CN107037064B - 基于ct动态扫描的岩石损伤断裂细观演化三维重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CT动态扫描的岩石损伤断裂细观演化三维重构方法，包括以下步骤：S1，制作三维重构所需要的试样材料；S2，将所述步骤S1制成的试样放在RMT伺服试验机上，并架设多排CT机；S3，将所述步骤S2的试样进行荷载试验，并通过数据采集通道获得CT值；S4，将所述步骤S3的CT数据进行处理并重构，实现试样损伤断裂细观演化动态过程的三维重构。本发明通过对试样破坏的实时扫描，得到裂隙生成扩展三维动态演化过程，进而帮助研究人员更加直观地观测到试样的破坏过程；相对于理论推导公式和相似材料等方法得到的数据，CT扫描损伤重构得到的参数更加精确，也更让人信服。

Description

基于CT动态扫描的岩石损伤断裂细观演化三维重构方法

技术领域

本发明涉及基于CT动态扫描的岩石损伤断裂细观演化三维重构方法，属于岩石混凝土损伤断裂细观演化三维重构的方法。

背景技术

随着我国基础建设的推进和发展，如大型水利、隧道交通等国家重大工程都开始进行大规模建设，但与此同时，许多问题也随之而来，人们在尝试解决这些问题时，也逐渐开始从细观尺度来解释不同外部环境下岩石混凝土的破坏机制问题，如岩石混凝土在细观尺度上的损伤断裂演化问题。

在研究岩石混凝土的损伤断裂演化问题中，许多学者都根据不同方向提出解决办法，如在理论上，有应变等效性假说、表观弹塑性损伤以及加卸载响应比等方法来表征介质损伤程度，但是由于损伤力学只适用于连续介质力学，而断裂力学则用于非连续介质力学，因此在理论上对岩石混凝土损伤断裂全过程演化的阐述存在一定的不足；在实验室中，则利用透明岩石等相似材料来观察其裂纹扩展情况，该方法虽然能够直观观测透明材料的内部裂隙演化过程，但由于采用相似材料，因此在定量描述上会存在一定误差。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于CT动态扫描的岩石损伤断裂细观演化三维重构方法，通过对试样破坏的实时扫描，得到裂隙生成扩展三维动态演化过程，进而帮助研究人员更加直观地观测到试样的破坏过程。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种基于CT动态扫描的岩石损伤断裂细观演化三维重构方法，包括以下步骤：

S1，制作三维重构所需要的试样材料；

S2，将所述步骤S1制成的试样放在RMT伺服试验机上，并架设多排CT机；

S3，将所述步骤S2的试样进行荷载试验，并通过数据采集通道获得CT值；

S4，将所述步骤S3的CT数据进行处理并重构，实现试样损伤断裂细观演化动态过程的三维重构。

作为优选，所述步骤S1包含：

S1.1，制作三维重构所需的试样材料，柱体或方体试样均可，注意根据CT机探测器的排数和扫描层之间的距离来确定试样的轴向长度，若是过长，会导致各层之间的距离过大，在三维重构时容易造成失真，一般而言，试样轴向长度L＝(n-1)·Δ，其中n为CT机探测器的排数，Δ为层间距。

作为优选，所述步骤S2包含：

S2.1，将所述步骤S1中制成的试样放在RMT伺服试验机上，并对RMT伺服试验机相关试验参数进行调试；

S2.2，架设多排CT机X线束发生器和探测器，相邻的探测器之间通过弹性体黏结，相邻的X线束发生器之间也通过弹性体黏结，一端的线束发生器和探测器通过挡板与RMT伺服试验机连接，并进行调试，与数据采集通道连接，探测器沿Z轴方向依次排列即可。

作为优选，所述步骤S3包含：

S3.1，对所述步骤2中的试样进行荷载试验，由于在进行荷载试验时，试样会发生轴向变形，因此需要调节探测器位置以确定其扫描断面保持不变，可以在各探测器之间用弹性体黏结，探测器的两端位置与试样上下两端保持一致，当试样发生变形时，试样上下两端变形带动探测器两端变形，通过弹性体的连接，进而带动其他探测器移动，虽然试样的不均匀性会导致其各部位变形不规律，但是考虑到试样变形范围不大，因此探测器的微变形偏差可以忽略不计；

S3.2，将CT扫描得到的CT数通过数据采集通道传送到计算机系统，并进行处理，处理方法如下

d(x,y,z)＝1-[h(x,y,z)+1000]/[maxh(x,y,z)+1000]

式中d为破损度，h为CT数，x,y,z为空间坐标点。破损度d介于0与1之间，值越大破损度越大。由于CT扫描时获取的信息量较大，因此对计算机运算速度要求比较高。

作为优选，所述步骤S4包含：

S4.1，将所述步骤S3的CT数据进行图像处理，处理工具采用MATLAB，首先对各层采集图像进行二值化，再利用边缘检测算子Canny算子对CT图像进行边缘检测和提取，通过计算处理，得到各层坐标数据；

S4.2，对同一时间段的各层的坐标数据按探测器顺序依次进行累加，累加间距为探测器初始设置间距，进而得到各层坐标数据的Z轴坐标值，经程序计算输出得到三维模型；

S4.3，再对各个三维模型按时间顺序进行排列，可以观察到试样从完整到破坏过程中，在细观尺度上微裂隙从生成到扩展的三维动态演化过程，从而为岩石混凝土的破坏机理研究提供有效的参考。

有益效果：本发明的基于CT动态扫描的岩石损伤断裂细观演化三维重构方法，通过对试样破坏的实时扫描，得到裂隙生成扩展三维动态演化过程，进而帮助研究人员更加直观地观测到试样的破坏过程；相对于理论推导公式和相似材料等方法得到的数据，CT扫描损伤重构得到的参数更加精确，也更让人信服；损伤断裂参数可以将试验观测到的裂隙数和面积等参数来直接定量描述试样的损伤程度，这要比理论推导计算得到的数据更贴近实际。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明一种基于CT动态扫描的岩石损伤断裂细观演化三维重构方法的装置示意图。

图3为本发明一种基于CT动态扫描的岩石损伤断裂细观演化三维重构方法的装置俯视图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于剖面塑形法的混凝土骨料结构特征拾取方法，该结构特征拾取方法包含：

S1，制作三维重构所需要的试样材料，该步骤S1包含：

S1.1，制作三维重构所需的试样材料2，本发明示意图以柱体为例，注意根据CT机探测器3的排数和扫描层之间的距离来确定试样的轴向长度，若是过长，会导致各层之间的距离过大，在三维重构时容易造成失真，一般而言，试样轴向长度L＝(n-1)·Δ，其中n为CT机探测器3的排数，Δ为层间距。

S2，将所述步骤S1制成的试样放在RMT伺服试验机上，并架设多排CT机，如图2所示，该步骤S2包含：

S2.1，将所述步骤S1中制成的试样2放在RMT伺服试验机承台6上，将RMT伺服试验机上部荷载端头5下移至试样2上，通过RMT伺服试验机的控制台调节上部荷载端头5至合适位置，并对相关试验测量装置一并调试；

S2.2，架设多排CT机的X线束发生器1和探测器3，发生器1用于产生X线束4，探测器3用于接收发生器1产生的X线束4，当X线束4穿过试样2时，部分线束会被试样2吸收，线束4被探测器3接收后，产生信号。由于试样破坏时存在缺陷，因此不同位置的不同缺陷会导致探测器3接收到的线束有所差异，从而辨别不同试样损伤破坏形态。之后再进行调试和与数据采集通道连接，由于X线束4可穿透岩石混凝土材料，所以这里的CT机不采用螺旋式扫描，因此只需探测器3沿Z轴方向依次排列即可。

S3，将所述步骤S2的试样进行荷载试验，并通过数据采集通道获得CT值，该步骤S3包含：

S3.1，对所述步骤2中的试样2进行荷载试验，由于在进行荷载试验时，试样会发生轴向变形，因此需要调节探测器位置以确定其扫描断面保持不变，在各探测器之间用弹性体7黏结，通过挡板8带动探测器的两端位置与试样上下两端保持一致，当试样发生变形时，试样上下两端挡板8发生位移带动探测器两端变形，通过弹性体7的连接，进而带动其他探测器移动，虽然试样的不均匀性会导致其各部位变形不规律，但是考虑到试样变形范围不大，因此探测器的微变形偏差可以忽略不计；

S3.2，将CT扫描数据通过数据采集通道传送到计算机系统，由于CT扫描时获取的信息量较大，因此对计算机运算速度要求比较高。

S4，将所述步骤S3的CT数据进行处理并重构，实现试样损伤断裂细观演化动态过程的三维重构，该步骤S4包含：

S4.1，将所述步骤S3的CT数据进行图像处理，处理工具采用MATLAB，首先对各层采集图像进行二值化，再利用边缘检测算子Canny算子对CT图像进行边缘检测和提取，通过计算处理，得到各层坐标数据；

S4.2，对同一时间段的各层的坐标数据按探测器顺序依次进行累加，累加间距为探测器初始设置间距，进而得到各层坐标数据的Z轴坐标值，经程序计算输出得到三维模型；

S4.3，再对各个三维模型按时间顺序进行排列，可以观察到试样从完整到破坏过程中，在细观尺度上微裂隙从生成到扩展的三维动态演化过程，从而为岩石混凝土的破坏机理研究提供有效的参考。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于CT动态扫描的岩石损伤断裂细观演化三维重构方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，制作三维重构所需要的试样材料，试样轴向长度L＝(n-1)·Δ，其中n为CT机探测器的排数，Δ为层间距；

S2，将所述步骤S1制成的试样放在RMT伺服试验机上，并架设多排CT机：

S2.1，将所述步骤S1中制成的试样放在RMT伺服试验机上，并对RMT伺服试验机相关试验参数进行调试；

S2.2，架设多排CT机X线束发生器和探测器，相邻的探测器之间通过弹性体黏结，相邻的X线束发生器之间也通过弹性体黏结，一端的线束发生器和探测器通过挡板与RMT伺服试验机连接，并进行调试，与数据采集通道连接，探测器沿Z轴方向依次排列即可；

S3，将所述步骤S2的试样进行荷载试验，并通过数据采集通道获得CT值；

S4，将所述步骤S3的CT数据进行处理并重构，实现试样损伤断裂细观演化动态过程的三维重构。

2.根据权利要求1所述的基于CT动态扫描的岩石损伤断裂细观演化三维重构方法，其特征在于，所述步骤S3包含：

S3.1，对所述步骤S2中的试样进行荷载试验；

S3.2，将CT扫描得到的CT数通过数据采集通道传送到计算机系统，并进行处理，处理方法如下

d(x,y,z)＝1-[h(x,y,z)+1000]/[maxh(x,y,z)+1000]

式中d为破损度，h(x,y,z)为空间某一点的CT数，x,y,z为空间坐标点，破损度d介于0与1之间，值越大破损度越大，由于CT扫描时获取的信息量较大，因此对计算机运算速度要求比较高。

3.根据权利要求1所述的基于CT动态扫描的岩石损伤断裂细观演化三维重构方法，其特征在于，所述步骤S4包含：

S4.1，将所述步骤S3的CT数据进行图像处理，处理工具采用MATLAB，首先对各层采集图像进行二值化，再利用边缘检测算子Canny算子对CT图像进行边缘检测和提取，通过计算处理，得到各层坐标数据；

S4.2，对同一时间段的各层的坐标数据按探测器顺序依次进行累加，累加间距为探测器初始设置间距，进而得到各层坐标数据的Z轴坐标值，经程序计算输出得到三维模型；

S4.3，再对各个三维模型按时间顺序进行排列，可以观察到试样从完整到破坏过程中，在细观尺度上微裂隙从生成到扩展的三维动态演化过程，从而为岩石混凝土的破坏机理研究提供有效的参考。

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