基于边缘检测的含缺陷岩石裂纹扩展分析

梁放，宋学，肖颖，张雪娟，郭伟，卢志堂

（合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽 合肥 230009）

0 前言

岩石作为一种天然的非均质材料，其内部含有许多孔洞、裂隙等缺陷。岩石材料内部缺陷类型、几何分布等对其力学特性有重要影响[1-3]。近年来，研究人员对含缺陷岩石的强度、变形特性及其破裂演化规律等进行了大量的研究，取得了可喜的成果。伍天华等[4]采用数字图像相关（DIC）技术，并结合PFC2D构建了含孔-隙的类岩石试样，研究了岩石孔-隙相互作用机制。赵程等[5]分析了单轴压缩下含裂隙岩石裂纹扩展及其损伤演化特性。牛亮等[6]对含天然微裂隙岩石进行了单轴压缩、劈裂试验，利用SEM研究了含微裂隙岩石的劈裂力学特性和微观结构。袁媛等[7]对含充填裂隙大理石进行研究，分析了裂纹起裂、扩展及贯通的特征。徐丽海等[8]利用DIC技术对类岩石材料进行单轴压缩，研究了裂纹扩展及岩体细观损伤演化过程。

由上可知，已有研究多关注单一裂隙或孔洞对岩石力学性能影响。然而，岩石中存在多种类型缺陷，缺陷相互作用及对岩石力学性质的影响规律有待研究。为此，文章对含缺陷（裂隙和孔洞）的类岩石材料（石膏）进行单轴压缩试验，并利用边缘检测追踪裂纹扩展路径，探究孔洞和裂隙相互作用及对其力学性质的影响规律。

1 试验介绍

1.1 试样制备

采用速凝石膏制成试样，其中石膏粉与水质量比为1∶0.35，该石膏的物理力学参数见表1所列。试样尺寸为100 mm×40 mm×10 mm（长×宽×高）。所用模具和及含缺陷试样见图1所示。在模具预定位置嵌入铁片和圆柱筒，待石膏初凝后拔出，就可以形成贯穿试样的预制裂隙和圆孔。其中铁片长度为14 mm、厚度为0.1 mm；圆筒直径为12 mm。裂纹倾角θ分别为 15°、45°、75°。

石膏物理力学参数

1.2 主要步骤

①架设高清摄像机，对压缩作用下试样的变形破裂全过程进行图像实时采集；

②开启压力机进行单轴压缩试验，控制加载速率为10 N/s，直至试样破坏；

③利用Free Video to JPG Converter软件将视频文件进行处理，提取有代表性的图片，分析裂纹扩展特征。

2 试验结果与分析

2.1 含孔洞试样

图2给出了含单一孔洞试样的破裂形态及素描图。可以看出，试样经单轴压缩后，其孔洞中心上下部位附近各自扩展出两条拉伸裂纹。整体上来看，两条拉伸裂纹均近似沿着加载方向扩展到试样上下端部。

2.2 含孔洞和裂隙试样

为便于追踪裂纹扩展路径，将制备的试样涂黑，而加载后形成的裂纹区域为白色，这样可以保证裂纹清晰可辨，见图3a所示（以θ=75°为例）。将该照片经过罗伯茨交叉边缘检测处理，可以准确识别裂纹位置，见图3b所示。从图中可以看出，边缘检测处理后的图片，其裂纹分布与照片相吻合，这表明文章采用的处理方法能够准确追踪裂纹扩展路径。下面将根据边缘检测结果，分析倾角对裂纹扩展的影响。

图2 试样破坏形态和素描图

图4展示了含不同角度预置裂隙试样裂纹扩展过程。θ=15°时（图4a），裂纹先出现于试样裂隙下端，随加载进行，原有裂纹继续扩展，向下传播至试样底端，孔洞上下端并未明显开裂，仅在左上方有局部开裂。θ=45°时（图4b），裂纹先出现于试样孔洞左侧，为剥落裂纹，然后孔洞左上方产生局部开裂，孔洞下端产生狭长裂纹，并向试样底部扩展。θ=75°时（图4c），孔洞边缘下侧出现裂纹，随加载进行，原有裂纹沿加载方向朝试样下端部扩展，同时裂纹上端也出现扩展裂纹，并向顶端传播。综上所述，当预置裂隙角度较小时（θ=15°），裂隙主导内部裂纹开裂过程，孔洞对岩石破裂影响较小。当θ≥45°时，孔洞主导内部裂纹开裂过程，扩展裂纹最终沿着加载方向扩展到试样端部。这表明试样的起裂形态、裂纹搭接过程及其最终破坏形式等则与预置裂隙的倾角密切相关。

3 结论

单轴压缩时，只含孔洞的试样裂纹扩展方向与加载方向一致，裂纹由拉应力引起。而对于含裂隙与孔洞的试样，试样预置裂隙角度对裂纹的扩展路径有重要影响，当倾角为15°时，内部裂纹开裂过程受裂隙主导，当θ≥45°时，扩展裂纹主要从孔洞下端出现，并传播到试样端部。

图3 边缘检测处理前后图对比

图4 含不同角度预置裂隙试样裂纹扩展过程