開采擾動土體微觀結構變異規律

于廣云，朱旦育，盛平

(1. 中國礦業大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇 徐州，221008；2. 中國礦業大學 力學與建筑工程學院，江蘇 徐州，221008；3. 海門市政府投資項目工程建設中心，江蘇 海門，226100)

土的微觀結構力學性質研究是 21世紀土力學的核心問題[1]。長期的工程實踐表明：土的微細觀結構是影響土體工程性質最本質的物質因素。李順群等針對特定黏土樣本，建立了微觀結構參數和宏觀力學現象之間的定量關系[2]。周健等[3]利用數碼可視化跟蹤技術進行了室內細觀模型試驗，從微觀層面研究土與土工合成材料界面顆粒旋轉規律。已有的土體微觀研究主要以天然狀態的原狀土為研究對象，而對于開采擾動土體的微觀試驗研究尚不深入?，F有的對開采擾動地基土體的研究工作，主要集中在土體物理力學性質的變化規律上。Litwinowicz[4]對受地下深度為250 m、厚度為1.6 m的煤層開采影響的地表土體進行了強度試驗研究。Grabowski[5]發現開采作用下隨著拉應變的增加，土體的黏聚力顯著減小，但內摩擦角與應變無關；劉忠洪[6]研究發現地基受采動影響引起地基強度的變化，是由土體中的孔隙比ef等因素變化而引起的。王立波[7]得出擾動應力比和黏聚力的關系。于廣云[8]指出土體發生垂直移動變形的過程也是土體干密度發生變化的過程，土體密度的變化率與擾動率相關。而對于高強度開采條件下受開采擾動土體的微觀結構研究尚不深入。因此，從微觀角度研究地下開采活動對土體的擾動影響具有一定的意義。為此，本文作者通過室內模擬試驗來研究開采擾動對地基土體微觀結構的影響規律，為建立開采擾動土體微觀結構參數和宏觀物理力學性質之間的關系提供依據。

1 實驗室模擬開采擾動土體的微觀試驗

土體應力路徑的改變直接導致采動區地表土體物理力學性質的變化[9]，由開采擾動土體應力路徑可以看出，開采擾動土體變形主要是在側向加卸載情況下發生的。本文采用KH-3000VD數字式三維視頻顯微系統，對3種不同側向加卸載擾動應力狀態下的粉質黏土土樣進行數字式顯微拍照，本試驗放大倍數為150倍。

1.1 試驗土樣

試驗土樣為直徑為39.1 mm和高度為80 mm的圓柱形試樣，其物理力學性質如表1所示。

表1 土樣的物理力學性質Table 1 Physical and mechanical properties of soil samples

1.2 土樣應力狀態模擬

本次試驗土樣的原始應力狀態的模擬采用 K0固結模擬，靜止測壓力系數 K0為 0.46。設初始圍壓為200 kPa，土樣的初始應力狀態為(435，200) kPa。通過側向加卸載實現擾動應力狀態的模擬，卸載等級由卸載強度確定，加載等級由擠長強度和初始損傷應力確定。

由圖1可得側向卸載強度為σa=125 kPa，故土體的卸載等級為Δσx=(σx-σx)/3=25 kPa；由圖2可得土體的損傷門檻值σp=515 kPa及擠長強度σd=365 kPa，故土體的加載等級為 Δσx=(σp-σd)/3=50 kPa。

圖1 側向卸載應力應變曲線Fig.1 Lateral unloading stress—strain curve

圖2 擠長試驗ε-lgσ曲線Fig.2 Extension tests ε-lgσ curve

卸載過程保持軸向應力不變，對側向應力進行逐級卸載：(435，200) kPa→(435，175) kPa→(435，150)kPa。加載過程保持軸向應力不變，對側向應力進行逐級加載：(435，200) kPa→(435，365) kPa→(435，415)kPa→(435，465) kPa。

2 開采擾動土體微觀結構試驗圖像數據分析

2.1 開采擾動土樣微觀結構圖像處理

通過計算機軟件Matlab和PhotoCrack對圖像進行圖像預處理和圖像分割。圖像的預處理就是對圖像進行對比度調整，亮度調整，銳化調整和局部增強；圖像分割主要是對圖像進行邊緣檢測，輪廓提取和灰度閾值分割[10-11]。土樣微觀結構圖像經過二值化處理后得到的圖像，如圖3所示。

2.2 獲取擾動土體微觀結構定量參數

土體的工程性質實質上就是土體結構單元體性質的綜合表現，而結構單元體的性質又在很大程度上取決于土粒集合體甚至是更小的單粒礦物的性質。在這種意義上講，土體的微結構性質具有較為明顯的分形特征[12-13]。

Moore等[14]在研究顆粒形態時，引用了Voss關于存在分形特征砂土試樣的顆粒形態的研究成果[15]，即如果試樣顆粒形態存在分形特征，則圖像中顆粒的等效周長與面積之間存在關系：

式中：P為圖像中任一個多邊形的等效周長；A為與之對應的多邊形的等效面積；C為常數；D為顆粒形態的分形維數[16]。通過計算機軟件 Matlab和PhotoCrack，得到開采擾動土樣微觀圖像中顆粒的等效面積與周長，并繪制出顆粒的等效面積與周長雙對數曲線如圖4所示，并可將這些數據點擬合成直線，由式(1)可得出土樣微觀圖像中顆粒形態的分形維數是該直線斜率的2倍。

本研究引入擾動應力比Δσ3/σ3作為擾動程度，計算分析可得土樣微觀結構中孔隙與顆粒單元的相關定量參數：孔隙面積、孔隙面積百分比、顆粒面積和顆粒面積百分比，如表2所示。

圖3 擾動土樣微觀結構二值化圖像Fig.3 Microstructure binary image of disturbed soil samples

表2 擾動土樣微觀結構參數與擾動程度關系Table 2 Relationship between disturbed soil samples, microstructure parameters and disturbing degree

圖4 顆粒等效面積與周長的雙對數曲線Fig.4 Double logarithmic curve of particle equivalent area and perimeter

3 開采擾動土體微觀參數變化

由表2可以看出：隨著土體側向擾動程度的增加，孔隙面積所占的百分比有所增大，而顆粒面積百分比有所降低，同時顆粒的分布分維數亦有所下降。

3.1 側向卸載擾動程度與微觀參數關系分析

圖5所示為側向卸載擾動程度與顆粒分布分維關系圖。由圖5可以看出：粉土的微觀結構參數顆粒分布分維隨著側向卸載擾動程度的不斷增大有所減小，并且微觀結構參數顆粒分布分維數變化程度較大。卸載擾動程度從0增大到0.25，而顆粒分布分維減小了0.022。圖6所示為側向卸載擾動程度與孔隙比關系圖。由圖6可以看出：粉土的孔隙比隨著側向卸載擾動程度的不斷增大有所增大，并且孔隙比變化程度較大。卸載擾動程度從0增大到0.25，而孔隙比增加了0.17。

圖5 側向卸載擾動程度與顆粒分布分維關系圖Fig.5 Relationship between lateral unloading disturbance degree and grain distribution fractal dimension

圖6 側向卸載擾動程度與孔隙比關系圖Fig.6 Relationship between lateral unloading disturbance degree and void ratio

3.2 側向加載擾動程度與微觀參數關系分析

圖7 所示為側向加載擾動程度與顆粒分布分維關系圖。由圖7可以看出：粉土的微觀結構參數顆粒分布分維隨著側向加載擾動程度的不斷增大有所減小，并且微觀結構參數顆粒分布分維數變化程度較大。加載擾動程度從0.825增大到1.325，而顆粒分布分維的減小0.070。圖8所示為側向加載擾動程度與孔隙比關系圖。由圖8可以看出：粉土的孔隙比隨著側向加載擾動程度的不斷增大有所增大，并且孔隙比變化程度較大。加載擾動程度從0.825增大到1.325，而孔隙比的增加0.41。

圖7 側向加載擾動程度與顆粒分布分維關系圖Fig.7 Relationship between lateral loading disturbance degree and grain distribution fractal dimension

圖8 側向加載擾動程度與孔隙比關系圖Fig.8 Relationship between lateral loading disturbance degree and void ratio

4 結論

(1) 土體在側向卸載擾動條件下，顆粒分布分維隨著側向卸載擾動程度的不斷增大而有所減小，并且顆粒分布分維數變化程度并不大；孔隙比隨著側向卸載擾動程度的增加有所增大，且孔隙比變化較小。

(2) 土體在側向加載擾動條件下，顆粒分布分維隨著側向加載擾動程度增大而減?。豢紫侗入S著側向加載擾動程度的增大有所增大，且孔隙比變化程度較大。

(3) 土體在側向擾動條件下，側向加載擾動試樣的微觀結構參數(顆粒分布分維和孔隙比)變化程度較側向卸載大。

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