图像，运用图像多阈值分割技术、灰度直方图技术和边缘检测技术对岩石细观特征进行定性研究分析，得到不同循环侵水次数的细观损伤特征。研究结果表明：花岗岩内部主要由岩基、孔隙裂隙和高密度矿物结核组成，具有复杂的细观结构，循环侵水作用会对岩石造成损伤；随着循环侵水次数的增多，岩石细观结构改变，孔隙裂隙萌生发育；在循环侵水次数为30次时，岩石内裂隙发育贯通。　　其次，基于CT扫描试验图像，将分形理论引入循环侵水岩石细观特征研究。通过Matlab实现盒维数法程序化求解图像分形维数，分别计算得到每个岩样上、中、下CT图像的分形维数，将循环侵水岩石内部细观结构特征、孔隙裂隙萌生发育情况、岩石截面各组分复杂的非线性分布通过分形维数做定量的描述。随着循环侵水次数的增加，分形维数增大；基于分形维数定义岩石损伤变量FD，并通过拟合分析得到了循环侵水次数与损伤变量之间的函数关系。　　最后，结合三维重构理论通过软件对CT扫描试验结果进行三维重构，构建出循环侵水岩石的数字岩芯。以孔隙率为标准选择确定了数字岩芯表征单元体REV尺寸为200×200×200像素。通过对REV的孔隙裂隙闭合状态的分析，认为岩石存在初始损伤，为闭合孔隙，循环侵水作用使得岩石内部孔隙裂隙萌生、发育、扩展，闭合孔隙逐步发育、扩展，最终连接、贯通、演化为非闭合孔隙，岩石的细观特征发生明显变化，损伤增大。并基于面孔率定义细观损伤变量，定量表述循环侵水对岩石的细观损伤。

目录

声明

变量注释表

1绪论

1.1研究背景

1.1.1研究目的与意义

1.1.2研究内容

1.2国内外研究现状

1.2.1循环侵水作用下岩石宏细观损伤特性研究

1.2.2岩石细观研究手段与方法的研究

1.2.3数字岩芯三维重构技术研究

1.3研究方法与技术路线

1.3.1研究方法

1.3.2技术路线

2循环侵水岩石CT扫描试验

2.1 CT扫描试验技术研究

2.1.1 CT技术原理

2.1.2 CT扫描试验设备简介

2.2循环侵水岩石CT扫描试验

2.2.1岩样制备

2.2.2岩石含水率试验

2.2.3试验方案

2.2.4 CT扫描试验

2.3试验结果分析

2.4本章小结

3循环侵水岩石CT图像处理技术

3.1循环侵水岩石CT图像多阈值分割技术

3.1.1图像多阈值分割技术原理

3.1.2循环侵水岩石CT图像多阈值分割方法

3.1.3循环侵水岩石CT图像多阈值分割结果

3.2循环侵水岩石CT图像灰度直方图技术

3.2.1灰度直方图技术原理

3.2.2基于灰度直方图技术的循环侵水岩石细观结构分析

3.3循环侵水岩石CT图像边缘检测技术

3.3.1图像边缘检测原理

3.3.2循环侵水岩石CT图像边缘检测方法

3.3.3基于Canny算子的循环侵水岩石CT图像边缘检测结果

3.4本章小结

4循环侵水岩石分形特性研究

4.1分形理论简介

4.1.1分形的定义

4.1.2分形维数的定义

4.2分形维数计算方法

4.2.1分形维数算法

4.2.2盒维数法程序实现步骤

4.3循环侵水岩石CT图像分形维数研究

4.3.1 CT图像二值化阈值

4.3.2盒维数法分形维数

4.4基于分形维数的岩石损伤研究

4.5本章小结

5循环侵水岩石三维重构与损伤特性研究

5.1循环侵水岩石数字岩芯三维重构方法

5.2循环侵水岩石数字岩芯三维重构

5.2.1循环侵水岩石数字岩芯三维重构图像处理

5.2.2循环侵水岩石三维重构的实现

5.3表征单元体选择与分析

5.3.1表征单元体基本概念

5.3.2表征单元体选择

5.4基于表征单元体细观损伤特性分析

5.4.1表征单元体损伤分析

5.4.2基于面孔率损伤分析

5.5本章小结

6结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

作者简历

致谢

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