1、第23卷第2期西安科技學(xué)院學(xué)報Vol.23No.22003年6月JOURNAL OF XI AN UN IV ERSIT Y OF SCIENCE AND TECHNOLO GYJ un.2003文章編號:1671-1912(200302-0139-04凍結(jié)溫度對巖石細(xì)觀損傷特性的影響楊更社1,2,張全勝1,2,蒲毅彬2(1.西安科技學(xué)院建筑與土木工程學(xué)院,陜西西安710054;2.中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所凍土工程國家重點實驗室,甘肅蘭州730000摘要:巖石凍融過程的細(xì)觀損傷研究是近年來凍融問題研究的一個新方向。巖石中的水分一般含有各種鹽分,而鹽分的存在降低了水的冰點,同時巖石本身

2、的結(jié)構(gòu)構(gòu)造和力學(xué)性能也有差異性,這就使得巖石的凍結(jié)問題更為復(fù)雜。作者主要采用3種不同巖樣,首先使其飽水,然后將其分別降低到0,-10,-20,利用區(qū)段劃分的手段和區(qū)段統(tǒng)計頻率分析損傷演化過程。這對寒區(qū)巖土工程的研究具有重要的意義。關(guān)鍵詞:凍融循環(huán);CT 掃描;巖石損傷力學(xué)中圖分類號:TU 452文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A0引言在寒區(qū)巖土工程中,由于季節(jié)更替,晝夜循環(huán)的溫度差異對巖體尤其是強度較低、含水率較高的軟巖體力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生重要的影響。在西部寒區(qū)的鐵路、公路、隧道以及土木建筑、水利與礦山建設(shè)與營運過程中,凍融問題一直困擾著廣大巖土工程工作者1。盡管經(jīng)過巖土工作者們的不斷努力,也取得了一定的成績,但這些研

3、究多集中在溫度效應(yīng)對巖石宏觀力學(xué)性能方面的研究,而對巖石溫度效應(yīng)下細(xì)觀方面的研究似乎更能揭示問題的本質(zhì)。作者僅就不同溫度對巖體結(jié)構(gòu)的影響,從損傷力學(xué)的角度,運用CT 掃描實驗研究不同凍結(jié)溫度下巖體內(nèi)部損傷的擴展機理、水分的遷移、冰的形成,相信會對寒區(qū)巖體工程的研究具有積極的促進(jìn)作用。圖1CT 掃描層位圖Fig.1CT scanning sections of rock sample 1實驗概況本次實驗選用采自銅川礦區(qū)的3種巖樣:每種巖樣一塊,共3塊,每個巖樣均采用國際標(biāo)準(zhǔn)試件,即尺寸為:50mm 100mm 。實驗于2002年12月14日至2002年12月17日在中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研

4、究所凍土工程國家重點實驗室進(jìn)行。實驗采用由日本SHIMADEN (導(dǎo)電公司最新設(shè)計的FP 21型工業(yè)調(diào)節(jié)器對冷浴進(jìn)行溫度控制。該儀器精度為0.1級,是一種智能化的性能較為先進(jìn)的儀器,最多可進(jìn)行81步編程。細(xì)觀損傷結(jié)構(gòu)的檢測部分采用該室先進(jìn)的SIEM ENS SOMA TOM plus 型X 射線螺旋CT 機,其空間分辨率為0.35mm 0.35mm ,可識別的最小體積為0.12mm 3,密度對比分辨率為0.3%(3Hu ,掃描條件為:電壓120V ,電流315mA ,層厚5mm ,間隔20mm ,每次掃描時掃4個層面,層面間隔20mm (圖1。具體實驗過程如下:稱取巖樣質(zhì)量;對巖樣進(jìn)行烘干,烘

5、干溫度為105,烘干時間為24h ,稱取收稿日期:2003-03-23基金項目:國家自然科學(xué)基金項目(10072047;凍土工程國家重點實驗室基金項目(200104作者簡介:楊更社(1962-,男,陜西武功人,博士后,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事巖土力學(xué)與工程方面的教學(xué)與科研工作.041西安科技學(xué)院學(xué)報2003年烘干后巖樣的質(zhì)量,測出其天然含水率;對烘干后的巖樣進(jìn)行CT掃描,這樣可得到干巖樣初始損傷的CT圖像、CT數(shù)均值和方差,掃描時可一次掃描一組3個巖樣,所用模型為自制木質(zhì)模型架,使每次掃描的結(jié)果具有可比性;將烘干后的巖樣進(jìn)行飽水,飽水時間為24h,溫度為室溫,飽水后進(jìn)行CT掃描實驗,觀測由于

6、水的補給所帶來的巖樣CT圖像、CT值和方差變化;在24h內(nèi)使巖樣環(huán)境溫度由20勻速降低到0,用CT裝置掃描觀察巖樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化;在12h內(nèi)再使巖樣環(huán)境由0勻速降低到-10,用CT裝置掃描,觀察巖樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化;在12h內(nèi)使溫度由-10勻速降低到-20,掃描,觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化。2CT分析方法巖石類材料在溫度效應(yīng)下的細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化可能差異很小,其中的信息可能會由于定位不夠精確或其他噪聲而被掩蓋。在這種情況下,CT定性分析方法較難應(yīng)用,即使是常規(guī)的定量分析方法也顯得力不從心。因此,在前人研究的基礎(chǔ)上,介紹一種更為精確定量的CT分析方法。為了方便起見,以中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所凍土工程國家重點

7、實驗室引進(jìn)的SIEM ENS SOMA TOM plus型X射線螺旋CT機為例來加以說明。CT裝置的均值范圍一般為-1024 3071,即對該CT裝置來說,無論物質(zhì)的密度大小如何,對射線的吸收能力強弱如何,由其吸收系數(shù)運算所得的CT均值都在此范圍內(nèi)。為了排除干擾,要對均值范圍進(jìn)行分區(qū),即對均值范圍-10243071進(jìn)行人為地劃分區(qū)段。對每個層面分區(qū)為:選取截面的圓心為圓心,以截面半徑的一半為半徑作出的圓區(qū)域為感興趣區(qū)1,整個截面為感興趣區(qū)2。感興趣區(qū)有各種各樣的集合形狀,在掃描層面上,可以人為地圈定,如圓、橢圓、多邊形等。其實前面提到的CT均值和方差都是針對某一感興趣區(qū)而言的。CT均值范圍的區(qū)

8、段劃分是這樣的:針對某一感興趣區(qū)輸入CT均值的上限和下限,且上限必須大于下限。CT裝置會自動搜索出該感興趣區(qū)內(nèi)均值在該上下限內(nèi)的區(qū)域,同時以高亮度顯示,并且還給出該區(qū)域的面積,稱之為區(qū)段面積。以該區(qū)域面積除以感興趣區(qū)的面積,乘以100%即可得到以百分?jǐn)?shù)表示的該區(qū)段統(tǒng)計頻率。統(tǒng)計頻率的大小即表示CT數(shù)在該上下限范圍內(nèi)的面積所占整個感興趣區(qū)面積的比重。一個上下限表示一個CT均值的區(qū)段,整個CT均值范圍劃分多少區(qū)段視研究的精確程度而定。分析在外部環(huán)境作用下各區(qū)段統(tǒng)計頻率的分布變化,就可以知道巖石損傷擴展的情況。研究中用的是三區(qū)段劃分法,即把整個CT均值范圍劃分為3個區(qū)段。感興趣區(qū)內(nèi)有兩個重要的CT

9、指標(biāo):均值A(chǔ)和方差B。A+B=C1,A-B=C2,一般情況下C1和C2并不是整數(shù),C1位于整數(shù)C11和C12之間,C2位于整數(shù)C21和C22之間。于是3個區(qū)段分別為區(qū)段1:-1024C11,區(qū)段2:C12C21和區(qū)段3:C223071。由區(qū)段上下限搜索出區(qū)段面積,并進(jìn)而計算出統(tǒng)計頻率。當(dāng)然3個區(qū)段統(tǒng)計頻率的和為100%。一般來說,任何一個區(qū)段統(tǒng)計頻率的變化都會牽動其他區(qū)段統(tǒng)計頻率的變化。按上面的劃分,把感興趣區(qū)位于區(qū)段1內(nèi)的面積稱為低密區(qū),相應(yīng)地位于區(qū)段2和區(qū)段3內(nèi)的面積稱為中密區(qū)和高密區(qū),把各區(qū)段內(nèi)面積的變化稱為遷移,如果低密區(qū)面積不變,而中密區(qū)面積減少,高密區(qū)面積增加,則稱之為中密區(qū)向高密

10、區(qū)發(fā)生了遷移。另外,還可以把區(qū)段統(tǒng)計頻率分為低密區(qū)統(tǒng)計頻率、中密區(qū)統(tǒng)計頻率和高密區(qū)統(tǒng)計頻率。進(jìn)行材料的細(xì)觀分析時,首先看感興趣區(qū)內(nèi)整體均值的變化。均值的變化大體上可以反映損傷擴展的過程。當(dāng)然,如果材料本身的擴展不是很明顯,再加上定位誤差或其他方面的干擾時,CT數(shù)可能顯得比較雜亂無序,這時就需要分析各區(qū)段統(tǒng)計頻率的變化規(guī)律。3實驗結(jié)果分析首先分析在不同凍結(jié)溫度條件下硬巖的擴展規(guī)律。由于硬巖本身的含水率小,強度高,人的視覺分辨能力有限,所以凍結(jié)后的各層面的變化幾乎無法察覺;CT設(shè)備的精確性也決定了其更容易受到外界環(huán)境的影響,所以不用常規(guī)的CT均值和方差分析法,而是另僻蹊徑,進(jìn)行區(qū)段劃分,采用區(qū)段統(tǒng)

11、計頻率來分析。以巖石內(nèi)層面各區(qū)段的CT統(tǒng)計頻率變化規(guī)律(圖2為例進(jìn)行說明。由圖2可以看出,在飽水后,低密區(qū)統(tǒng)計頻率迅速下降,中密區(qū)統(tǒng)計頻率迅速上升,而高密區(qū)統(tǒng)計頻率則變化不大。這表明巖石飽水后,孔隙充滿水,大量的低密區(qū)成為中密區(qū);而高密區(qū)主要受巖石顆粒本身的控制,但也稍受到孔隙水分的影響。在凍結(jié)到0時,低密區(qū)段統(tǒng)計頻率基本保持不變,而中密區(qū)段統(tǒng)計頻率降低,高密區(qū)段統(tǒng)計頻率則上升。這說明在凍結(jié)過程中由于含水量少,所以巖石的收縮占據(jù)主導(dǎo)地位。巖石收縮密度增大,產(chǎn)生了負(fù)損傷,部分低密區(qū)成為高密區(qū)而使得高密區(qū)統(tǒng)計頻率增加;當(dāng)溫度降低到-10時,低密區(qū)段統(tǒng)計頻率降低,中密區(qū)段統(tǒng)計頻率有所上升,而高密區(qū)段

12、統(tǒng)計頻率則變化不大;當(dāng)溫度進(jìn)一步降低時,巖石材料進(jìn)一步收縮,另一方面由于水中一般都含有一定的鹽類礦物質(zhì),使得巖石中的水分在溫度降低到0時有相當(dāng)?shù)牟糠植粫Y(jié)成冰,溫度降到-10時又有更多的水分凝結(jié)成冰,兩方面共同作用,結(jié)果巖石收縮稍占上風(fēng),使得巖石中密區(qū)段統(tǒng)計頻率上升;當(dāng)溫度進(jìn)一步降低到-20時,中低密區(qū)段統(tǒng)計頻率下降,而高密區(qū)段統(tǒng)計頻率上升,說明由于少量鹽類礦物質(zhì)的存在,在溫度降到-10時,水已經(jīng)大部分凝結(jié)成冰,在-20時水分中幾乎沒有可凝結(jié)的,因此巖石收縮占據(jù)主導(dǎo)地位,導(dǎo)致巖石密度增大,高密區(qū)段統(tǒng)計頻率上升,而中低密區(qū)段統(tǒng)計頻率下降。圖2銅川硬巖內(nèi)層面(-40感興趣區(qū)1(2.66內(nèi)統(tǒng)計頻率

13、變化Fig.2The statistic frequency variable of Tongchuan hard rock in the interesting zone NO.1(2.66of the inner sample (-40其次,分析不同凍結(jié)溫度條件下次硬巖的擴展規(guī)律。從CT 圖像上很難看出差別。在飽水后,巖石各區(qū)段的統(tǒng)計頻率變化和硬巖基本一樣(圖3,即低密區(qū)段統(tǒng)計頻率降低,中密區(qū)段統(tǒng)計頻率上升,而高密區(qū)段統(tǒng)計頻率稍有上升,且比硬巖上升的幅度稍大。在凍結(jié)到0時,低密區(qū)段統(tǒng)計頻率大幅度上升,中密區(qū)段統(tǒng)計頻率大幅度降低,而高密區(qū)段統(tǒng)計頻率也降低,但幅度較小。這主要跟巖石本身的結(jié)構(gòu)有

14、關(guān)。該巖樣存在節(jié)理,而且飽水后水分大部分存在節(jié)理層面內(nèi),很容易散失,在降溫過程中,大部分水分在溫度達(dá)到0前就已經(jīng)散失掉了,因此巖石低密區(qū)段統(tǒng)計頻率上升,而高中密區(qū)段統(tǒng)計頻率降低。進(jìn)一步降溫到-10,-20時,主要是巖石的收縮占主導(dǎo)地位,從曲線也可以看出低密區(qū)段統(tǒng)計頻率下降,而高中密區(qū)段統(tǒng)計頻率有所上升。再次,分析不同凍結(jié)溫度條件下軟砂巖內(nèi)部的水分遷移、顆粒重組、水冰相變和CT 統(tǒng)計頻率的規(guī)律。飽水后各階段的統(tǒng)計頻率和前兩種巖樣一樣,下面僅分析飽水凍結(jié)后的變化。從圖4可以看出軟砂巖從飽水后到凍結(jié)溫度0,-10,-20時高密區(qū)段統(tǒng)計頻率逐漸增加,低密區(qū)段統(tǒng)計頻率逐漸下降,而中密區(qū)段的統(tǒng)計頻率變化不

15、大,但總體也呈現(xiàn)下降的趨勢。這說明隨著凍結(jié)溫度的降低,軟砂巖的密度增加。其原因是軟砂巖離散性較大,而顆粒間孔隙連通性高,降溫凍結(jié)的過程中巖石孔隙中的水分已經(jīng)散失殆盡,由于軟砂巖顆粒間的粘結(jié)力很弱,一旦孔隙水分失去,巖石顆粒如同失去骨架一樣,小顆粒填充大顆粒間的孔隙,軟巖變得密實,同時軟巖顆粒本身也會由于溫度降低而收縮,所以高密區(qū)段統(tǒng)計頻率上升。4結(jié)論由以上分析結(jié)果可以看出,凍融溫度對巖石損傷的擴展作用是一個很復(fù)雜的過程。這跟巖石本身的顆?；瘜W(xué)組成、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、物理力學(xué)性能和溫度的高低都有關(guān)系。對于孔隙率低、閉合程度較高、強度較高的硬巖,在凍結(jié)過程中顆粒也以收縮為主,且溫度越高收縮得越厲害。對于存

16、在節(jié)理面的次硬巖,由于在凍結(jié)到0時巖石大量水的散失,使密度降低,爾后在降溫到-10,-20時由于巖石的收縮作用,所以密度略有增加。對于孔隙率和含水率較高、密度和強度較低的軟弱巖石,在降溫過程中,由于孔隙水排出很快,所以主要是顆粒重組,原來被水充滿的體積后來被顆粒填充,密度增大,而且隨著溫度的降低巖石顆粒收縮,所以也會造成密度增大。141第2期楊更社等凍結(jié)溫度對巖石細(xì)觀損傷特性的影響 圖3銅川次硬巖內(nèi)層面(-40感興趣區(qū)1(2.66內(nèi)統(tǒng)計頻率變化Fig.3The statistic frequency variable of Tongchuan hard rockin the interesti

17、ng zone NO.1(2.66of the inner sample (-40圖4銅川軟砂巖內(nèi)層面(-40感興趣區(qū)1(2.66內(nèi)統(tǒng)計頻率變化Fig.4The statistic frequency variable ofTongchuan soft sand rock in the interesting zoneNO.1(2.66of the inner sample (-40參考文獻(xiàn):1楊更社,張長慶.凍融循環(huán)條件下巖石損傷擴展研究初探J .西安科技學(xué)院學(xué)報,2000,20(1:1-5.2楊更社,蒲毅彬,馬巍.寒區(qū)凍融環(huán)境條件下巖石損傷擴展研究探討J .實驗力學(xué),2002,17(2:2

18、20-226.3徐學(xué)祖,鄧友生.凍土中水分遷移的實驗研究M .北京:科學(xué)出版社,1991.4楊更社,張長慶.巖體損傷及檢測M .西安:陜西科學(xué)技術(shù)出版社,1998.On the microdamage characteristics of rockunder the frost and tha w conditionsYAN G G eng 2she 1,2,ZHAN G Quan 2sheng 1,2,PU Y i 2bin 2(1.School of A rchitect ure and Civil Engi neeri ng ,Xi an U niversity of Science a

19、nd Technology ,Xi an 710054,Chi na ;2.S tate Key L aboratory of Frozen Soil Engi neeri ng ,Col d A nd A ri d Envi ronmental Research Instit ute ,CA S ,L anz hou 730000,Chi na Abstract :The damage study of rock under the freezing and thawing is a new topic.The water in the rock contains all kinds of salts ,which lowers th