《基于CT图像处理的冻结岩石细观结构及损伤力学特性》主要介绍了低温环境下岩石细观结构及损伤力学特性的研究成果。以寒区岩石王程和人工冻结岩石工程为背景,以CT扫描实验为研究基础,采用CT图像处理技术、损伤理论分析和数值计算相结合的方法。重点从冻结温度、细观结构特征等方面研究了岩石细观损伤扩展规律。对工程常见的砂岩、页岩在冻结作用下热物理力学特性、水冰含量、温度分布规律及损伤扩展机理等方面进行了探讨。
《基于CT图像处理的冻结岩石细观结构及损伤力学特性》可作为土木、水利、能源、岩土力学与工程及工程地质等专业的高年级本科生和研究生的教学参考书,亦可供有关科研和工程技术人员参考。
我国寒区面积分布广泛,永久性和季节性冻结岩土区面积约占总面积的75010左右,且多集中在西部地区。国家“十三五”发展规划,重点基础设施建设将向西部地区转移,推动加快完善铁路、公路骨架网络、重大水利工程建设,众多长大隧道、地铁、水电站和矿山等相继投入建设。“一带一路”战略规划中也囊括了陕西、内蒙古、新疆、甘肃、青海等众多西部省份的重大工程项目。在这些地区实施的寒区岩土工程、液化天然气和石油气的低温地质储存以及矿井建设中的冻结法施工等工程,都不同程度地存在冻结岩石工程的冻害问题,严重影响寒区岩石工程的安全稳定及正常运行。因此,冻结岩石损伤问题的研究对寒区岩土工程建设、矿井建设和低温液化天然气储气库的设计、施工及稳定运营等具有重要的理论意义。
处于低温环境下的岩石是一种自然损伤材料,赋存于岩石内部裂隙及孔隙中的水分发生相变、冻结,导致物理力学性质不仅与其本身物理构成有关,而且与温度、内部赋存的水、受力状态及细观结构有关。目前,国内外关于冻结岩石物理力学性质及相关理论的研究主要是针对不同行业、不同研究领域具体实际情况开展研究。对冻结岩石的物理力学性质的研究多集中在低温岩石单轴和三轴力学性能的室内试验方面,已有的研究成果涉及冻结岩石的细观结构特性的还不多见;对低温环境下岩石损伤扩展特性的研究多集中在冻融循环条件下,借用冻土力学理论,将冻融工程岩体视为等效多孔介质,从试验层面上研究冻融循环条件下岩石基本性质及冻融损伤破坏特性。鉴于岩石损伤与冻土的区别,已有研究成果对于低温冻结作用下岩石损伤力学性能影响机理揭示不足。事实上,低温作用下岩石冻结损伤主要表现为:冻胀作用下裂隙或孔隙的扩展贯通。因此,这就要求从细观层次,借助先进的实验手段,充分考虑岩石细观结构特性,建立恰当的细观损伤力学模型去研究低温冻结环境下岩石的温度、含水量、损伤力学特性问题,才能有效揭示低温作用下冻结岩石损伤机理。
本书的内容是作者负责的国家自然科学基金项目(41272340,50974102),陕西省科技创新团队(2014KCT-30)的部分研究成果。在此,对国家自然科学基金委员会及陕西省科技厅的资助表示衷心的感谢。
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前言
第1章 绪论
参考文献
第2章 岩石损伤力学基础
2.1 损伤及其分类
2.2 损伤力学研究内容及方法
2.3 连续介质损伤力学基本理论
2.3.1 连续介质损伤力学的热力学基础
2.3.2 等效性假说
2.3.3 损伤变量与热力学状态变量
2.3.4 损伤的测量
2.4 损伤演化方程和损伤本构关系
2.5 岩石类材料损伤本构模型
2.6 岩石损伤理论研究现状
2.6.1 常温下岩石损伤理论研究现状
2.6.2 低温下岩石损伤力学研究现状
参考文献
第3章 岩石细观结构损伤
3.1 岩石细观损伤研究概述
3.2 岩石损伤演化的细观特征
3.2.1 细观损伤演化与细观主裂纹的形成方式
3.2.2 初始损伤对岩石细观损伤演化的影响
3.2.3 岩石的细观主裂纹与分支裂纹特征
3.3 岩石初始细观损伤的形式及特点
3.3.1 岩石初始细观损伤的主要形式
3.3.2 典型岩石初始细观损伤的特点
3.4 岩石时效损伤的细观特征
3.4.1 反复加载条件下岩石的细观损伤特征
3.4.2 蠕变条件下岩石细观损伤
3.5 不同组构岩石细观损伤形成机制
3.5.1 胶结结构岩石破裂形成机制
3.5.2 结晶联结岩石的破裂形成机制
3.6 岩石的细观损伤破坏机理
3.6.1 岩石加载变形过程中各阶段的细观损伤特征
3.6.2 细观贯通性主裂纹的形成与岩石破坏
3.6.3 岩石破坏的剪切机理
3.6.4 岩石的细观损伤破坏机理
3.7 岩石细观损伤破坏分析理论
参考文献
第4章 数字图像处理理论与技术
4.1 数字图像处理技术在岩土工程中的应用概况
4.1.1 基于数字图像的岩土体力学性质分析
4.1.2 基于数字图像的室內试验测量
4.1.3 基于数字图像的现场勘察及地质信息分析
4.1.4 岩体结构数字识别
4.1.5 隧道掌子面地质分析
4.2 数字图像处理基础
4.2 .1 图像与数字图像
4.2.2 图像的灰度值
4.2.3 灰度直方图
4.3 数字图像处理的目的和内容
4.4 数字图像处理的方法
4.5 常用数字图像处理技术及原理
4.5.1 图像增强技术
4.5.2 边缘检测技术
4.5.3 图像分割技术
4.5.4 图像三维重建技术
参考文献
第5章 岩石细观损伤结构的CT识别
5.1 岩石细观结构损伤的检测方法
5.1.1 结构分析法
5.1.2 性能测试法
5.2 岩石细观损伤力学问题的CT识别
5.2.1 岩石常规加载试验的CT损伤检测
5.2.2 环境因素条件下岩石细观损伤检测
5.2.3 CT试验结果分析方法及应用现状
5.3 CT扫描技术原理
5.3.1 CT扫描技术的物理原理
5.3 .2 CT扫描技术的数学原理
5.3.3 CT图像的形成及特征
5.3.4 CT图像数据的基本公式
5.3.5 CT技术术语的物理解释
5.3 .6 CT试验在岩石损伤中的应用范围
5.3.7 岩石细观损伤CT数与岩石损伤密度
5.4 岩土力学CT试验过程
5.4.1 岩土力学CT试验试样
5.4.2 岩土力学CT试验过程与方法
5.5 岩石CT试验分析方法
5.5.1 CT试验结果分析流程
5.5.2 岩石CT图像的信息提取
5.5.3 直观的CT图像分析法
5.5.4 CT数分析方法
5.5.5 统计频率分析方法
5.5.6 图像运算处理法
5.5.7 CT图像三维重采样方法
参考文献
第6章 常温压缩荷载作用下岩石损伤力学试验研究
6.1 页岩加载过程的CT试验
6.2 基于图像增强技术的损伤分析
6.2.1 伪彩色增强
6.2.2 灰度变换增强
6.2.3 图像锐化
6.3 加载过程中页岩细观结构的获取
6.3.1 阈值分割法
6.3.2 边缘检测法
6.3.3 压缩荷载下岩石细观结构的损伤分析
参考文献
第7章 低温冻结岩石细观结构的CT识别
7.1 低温冻结作用对岩石细观结构损伤的影响分析
7.1.1 低温冻结作用对孔隙岩石的影响
7.1.2 低温冻结作用对裂隙岩石的影响
7.2 低温饱和冻结岩石CT扫描试验
7.2.1 试验条件及扫描过程
7.2.2 CT扫描试验结果及分析
7.2.3 冻结岩石CT图像的特征分析
7.3 低温冻结作用对岩石细观结构的损伤分析
7.3.1 基于伪彩色增强技术的分析
7.3.2 基于CT数直方图技术的分析
7.3.3 基于三值化分割技术的分析
7.3.4 基于边缘检測技术的分析
参考文献
第8章 冻结过程中岩石细观结构及水冰含量分析
8.1 体视学原理
8.1.1 体视学概况
8.1.2 体视学基本构成关系
8.1.3 冻结岩石细观结构参数计算公式
8.2 基于体视学原理的冻结过程岩石细观结构参数定量计算
8.2.1 冻结岩石细观结构参数随温度变化情况描述
8.2.2 冻结岩石细观结构参数统计及分析
8.3 冻结过程岩石内水冰含量理论表达及验证
8.3.1 未冻水含量与温度关系的热力学理论
8.3.2 水冰含量与温度关系的理论公式
8.3.3 基于CT扫描试验结果的水冰含量理论分析验证
8.3.4 冻结岩石內冰膨胀力与温度关系理论表达式
参考文献
第9章 温度-荷载联合作用下岩石宏-细观损伤力学特性
9.1 岩石细观力学理论基础
9.2 荷载作用下冻结岩石宏-细观损伤本构模型建立
9.2.1 基于细观力学的冻结岩石等效弹性模量
9.2.2 单轴压缩荷载作用下冻结岩石损伤本构关系
9.2.3 荷载作用下冻结岩石宏一细观损伤本构模型的建立
9.3 模型验证
9.3.1 荷载作用下冻结岩石损伤变量特性分析
9.3.2 荷载作用下冻结岩石损伤本构模型验证
参考文献
第10章 基于数字图像数值分析方法(DIP-FEM)的冻结岩石损伤特性
10.1 数字图像数值分析法(DIP-FEM)
10.2 冻融页岩温度场分布规律及损伤特性的DIP.FEM分析
10.2.1 页岩二维细观结构图形几何矢量化
10.2.2 基于DIP-FEM方法的冻融页岩温度场分布规律探讨
10.3 冻结过程中岩石损伤力学特性的DIP.FEM分析
10.3.1 冻结岩石CT图像的三维重建
10.3.2 冻结过程中岩石损伤力学特性数值试验
10.3.3 冻结过程中岩石温度场分布规律及损伤特性分析
10.3.4 冻结岩石冰膨胀力及受荷峰值强度随温度演化规律数值分析
参考文献
图版
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