摘 要：為深入認(rèn)識黃土高原地區(qū)砒砂巖干燥時堅如磐石、遇水后潰散泥化的微觀機(jī)理，對不同粒度砒砂巖原狀試樣進(jìn)行三軸剪切試驗和CT掃描，獲取不同粒度砒砂巖的強(qiáng)度特征和微結(jié)構(gòu)特征，并分析了砒砂巖孔徑的分布特點。結(jié)果表明：砒砂巖試樣的抗剪強(qiáng)度隨粒度增大而降低，試樣的峰值強(qiáng)度與固結(jié)圍壓存在良好的線性關(guān)系;由CT掃描得到的砒砂巖二維圖像顯示不同粒度試樣的孔隙形態(tài)非常復(fù)雜;從三維重構(gòu)模型的統(tǒng)計結(jié)果發(fā)現(xiàn)砒砂巖平均孔隙半徑隨砒砂巖粒徑的增大而升高;砒砂巖的強(qiáng)度存在明顯的粒度效應(yīng)，砒砂巖粒度大小決定了內(nèi)部孔隙的分布情況，進(jìn)而引起強(qiáng)度的改變。

關(guān)鍵詞：砒砂巖;粒度;孔隙;抗剪強(qiáng)度;三軸試驗;CT掃描

中圖分類號：TU43;S157.1?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.014

Study on Triaxial Strength Characteristics and Microstructure of the Arsenic

Sandstone

LIU Yaping

（School of Architecture， Zhengzhou Shengda Economics and Management College， Zhengzhou 451191， China）

Abstract：In order to further understand the microscopic mechanism of arsenic sandstone which is hard as rock in dry state and muddy in water， triaxial shear test and CT scan test were carried out for obtaining the strength characteristics and microstructure characteristics of arsenic sandstones in different grain grades. The results show that the strength of sandstone sample decreases with the increase of grain size in triaxial shear test. There is a good linear relationship between peak strength and consolidation confining pressure. The two-dimensional and three-dimensional reconstruction images of sandstone samples can be obtained by CT scanning. It is found that the porosity and average pore radius of sandstone increase with the increase of particle size. The strength of sandstone has obvious “particle size effect”. The smaller the particle size of arsenic sandstone， the smaller its porosity， and thus the higher the strength.

Key words： arsenic sandstone; particle size; pore; shear strength; triaxial shear tests; CT scanning

我國黃土高原北部地區(qū)分布的砒砂巖，是一種由厚層砂巖、頁巖和泥質(zhì)砂巖組成的互層狀陸相碎屑巖系[1-3]，是由各種砂粒堆積、膠結(jié)在一起的風(fēng)化沉積巖，其顆粒直徑通常為0.062 5～2 mm [4-5]。砒砂巖由于成巖程度低、顆粒膠結(jié)強(qiáng)度弱、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度小，遇水后容易發(fā)生潰散和泥化現(xiàn)象，且易受風(fēng)化剝蝕，因此造成嚴(yán)重的水土流失危害[6]。受長年物理風(fēng)化的影響，砒砂巖內(nèi)部孔隙非常發(fā)育，研究砒砂巖孔隙結(jié)構(gòu)的分布對于分析砒砂巖強(qiáng)度特性和物理特性有重要意義，可以為深入了解其相關(guān)物理力學(xué)性質(zhì)提供重要參考。目前，對于砒砂巖力學(xué)和微觀結(jié)構(gòu)，相關(guān)學(xué)者已開展了廣泛研究，例如：李長明等[7]研究了砒砂巖的顆粒組成、結(jié)構(gòu)幾何特點和相關(guān)物理特征，并提出了砒砂巖的水蝕潰散機(jī)理;李明玉等[8]對砒砂巖的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行了試驗研究;陳溯航等[9]通過壓汞試驗研究了含水率與凍融循環(huán)效應(yīng)對砒砂巖微觀結(jié)構(gòu)的影響;吳利杰等[10]采用顯微攝像和圖像分析技術(shù)對砒砂巖進(jìn)行微結(jié)構(gòu)特征分析，得到了抗壓、抗拉強(qiáng)度與顆粒分維數(shù)的關(guān)系。

以往的研究成果側(cè)重于砒砂巖的力學(xué)特性，對于利用新型微觀測試手段研究其內(nèi)部特性的研究還比較少見。近年來，隨著圖像分析技術(shù)和流體模擬方法的發(fā)展，研究巖石的多孔結(jié)構(gòu)特點成為一個熱點[11-12]。砒砂巖作為一種多孔介質(zhì)，其滲透特性取決于內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)，其力學(xué)特性也與孔隙結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。X射線計算機(jī)斷層掃描技術(shù)（CT）作為一種無損檢測技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域的三維幾何形狀檢測，非常適合巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)觀測，可以在不損壞試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的前提下直接獲得樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)空間分布狀況。因此，本研究通過三軸剪切試驗和X射線計算機(jī)斷層掃描（CT），獲取砒砂巖的強(qiáng)度指標(biāo)和孔隙結(jié)構(gòu)狀況，探討不同粒徑級別砒砂巖的抗剪強(qiáng)度和孔隙結(jié)構(gòu)特點，旨在為深入認(rèn)識黃土高原地區(qū)砒砂巖干燥時堅如磐石、遇水后潰散泥化的微觀機(jī)理提供參考。

1 試驗方法

1.1 試 樣

試驗材料為鈣質(zhì)砒砂巖，取自鄂爾多斯盆地北部杭錦旗砒砂巖裸露區(qū)地表。取樣地位于黃土高原北部，為新華夏構(gòu)造體系，地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜，北東方向展布明顯的褶皺斷裂。區(qū)域內(nèi)的砒砂巖不僅出露在溝谷中，而且大量分布于地表和坡面上，其巖性為礫巖、砂巖及泥巖，交錯層理發(fā)育，顏色混雜。

采用探槽取樣的方式進(jìn)行取樣，將砒砂巖裸露區(qū)的原狀砒砂巖進(jìn)行切塊、包裝并運輸至實驗室，按照試驗要求加工成直徑50 mm、高100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試樣。根據(jù)顆粒級配分析進(jìn)行巖樣顆粒級別劃分，其中：粗粒砒砂巖的中值粒徑dm=2.21 mm，中粒砒砂巖的中值粒徑dm=0.97 mm，細(xì)粒砒砂巖的中值粒徑dm=0.46 mm。分別取粗粒、中粒和細(xì)粒砒砂巖試樣進(jìn)行物理力學(xué)試驗，樣品的表觀圖片見圖1。

1.2 三軸剪切試驗

利用應(yīng)變控制式巖石三軸加載系統(tǒng)對試樣進(jìn)行剪切試驗，圍壓設(shè)為5、10、15、20 MPa四級，剪切速率設(shè)為0.001 0 mm/min，得到開始加載至試樣破壞的應(yīng)力應(yīng)變曲線。試驗時，首先安裝試樣，再向壓力腔內(nèi)注水;然后施加固結(jié)圍壓，控制加壓速率保持0.05 MPa/s直到圍壓值基本穩(wěn)定;最后對砒砂巖試樣施加軸向壓力進(jìn)行剪切，控制剪切過程中的軸向變形速率保持在0.01 mm/min。

1.3 CT掃描

使用高精度微米CT掃描儀進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀測，其電壓和電流參數(shù)分別為140 kV和330 mA，掃描精度為0.03 mm。經(jīng)過掃描，每個樣本得到約800張橫截面圖像。CT掃描的方法和過程：將樣品放置在載物臺上慢速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過程中CT掃描儀發(fā)射的X射線穿透樣品進(jìn)行掃描，掃描的結(jié)果經(jīng)過灰度值檢測器過濾，利用圖像采集裝置得到二維斷面圖像。為了保證被測樣本內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精確量化，采用MATLAB圖形處理工具箱對所有橫截面圖像進(jìn)行預(yù)處理[13]。由于巖石顆粒和孔隙密度的差異很大，所以通過圖像灰度閾值來區(qū)分固相和孔隙相[14]，本研究采用自動分割閾值方法，利用計算機(jī)自動對灰度值進(jìn)行統(tǒng)計，從而將圖像按照二值化進(jìn)行區(qū)域分割。掃描圖片的成像像素為2 048×2 048，對于直徑為50 mm的柱狀樣，像素分辨率約為50 mm/2 048=24.4 μm，達(dá)到了亞微米級精度。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 試樣的微觀形貌

掃描電子顯微鏡（SEM）在放大200倍的情況下得到的3種粒度砒砂巖圖像見圖2，可以看出，砒砂巖表面棱角分明、節(jié)理清晰，微觀結(jié)構(gòu)主要呈顆粒狀，隨著顆粒粒徑的減小，顆粒的密實程度有所提高，粗粒砒砂巖顆粒之間的孔隙清晰可見，中粒砒砂巖的孔隙規(guī)模明顯減小，而細(xì)粒砒砂巖顆粒排列緊密、孔隙微小。

2.2 強(qiáng)度試驗結(jié)果

常規(guī)三軸剪切試驗所得3種粒度砒砂巖的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線見圖3，可以看出，不同圍壓下樣品的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線總體趨勢相似，圍壓越大線性變形階段的斜率越大，說明圍壓的增加提高了砒砂巖試樣的剛度，而當(dāng)圍壓超過15 MPa后，線性變形階段的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線隨圍壓增加的變化不再明顯，表明當(dāng)圍壓值大于15 MPa后，巖石內(nèi)部的原生缺陷充分閉合。從峰值應(yīng)力的分布情況可以看出，細(xì)粒和中粒砒砂巖的軸向變形量比較接近，但粗粒砒砂巖的軸向變形量相對于細(xì)粒和中粒試樣明顯偏小。總體上，當(dāng)三軸剪切試驗的固結(jié)圍壓相同時，砒砂巖試樣的強(qiáng)度隨粒度增大而降低;對于同一粒度砒砂巖試樣，其抗剪強(qiáng)度隨固結(jié)圍壓的上升而增加，見圖4，不同砒砂巖試樣三軸抗剪強(qiáng)度與固結(jié)圍壓的線性擬合相關(guān)系數(shù)（R）均達(dá)到或超過了0.98。

2.3 CT掃描結(jié)果

2.3.1 掃描圖像

從CT掃描的結(jié)果中提取一系列二維圖像，稱為切片，切片存儲所有平面上的X射線衰減系數(shù)。通常，將CT數(shù)作為灰度值記錄在灰度圖像中，利用MATLAB軟件的圖像處理功能對圖像灰度進(jìn)行分割。由于巖石組成的密度差異明顯，因此孔隙和巖石顆?？梢酝ㄟ^各自的CT數(shù)識別：低CT數(shù)表示孔隙（黑色），高CT數(shù)表示高密度礦物（白色），見圖5（A、B、C為試樣編號，分別代表粗粒、中粒、細(xì)粒砒砂巖試樣），可以看出孔隙的形狀多為不規(guī)則多邊形，具體形態(tài)非常復(fù)雜。

將巖樣的二維掃描切片按順序堆疊，組成三維模型，利用三維圖像分析軟件image J實現(xiàn)模型的重構(gòu)。以中粒砒砂巖為例，重構(gòu)結(jié)果如圖6所示，可以看出砒砂巖內(nèi)部的孔隙形狀、尺寸各異，各孔隙相互之間的連通性不高，且孔隙分布具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性?？紫兜倪B通方向，客觀上決定了其在剪切過程中內(nèi)部的裂隙發(fā)育趨勢。

2.3.2 孔隙分布特征

由每個孔隙包含像素的數(shù)量，求出每個孔隙面積、體積（以三維模型中孔隙的體積為依據(jù)區(qū)分微小孔隙和大中孔隙，樣品中體積≥50 mm3的孔隙為大中孔隙，反之則為微小孔隙）及所有孔隙總面積占圖像面積的百分比，結(jié)果統(tǒng)計見表1，可以看出，隨著試樣顆粒粒徑的增大，孔隙所占百分比、大中孔隙數(shù)量和孔隙總體積明顯增加，體現(xiàn)了顆粒粒徑對樣品孔隙分布的影響。

從孔隙統(tǒng)計結(jié)果可以得到圖7所示樣品孔徑分布頻率曲線（其中：縱坐標(biāo)為孔隙分布的頻率;橫坐標(biāo)為孔隙的等效半徑，定義為孔隙等效為球體的半徑），可以看出不同試樣隨孔隙尺寸增大，孔徑的分布頻率不同：試樣C（細(xì)粒砒砂巖）孔徑分布頻率出現(xiàn)了單一峰值，峰值頻率為46.5%，其對應(yīng)的等效半徑小于0.5 mm;試樣B（中粒砒砂巖）孔徑分布頻率同樣存在單峰，峰值頻率為36.2%，對應(yīng)的等效半徑為0.78 mm;試樣A（粗粒砒砂巖）孔徑分布頻率存在2個峰值，對應(yīng)的等效半徑分別為0.45、1.64 mm，表明相對于粒徑較小的砒砂巖，粗粒試樣中孔隙尺寸較大，大中孔隙所占的比例較高。造成這種現(xiàn)象的原因是粗粒砒砂巖內(nèi)部的孔徑分布范圍更廣，小孔隙的分布頻率相對其他砒砂巖偏小，但是大孔隙的分布頻率明顯更高，即粗粒砒砂巖內(nèi)部的小孔隙與大孔隙同時占據(jù)了較大的比例。

2.4 強(qiáng)度與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系

從不同粒度砒砂巖的三軸剪切試驗和CT掃描結(jié)果來看，砒砂巖抗剪強(qiáng)度與其粒度有明顯的關(guān)系，粒度越大強(qiáng)度相對越低，這種粒度效應(yīng)本質(zhì)上是由不同粒度試樣微觀結(jié)構(gòu)的差異引起的[15]。粗粒砒砂巖的內(nèi)部孔隙含量最多，孔徑分布頻率存在2個峰值，說明內(nèi)部孔隙的尺寸較大，且大中孔隙所占的比例較高，孔隙分布特點影響了在剪切過程中顆粒之間摩擦力的發(fā)揮，使得試樣整體抵抗剪切的能力下降。在相同圍壓下砒砂巖粒度越小，其內(nèi)部顆粒排列越緊密、顆粒間的孔隙越小，試樣的強(qiáng)度就越高。

3 結(jié) 論

（1）砒砂巖的強(qiáng)度具有明顯的粒度效應(yīng)，即強(qiáng)度隨粒度增大而降低，同一粒度砒砂巖的抗剪強(qiáng)度與固結(jié)圍壓存在良好的線性關(guān)系。

（2）應(yīng)用X射線計算機(jī)斷層掃描技術(shù)即CT掃描技術(shù)，獲得了不同粒度砒砂巖孔隙的二維圖像和三維孔隙模型，對掃描結(jié)果的統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)砒砂巖平均等效孔隙半徑隨著顆粒粒徑的增大而增加。

（3）砒砂巖強(qiáng)度存在粒度效應(yīng)，原因是砒砂巖內(nèi)部孔隙的規(guī)模隨顆粒尺寸減小而降低，使砒砂巖致密程度提高，從而提高了其強(qiáng)度。

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【責(zé)任編輯 張智民】

收稿日期：2018-12-15

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（41472115）

作者簡介：劉亞萍（1984—），女，甘肅天水人，講師，碩士，研究方向為建筑材料

E-mail：lang374@163.com