岩石细观损伤可视化系统开发及孔裂隙结构演化规律研究

论文摘要

岩石是一种内部结构复杂的多孔介质材料,其宏观力学表现往往与其内部孔裂隙结构特征有着紧密的联系。通过研究岩石在受温度和载荷作用下,宏观力学特征变化时其内部细观孔裂隙结构特征的变化规律,可以帮助我们更深刻地认识岩石力学特征变化发生的原因和机理,对理解岩石的宏观变形、破坏和失稳机理具有重要的科学意义,为避免岩石工程灾害的发生提供合理的应对措施,具有重要应用价值。为了探究岩石破裂过程中,其内部细观损伤的演化过程,本文研制了通过多张岩石CT二值图像进行三维重建,进而提取其三维空隙结构的搜索算法,并以该算法为核心,开发了一套可视化岩石细观损伤演化系统。利用该系统,以油页岩和泥岩为例,对油页岩在不同温度下、泥岩在外部荷载作用下的内部细观损伤演化过程进行了深入地研究与分析。得到如下主要结论:（1）采用Qt界面设计框架、OpenGL开放图形库以及C++程序语言,编制了可视化岩石细观损伤演化系统。实现了隐藏选中空隙团、设置空隙团颜色、MC三维重建空隙团点云图、对目标节点所属空隙团的演化全过程进行动态追踪等功能。（2）利用高精度（μm）CT试验系统对不同温度下的油页岩试件进行显微CT扫描,通过CT二值图像得出试件空隙率随着温度升高一直增大。选取包含裂隙b的一块区域为研究对象,利用可视化岩石细观损伤演化系统提取区域内空隙结构,通过空隙团三维分布图分析了裂隙b及其周围空隙结构的演化规律。单独提取出裂隙b,利用系统中追踪节点的功能,动态追踪了400℃650℃范围下裂隙b的损伤演化全过程,发现由于油气物质的堵塞,在升温过程中存在属于裂隙的某部分被分离出去单独成团的现象。（3）通过泥岩在单轴压缩状态下实时CT扫描得到的岩石CT图像,发现试件由上至下损伤程度逐渐加深。利用可视化岩石细观损伤演化系统提取泥岩上、中、下部分的三维空隙团结构,分析裂隙发育和演化的过程,得到了损伤演化的发展趋势;通过对比以岩石损伤体积为基准的损伤变量和以岩石损伤面积为基准的损伤变量,发现二者的变化趋势一致;分析泥岩在24MPa加载状态下的主裂隙结构,根据裂缝面的走向、连通程度得出泥岩试件最终破坏形式为劈裂破坏。（4）分析泥岩在三轴压缩试验中的应力—应变曲线,得到泥岩变形的4个阶段。通过泥岩在初始、压密、屈服阶段扫描得到的CT图像,利用可视化岩石细观损伤演化系统,得到了三个阶段试件内部孔裂隙数量及体积的变化规律。泥岩内部在屈服阶段发生损伤演化产生了微裂隙,根据微裂隙的开裂方向判断试件最终破坏的截面倾角,发现与实际情况基本相符。（5）研究结果表明,本文开发的可视化岩石细观损伤演化系统不仅算法的精度有较大的提升,重建的三维空隙结构模型与岩石材料空隙结构的真实几何形状及空间分布也高度一致,是一款适用于岩石细观损伤研究的多功能系统。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 研究目的及意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 岩石CT扫描技术研究现状
•     1.2.2 基于CT图像的岩石空隙结构三维重建的研究
•   1.3 本文主要研究内容
• 第二章 可视化岩石细观损伤演化系统设计与开发
•   2.1 岩石三维空隙结构搜索算法程序设计
•   2.2 界面设计及三维建模技术
•     2.2.1 界面设计框架Qt
•     2.2.2 三维建模技术
•     2.2.3 可视化岩石细观损伤演化系统功能介绍
•   2.3 本章小结
• 第三章 油页岩孔裂隙结构随温度演化规律细观研究
•   3.1 引言
•   3.2 显微CT试验
•     3.2.1 试验设备及原理
•     3.2.2 试验方法
•   3.3 不同温度下油页岩二维CT切片分析
•     3.3.1 油页岩孔裂隙结构的变化规律
•     3.3.2 油页岩空隙率变化特征
•   3.4 不同温度下油页岩孔裂隙三维连通性分析
•     3.4.1 孔裂隙三维空间下连通性特征
•     3.4.2 裂隙三维空间下的发育演化过程
•   3.5 本章小结
• 第四章 泥岩压缩试验细观结构演化过程
•   4.1 泥岩单轴压缩试验研究
•     4.1.1 试验系统与试验过程
•     4.1.2 CT切片孔裂隙结构演化分析
•     4.1.3 损伤变量求解
•     4.1.4 空隙结构三维重建
•   4.2 泥岩三轴压缩试验研究
•     4.2.1 三轴压缩试验
•     4.2.2 三轴压缩下泥岩变形阶段分析
•     4.2.3 不同轴压下泥岩内部结构变化
•   4.3 本章小结
• 第五章 结论与展望
•   5.1 主要结论
•   5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张洁莹

导师: 杨栋

关键词: 岩石,细观损伤演化可视化,三维重构,空隙连通团

来源: 太原理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地质学,建筑科学与工程

单位: 太原理工大学

分类号: TU45

总页数: 94

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