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用戶論文 | 顯微CT揭示巖石裂紋的分布規(guī)律
中國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展離不開建筑行業(yè)的支撐，巖石作為一種典型的天然非均質(zhì)工程地質(zhì)材料，巖石的斷裂演化機(jī)制一直是巖石力學(xué)和工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。這段時(shí)間新冠肺炎疫情牽動著每個(gè)人的心，我們能夠飛速建設(shè)火神山和雷神山兩所醫(yī)院的背后，也離不開巖土工程領(lǐng)域科研工作者的辛苦工作，我們也期盼火神和雷神可以早日祛除疾病、驅(qū)趕瘟疫。
近年來，許多學(xué)者通過巖石/類巖石的實(shí)驗(yàn)測試以及建模標(biāo)本的數(shù)值模擬，對缺陷巖石的力學(xué)性能和斷裂演化行為進(jìn)行了研究，并取得重大成果。與此同時(shí)，諸多專家學(xué)者對理解具有單一形態(tài)缺陷（如孔狀或裂縫狀缺陷）的真實(shí)巖石或類巖石材料的裂紋力學(xué)機(jī)理很感興趣。由于在實(shí)際工程應(yīng)用中，巖石是一種復(fù)雜的材料，同時(shí)包括孔狀和裂縫狀缺陷的現(xiàn)象非常普遍，并且孔狀和裂縫狀缺陷之間的相互作用直接影響著巖石的不穩(wěn)定性和抗開裂性。
北京科技大學(xué)土木與資源工程學(xué)院的周喻等人開展了單軸壓縮下巖石材料中孔與裂隙相互作用的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究。通過科學(xué)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值單軸壓縮試驗(yàn)研究了具有孔和裂縫的巖石試樣的力學(xué)行為和破壞機(jī)理，利用顯微CT技術(shù)對試樣進(jìn)行了高分辨率的掃描測試，獲得試樣內(nèi)部的裂紋分布，同時(shí)通過DIC方法識別試樣表面的裂紋，從而進(jìn)一步揭示失效試樣的內(nèi)部裂紋和表面裂紋之間的分布規(guī)律。
將顯微CT的掃描結(jié)果經(jīng)過軟件處理得到2D切片圖像和3D裂紋模型，可以清楚地觀察裂紋形狀、取向和大小和空間分布。結(jié)合DIC對表面裂紋的測試，結(jié)果表明：試樣表面裂紋的分布通常可以反映試樣內(nèi)部裂紋的分布信息。
CT掃描和DIC觀察獲得的極限破壞模式
（a–b）CT掃描的結(jié)果；（c）DIC觀察的結(jié)果
關(guān)于裂紋聚結(jié)類型和終破壞模式的研究，CT掃描結(jié)果與DIC觀察結(jié)果非常吻合。可以在巖橋區(qū)域中識別出三種結(jié)合模式如下：
•T-T模式（拉伸-拉伸合并）：在上部和下部巖橋區(qū)域中合并拉伸裂縫。
•S-S模式（剪切-剪切合并）：剪切裂縫在上，下巖橋區(qū)域中合并。
•T-S模式（拉伸-剪切合并）：拉伸-剪切裂縫在上下巖橋區(qū)域合并。
不同缺陷巖樣的裂紋聚結(jié)類型圖
（一列表示極限破壞模式，二列表示水平位移場，三列表示合并模式的草圖）
T-T模式包括（a），（d）和（f）；S-S模式包括（c）；T-S模式包括（b）和（e）
高分辨率顯微CT掃描實(shí)現(xiàn)了試樣內(nèi)部的裂縫空間分布的三維可視化，揭示了失效巖樣內(nèi)部和表面之間的裂紋分布規(guī)律，是一種研究巖石/類巖石材料在各種載荷作用下破壞演化機(jī)理的具有潛力的有效方法，可將高分辨率CT成像技術(shù)應(yīng)用于類似的科學(xué)研究中。
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