，，，

(1.中國地質(zhì)大學(xué) 工程學(xué)院，武漢 430074;

2.長江科學(xué)院 a.水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;b.服務(wù)中心,武漢 430010)

1 研究背景

近年來，許多研究者應(yīng)用CT技術(shù)對(duì)巖石的破裂過程進(jìn)行了研究，自從Withjack[1]在20世紀(jì)80年代后期將CT掃描技術(shù)應(yīng)用于地質(zhì)材料特性研究以來，CT掃描技術(shù)便開始廣泛地應(yīng)用于地學(xué)和巖土工程領(lǐng)域的研究。楊更社等[2-3]分析了巖石CT圖像的CT數(shù)分布特征，即無裂隙時(shí)CT數(shù)直方圖呈現(xiàn)單峰曲線特點(diǎn)，有裂隙或空洞發(fā)育時(shí)直方圖呈現(xiàn)多峰曲線特點(diǎn)。葛修潤等[4]利用三軸加載設(shè)備進(jìn)行了三軸和單軸壓縮下的煤巖試件細(xì)觀損傷擴(kuò)展情況的CT動(dòng)態(tài)即時(shí)掃描試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了不卸載掃描，從細(xì)觀尺度上證實(shí)了巖石的疲勞破壞存在門檻值。丁衛(wèi)華[5-6]提出了CT尺度裂紋的概念。仵彥卿等[7]研究了巖石CT尺度小裂縫擴(kuò)展與滲流特性，提出了基于CT數(shù)的巖石孔隙率公式，得到巖石小裂紋的起裂門檻值因巖石強(qiáng)度差異而不同的結(jié)論。任建喜等[8-9]研究了砂巖在三軸或單軸荷載作用下破壞全過程的細(xì)觀損傷擴(kuò)展規(guī)律，從理論上推導(dǎo)出密度損傷增量的概念，實(shí)現(xiàn)了對(duì)巖石密度損傷的定量描述，建立了巖石體積變形與密度損傷增量的定量關(guān)系。

巖石CT雖已取得多方面的成果，但在巖石CT本身的發(fā)展方面并不完善，如利用CT實(shí)驗(yàn)研究巖石的初始受損程度對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響及實(shí)時(shí)探測巖石在不同受載條件下內(nèi)部裂紋的變化擴(kuò)展過程等方面的研究成果還比較少。本文采用CT掃描技術(shù)研究軟巖(黏土巖以下同)和硬巖(大理巖以下同)初始損傷后對(duì)其單軸抗壓強(qiáng)度的影響。本試驗(yàn)中計(jì)算機(jī)斷面x-射線CT測試采用長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的Somatom CT系統(tǒng)、德國西門子公司生產(chǎn)的Sensation 40型醫(yī)用螺旋CT機(jī)，空間分辨率40層。巖石CT數(shù)的定量分析為進(jìn)一步把CT數(shù)和巖石損傷變量聯(lián)系起來，為定量分析奠定了基礎(chǔ)[2]。CT數(shù)越大，巖樣受損程度越?。籆T數(shù)越小，巖樣受損程度越大。用CT對(duì)所取得的巖樣進(jìn)行掃描，每個(gè)巖樣從頂部到底部均勻間隔選取約5個(gè)掃描橫斷面，獲得巖樣不同橫斷面上的CT數(shù)分布。對(duì)每個(gè)斷面上的CT數(shù)分布按同心圓(如圖1，一般3～4個(gè))，從內(nèi)到外進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)參數(shù)包括統(tǒng)計(jì)每個(gè)同心圓內(nèi)的平均CT數(shù)和CT數(shù)方差，再根據(jù)各同心圓內(nèi)平均CT數(shù)的大小及其CT數(shù)方差的大小，初步確定巖樣的損傷范圍及相對(duì)損傷程度。限于篇幅，本文只對(duì)軟硬巖巖樣的最外圈CT數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 黏土巖初始受損的CT試驗(yàn)成果

試驗(yàn)選擇黏土巖進(jìn)行CT掃描研究，通過不同的保護(hù)條件使試驗(yàn)區(qū)的巖石受到不同程度的損傷。

2.1 天然敞露保護(hù)試驗(yàn)區(qū)受損巖樣CT掃描成果

天然敞露保護(hù)試驗(yàn)區(qū)的巖樣為自然受損，圖2(a)是該保護(hù)試驗(yàn)區(qū)開挖1 m后各巖樣統(tǒng)計(jì)圓內(nèi)CT數(shù)平均值的分布情況，圖2(b)是該區(qū)開挖1 m且自然放置4個(gè)月后各巖樣最外圈統(tǒng)計(jì)圓內(nèi)CT數(shù)平均值的分布情況。其CT橫斷面圖、縱剖面圖、透視圖見圖2(c)—2(d)。分析結(jié)果表明，巖樣內(nèi)圈的平均CT數(shù)總是低于外圈的平均CT數(shù)，開挖1 m且自然放置4個(gè)月后的巖樣的平均CT數(shù)明顯低于開挖1 m后即時(shí)取巖樣的CT平均數(shù)，說明長時(shí)間的風(fēng)化作用使該試驗(yàn)區(qū)的巖樣受損。且開挖1 m后所取得的各個(gè)巖樣平均CT數(shù)相差不大，這說明同一深度所取的巖樣初始損傷的程度一樣；巖樣受損程度隨深度的增加無顯著變化。除了檢測巖石材料橫斷面的損傷，還進(jìn)行了縱截面的損傷檢測，并給出了縱剖面圖和透視圖，這樣可以方便地研究損傷分布的各向異性特性，見圖2(a)和2(b)。

2.2 干濕循環(huán)劣化試驗(yàn)區(qū)受損巖樣CT掃描成果

通過對(duì)該試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行風(fēng)干和泡水的干濕交替循環(huán)處理，從而使該試驗(yàn)區(qū)的巖石初始受損。圖3(a)是該試驗(yàn)區(qū)開挖1 m且自然放置4個(gè)月后最外圈統(tǒng)計(jì)圓內(nèi)CT數(shù)平均值的分布情況，圖3(b)中是干濕循環(huán)試驗(yàn)區(qū)開挖1 m且自然放置4個(gè)月后的CT橫斷面圖、縱剖面圖、透視圖。分析結(jié)果表明，該試驗(yàn)區(qū)開挖1 m且自然放置4個(gè)月后所取得的各個(gè)巖樣平均CT數(shù)相差不大，這說明巖樣受損的程度隨深度無顯著變化。

2.3 混凝土保護(hù)試驗(yàn)區(qū)巖石受損CT掃描成果

圖4(a)是混凝土保護(hù)試驗(yàn)區(qū)開挖1 m且自然放置4個(gè)月后巖樣統(tǒng)計(jì)圓內(nèi)CT數(shù)平均值的分布情況，圖4(b)是該區(qū)開挖1 m且自然放置4個(gè)月后的CT橫斷面圖、縱剖面圖、透視圖。分析結(jié)果得到，混凝土保護(hù)試驗(yàn)區(qū)開挖1 m且自然放置4個(gè)月后所取得的各個(gè)巖樣平均CT數(shù)相差不大，這說明巖樣受損的程度隨深度無顯著變化。

2.4 損傷程度不同的巖石單軸抗壓強(qiáng)度比較分析

圖2 開挖1 m天然敞露試驗(yàn)區(qū)CT數(shù)分布、CT橫斷面圖、縱剖面圖及透視圖

圖3 開挖1 m且放置4個(gè)月干濕循環(huán)試驗(yàn)CT數(shù)分布、CT橫斷面圖、縱剖面圖及透視圖

圖4 開挖1 m且放置4個(gè)月混凝土保護(hù)試驗(yàn)區(qū)CT數(shù)分布、CT橫斷面圖、縱剖面圖及透視圖

通過比較天然敞露保護(hù)試驗(yàn)區(qū)受損程度相同的巖塊CT掃描試驗(yàn)結(jié)果得知，天然敞露試驗(yàn)區(qū)開挖1 m且自然放置4個(gè)月后的初始受損巖樣的平均CT數(shù)明顯低于開挖1 m后即時(shí)取巖樣的CT平均數(shù)，見圖2(a)與圖2(b)，這說明長時(shí)間的風(fēng)化作用加劇了巖樣的受損程度，圖2(d)中的巖樣受損程度明顯比圖2(c)的巖樣受損劇烈。這與室內(nèi)的巖石力學(xué)性質(zhì)結(jié)果也是一致的，天然敞露試驗(yàn)區(qū)開挖1 m且自然放置4個(gè)月后巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度逐漸減小，即巖樣隨著長時(shí)間的風(fēng)化，其受損加劇。

通過比較3個(gè)試驗(yàn)區(qū)的CT掃描結(jié)果得到，混凝土保護(hù)試驗(yàn)區(qū)巖樣的CT平均數(shù)最高，天然敞露試驗(yàn)區(qū)的次之，干濕循環(huán)試驗(yàn)區(qū)的最低，受損程度大小與室內(nèi)的巖石力學(xué)性質(zhì)結(jié)果一致，混凝土保護(hù)試驗(yàn)區(qū)巖塊的單軸抗壓強(qiáng)度最高，天然敞露試驗(yàn)區(qū)的次之，干濕循環(huán)試驗(yàn)區(qū)的最低，這說明CT數(shù)高，受損程度低，對(duì)應(yīng)的巖石單軸抗壓強(qiáng)度也高，反之亦然。試驗(yàn)表明黏土巖在不同受損程度下其單軸強(qiáng)度變化呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。巖石的CT數(shù)與其單軸抗壓強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 巖石的CT數(shù)與其單軸抗壓強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)表

3 大理巖初始受損的CT試驗(yàn)成果

試驗(yàn)選擇硬巖中的大理巖，通過取樣方式的不同以致巖樣受損。分別對(duì)C孔、D孔、Y孔3個(gè)鉆孔進(jìn)行不同方式的取樣，其中C孔和D孔進(jìn)行無損取樣，Y孔進(jìn)行常規(guī)取樣?，F(xiàn)場無損取樣采用套鉆取樣技術(shù)，即解除被采樣區(qū)巖體的應(yīng)力，但這種解除過程是逐漸可控的。具體是:先在現(xiàn)場選定取樣區(qū)域，利用鉆孔、切削等方式沿取樣區(qū)形成封閉的邊界，解除取樣區(qū)域巖體的應(yīng)力;然后采用鉆孔的方式在該區(qū)域內(nèi)獲得巖芯；最后分別對(duì)這些巖樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)以獲取單軸抗壓強(qiáng)度。

3.1 大理巖無損取樣和常規(guī)取樣的CT掃描成果

圖5中橫坐標(biāo)代表各組巖樣的編號(hào)，從圖5中可以看到，除個(gè)別巖樣外(2號(hào))，C孔和D孔各統(tǒng)計(jì)圓上的平均CT數(shù)都要明顯大于Y孔巖樣，且從C,D兩孔中所取得的各個(gè)巖樣平均CT數(shù)相差不大，而Y孔中所取得的巖樣則波動(dòng)很大，表明巖樣個(gè)體差別較大，這說明無損取樣C,D兩孔中的巖樣初始損傷的程度明顯比Y孔巖樣低。統(tǒng)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，巖樣的內(nèi)圈和次內(nèi)圈也表現(xiàn)出和外圈、中圈類似的規(guī)律，說明Y孔巖樣整個(gè)都受到了較為嚴(yán)重的取樣損傷。通過對(duì)無損取樣孔和常規(guī)取樣孔所取得的巖樣的CT掃描分析，可以初步認(rèn)為，巖樣中圈(即cir3,從cir1往里計(jì)數(shù))以內(nèi)的部分較少地受到取樣損傷的影響。

圖5 統(tǒng)計(jì)圓內(nèi)CT數(shù)平均值的分布

3.2 大理巖無損取樣和常規(guī)取樣的單軸抗壓強(qiáng)度

基于MTS815巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，一共進(jìn)行7個(gè)巖樣(包括無損取樣和常規(guī)取樣)的單軸壓縮試驗(yàn)，從而獲取其單軸抗壓強(qiáng)度。從表2可以看到，無損取樣的大理巖單軸抗壓強(qiáng)度在95.2～107.6 MPa之間，平均值為98.4 MPa。常規(guī)取樣大理巖的單軸抗壓強(qiáng)度在95.4～96.3 MPa之間，平均值為95.9 MPa。這與CT試驗(yàn)結(jié)果是一致的，無損取樣的大理巖CT數(shù)和單軸抗壓強(qiáng)度值均高于常規(guī)取樣的大理巖的CT數(shù)和單軸抗壓強(qiáng)度值。體現(xiàn)了巖石初始受損程度影響其單軸抗抗壓強(qiáng)度值。巖石的CT數(shù)與其單軸抗壓強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2。

表2 初始受損程度不同巖樣的單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 語

本文采用CT掃描的研究手段研究軟巖(黏土巖)和硬巖(大理巖)的初始受損程度對(duì)其單軸抗壓強(qiáng)度的影響。軟巖受損是通過不同的保護(hù)條件改變巖樣所在試驗(yàn)區(qū)的場地條件使巖石受到損傷，硬巖受損是通過取樣方式的不同致使巖樣受損。CT掃描試驗(yàn)表明巖石初始受損程度對(duì)巖石單軸抗壓強(qiáng)度有重要影響。受損程度越低，CT數(shù)就表現(xiàn)出越高，對(duì)應(yīng)的巖石強(qiáng)度就越高，反之，受損程度越大，CT數(shù)就表現(xiàn)出越低，對(duì)應(yīng)的巖石強(qiáng)度就越低。

(1) 通過分析軟巖在天然敞露試驗(yàn)區(qū)、干濕循環(huán)試驗(yàn)區(qū)以及混凝土3種不同保護(hù)條件下試驗(yàn)區(qū)受損巖樣的CT掃描試驗(yàn)成果，得知天然敞露試驗(yàn)區(qū)開挖1 m且自然放置4個(gè)月后的巖樣的平均CT數(shù)明顯低于開挖后1 m后即時(shí)取巖樣的CT平均數(shù)，這說明巖樣的受損程度受長時(shí)間的風(fēng)化作用的影響；通過比較天然敞露保護(hù)區(qū)、干濕循環(huán)保護(hù)區(qū)及混凝土保護(hù)區(qū)不同深度處巖塊的CT掃描試驗(yàn)成果，結(jié)果表明巖樣受損程度隨深度的增加無顯著變化。且混凝土保護(hù)區(qū)巖樣的CT平均數(shù)最高，天然敞露試驗(yàn)區(qū)的次之，干濕循環(huán)試驗(yàn)區(qū)的最低，受損程度不同的黏土巖CT平均數(shù)呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。

(2) 通過分析硬巖由于不同取樣方式致使巖樣受損的CT掃描試驗(yàn)成果得知：采用無損取樣的巖樣初始損傷的程度明顯比常規(guī)取樣的巖樣初始損傷程度低；巖石的初始受損程度影響其力學(xué)性質(zhì)單軸抗壓強(qiáng)度。無損取樣的大理巖CT數(shù)和單軸抗壓強(qiáng)度值均高于常規(guī)取樣的大理巖的CT數(shù)和單軸抗壓強(qiáng)度值。

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