一种岩石的细观蠕变破坏过程的测试方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种岩石的细观蠕变破坏过程的测试方法，属于岩土工程领域。
【背景技术】
[0002]岩石的蠕变特性是岩石的重要力学特性之一，与工程的长期稳定紧密相关。随着西部大开发的战略的实施，在我国西南的崇山峻岭地区，兴建了一大批的水利水电工程，这些大型的水电工程对我国水能资源的合理高效开发起着举足轻重的作用。与此同时，这些工程的安全和稳定，特别是运营期间的长期稳定性问题就成为保证水能资源顺利开发的必要条件之一。目前，在岩石蠕变研究中，多数是从宏观角度进行研究，主要研究了随着时间的增长，岩石变形的变化规律，这些研究对于指导岩体工程建设和施工，具有显著的指导意义，但不能反映出岩石的蠕变机理，为了能够从机制上理解岩石蠕变过程，则需要从微细观的角度进行研究，而这方面的研究相对较少。目前对岩石蠕变特性的细观分析研究方面，主要是米用扫描电子显微镜方法，简称扫描电镜(SEM)、声发射方法(AE)和X射线CT方法。电镜扫描方法具有较高的放大倍数，可以直观的观察试样的凹凸不平表面的微细结构和裂隙分布情况，因此可以采用电镜扫描的方法对蠕变过程中的裂隙分布情况进行统计分析。
[0003]目前，国内关于利用扫描电镜研究蠕变细观方面的主要研究如下:
[0004]汪为巍，曹平等在文《金川软岩蠕变破坏机理电镜实验研究》中，应用微观扫描电镜对蠕变受力情况下岩石破坏断口微观形态进行了观察研究，并分析了其产生的微观破坏机制。文中从细观角度研究岩石的破坏断口形态，对研究蠕变机理有一定的作用和意义，仅仅是对破坏断口进行了观察研究，并不能反映出蠕变过程中裂纹的分布及扩展情况，也不能定量的描述随着蠕变时间的增长，裂纹的扩展演化过程。
[0005]肖洪天，强天弛等在文《三峡船闸高边坡损伤流变研究及实测分析》中，采用扫描电镜即时记录了裂纹尖端的微裂纹发育和演化过程，并用双扭试件测试了三峡船闸花岗岩的亚临界裂纹扩展。但文中仅仅是给出了紧凑拉伸试件在给定位移加载条件下的裂纹扩展长度和时间的关系，而没有给出试件在受压情况下的蠕变过程中裂纹的宽度、面积等随着时间变化的信息。
[0006]陈文玲、赵发锁等在文《基于微观试验的云母石英片岩蠕变损伤变量研究》中，采用电子显微镜、偏光显微镜对云母石英片岩三轴蠕变的未受力阶段、即将出现加速蠕变阶段和破坏阶段的径向、轴向切片进行观测，得到云母石英片岩三轴蠕变过程的微观结构变化。并将微观结构变化产生的效应归结为损伤变量和空隙率的变化，应用统计损伤理论和简化力学模型建立损伤变量、空隙率和宏观应力、应变的关系，得到蠕变损伤变量。文中仅仅给出蠕变过程的三种情况，即未受力阶段、即将出现加速蠕变阶段和破坏阶段的微观结构变化情况，而没有给出详细的每一级应力水平下的微观结构的变化情况，用来表示整个蠕变过程的结构变化，显得并不是特别充分，另外在确定损伤变量和损伤演化方程方面，文中仅根据经验的统计损伤理论结果给出，而没有充分利用电镜扫描后的微观裂隙统计结果O
[0007]综上所述，目前采用扫描电镜研究岩石蠕变细观特性方面，尚不能全面的描述整个蠕变过程中随着应力水平的升高，裂纹的分布情况及扩展规律，所以十分有必要提出一种可以全面描述岩石细观蠕变过程的测试方法。
【发明内容】
[0008]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种岩石的细观蠕变破坏过程的测试方法，采用分级循环加卸载的方式可以将岩石的滞后弹性恢复在试验过程中进行记录，算出其残余变形，可将岩样的加卸载过程全面的反映在岩石蠕变曲线上，能够得到蠕变过程中更多的变形信息。
[0009]技术方案:为实现上述目的，本发明的岩石的细观蠕变破坏过程的测试方法，具体步骤如下:
[0010](I)采用岩石取芯机对原始岩块进行钻孔取芯，获得圆柱状端面不平整的长岩块，采用岩石切割机对长岩块的端面进行切割得到端面平整的圆柱形试样，采用岩石磨平机对圆柱形试样端面进行磨平，使圆柱形试样两端面的不平整度偏差为±0.05mm，获得直径与高度之比为1:2?3的圆柱形试样，对制作的试样进行声波检测，挑选出波速相近试样进行试验；
[0011](2)在进行蠕变试验之前，首先选出两个试样，制成切片，并进行电镜扫描，得到岩石的初始裂隙分布情况；
[0012](3)开展岩石试样的单轴压缩试验，确定出岩石试样的单轴抗压强度，根据岩石的强度对蠕变试验中的加载水平进行分级；
[0013](4)开展岩石的单轴或三轴蠕变试验，按照确定的分级，施加第一级荷载并保持荷载不变，观察岩石的变形，当变形增量不大于0.001mm/d时，说明变形已经稳定，然后卸载至零，观察岩石变形随时间的恢复，当变形稳定后，即完成一次循环加卸载过程，对经历过当前应力水平后的试样制成切片，进行电镜扫描，得到在这一级应力水平作用后的裂隙分布情况，每一级加载水平，至少准备两个试样；
[0014](5)重复步骤(4)，直到最后一级加载后，岩样发生破坏，对试样断口处进行电镜扫描，得到断口的裂隙分布情况；
[0015](6)利用数字图像处理技术，对(2)中没有加载的岩石试样的切片，(4)、(5)中每一级应力水平作用后的岩石试样切片和最后岩石破坏后的试样断口的电镜扫描图像进行图像处理，统计得到裂隙的方位角、长度、面积；
[0016](7)从对未加荷载的初始裂隙情况到随着应力水平的增加，蠕变过程中裂隙的萌生、扩展、连接和贯通导致的裂隙的方位角、长度、面积的变化，获得蠕变过程中岩石发生蠕变破坏的细观裂隙的扩展规律。
[0017]作为优选，所述步骤(3)中根据岩石的强度对蠕变试验中的加载水平进行分级，分级不少于4级，各级之间的应力差恒定，且保证最后一级应力水平使得岩石破坏。
[0018]作为优选，所述步骤(6)中试样切片通过电镜扫描得出裂隙的方位角、长度、面积，包括以下步骤:
[0019](a)选择需要处理的SEM图像；
[0020](b)获取SEM图像的标尺信息；
[0021](c)对SEM图像进行图像增强处理；
[0022](d)对进行图像增强处理后的SEM图像进行图像分割，分割结束后，提取图像中的裂隙，得到当前显示微裂隙的微裂隙面积、微裂隙长度和微裂隙方位角，并可以.xls形式保存到Excel表格中。
[0023]在本发明中，图像增强实际上是一个“失真”的过程，主要是加强图像的视觉效果，增强图像不同区域的对比度，凸显图像中的有效信息，即根据图像的最终用途，突出图像中某一部分特性，锐化图像中不同区域之间的差别。具体来讲就是对大理岩SEM图像进行图像增强操作，使其中裂隙部分与周围岩块部分的差异更加明显，以便于后续的进一步处理。图像增强主要包括两种方法:空间域增强和频域增强。
[0024]在本发明中，图像分割从定性角度而言，图像分割就是依据图像的灰度、纹理等特征把图像分成若干个有某种特定意义区域的图像处理技术，在每个区域内部各像素有着相同或相近的性质，而各区域之间的性质则各不相同，常用的图像分割算法主要包括点、线和边缘检测、阈值处理和基于区域的分割等方法。
[0025]有益效果:相对于现有技术，本发明具有如下有益效果:
[0026](I)采用分级循环加卸载的方式可以将岩石的滞后弹性恢复在试验过程中进行记录，算出其残余变形，可将岩样的加卸载过程全面的反映在岩石蠕变曲线上，能够得到蠕变过程中更多的变形信息，同时在卸载稳定后，有充足的时间可以进行切片和扫描电镜的工作；
[0027](2)利用数字图像处理技术对蠕变过程中每一级应力水平的试样扫描电镜图像进行处理，可以得到蠕变过程的裂隙分布情况和扩展规律，可以实现对整个蠕变过程的描述，对于从微细观方面研究岩石蠕变破坏过程具有重要的指导意义。
【附图说明】
[0028]图1为本发明的流程示意图；
[0029]图2为本发明制作岩石切片示意图；
[0030]图3为本发明的分级循环加卸载方式的加载路径示意图；
[0031 ]图4为利用数字图像处理流程图；
[0032]图5为利用数字图像处理技术对岩石切片电镜扫描图像处理过程示意图；
[0033]图6为微裂隙信息统计结果图；
[0034]图7为微裂隙方位角、长度和面积随应力水平变化图。
【具体实施方式】
[0035]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0036]如图1所示，本发明的岩石的细观蠕变破坏过程的测试方法，具体步骤如下:
[0037](I)采用岩石取芯机对原始岩块进行钻孔取芯，获得圆柱状端面不平整的长岩块，采用岩石切割机对长岩块的端面进行切割得到端面平整的圆柱形试样，采用岩石磨平机对圆柱形试样端面进行磨平，使圆柱形试样两端面的不平整度偏差为±0.05mm，获得直径与高度之比为1:2?3的圆柱形试样，对制作的试样进行声波检测，挑选出波速相近试样进行试验；
[0038](2)在进