真三轴应力作用下均质岩石局部化变形带的数字表征
后印本
Digital Representation of Localized Deformation Bands in Homogeneous Rock under True Triaxial Stress
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作者：
夏立原
1
孟范宝
1,2
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作者单位：
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提交时间：2025-07-21 15:08:55
摘要: 在深部复杂应力场中，岩石体内部微裂纹演化与局部变形集中的非均匀行为，是诱发岩爆、滑移破坏等灾变事件的关键机制。在图像分析中，结构是否易于识别，很大程度上取决于其尺度、边界清晰度和灰度对比度。相较之下，压实带因其尺度微小、边缘模糊、灰度对比弱，成为了图像识别和提取的一大难点。尤其在真三轴应力状态下，应力路径扰动增强，传统分割方法对这类结构的提取更显不足。为解决这一问题，本文以Bleurswiller均质砂岩为研究对象，在四组典型真三轴应力条件（σ₁=σ₂=60MPa，σ₂=60MPa/σ₃=40MPa，σ₂=80MPa/σ₃=40MPa，σ₂=80MPa/σ₃=60MPa）下开展高分辨率工业CT扫描，并建立标准图像预处理流程（中值滤波、边缘裁剪、灰度归一化等），确保图像质量稳定可比。在图像分析方面，首先采用局部孔隙度分析方法与K-means聚类对图像进行初步分割，标定潜在变形带的位置与大致轮廓。在此基础上，引入变异系数（COV）指标，构建“局部孔隙度–COV”联合特征模型，结合滑动窗口提取的空间非均匀性特征，进一步提升对细小压实结构的识别精度。最终，通过形态学操作（腐蚀–膨胀–连通域分析）对聚类结果进行空间优化，显著增强了提取结构的边界清晰度与整体连贯性，构建出可视性较好的变形带图谱。实验结果表明，该方法在多组应力状态下均能稳定提取出狭窄、低对比度的压实带区域，平均轮廓系数（Silhouette coefficient，衡量聚类结构紧致性与类间分离度的指标）达0.79，三维重构结果与宏观试验观察结果一致。研究为高应力下岩石局部结构的数字表征提供了可推广的新路径，对图像智能解析与工程岩体评估具有一定参考价值。
版本历史
| [V1] |
2025-07-21 15:08:55 |
ChinaXiv:202507.00390V1
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