深部人工凍土CT試驗分析方法研究

吉海軍

(西安職業技術學院建筑工程系，陜西西安 710077)

今后20年我國很多煤礦都將進入到1 000 m～1 500 m的開采深度，深部人工凍土的力學性狀研究對深部凍結鑿井工程穩定性具有重要意義。我國已建成的最深凍結立井工程之一——巨野礦區郭屯礦702 m凍結立井工程，布置主、副、風三個井筒，三井筒均采用凍結法施工。試驗土樣就取自郭屯礦主井580 m深處。CT技術(Computerized Tomography，計算機層析識別技術)主要基于射線與物質的相互作用原理，通過投影重建方法獲取被檢測物體的數字圖像。CT無損檢測不破壞試驗樣品的整體性，且能在試驗加載全程對樣品不同斷面進行多次檢測，能真實反應凍土內部微結構變化，是研究深部人工凍土加載條件下內部結構演化的有效手段。Matlab軟件能提取掃描圖像中每一點的灰度值，對土顆粒、冰晶及空隙成分進行統計分析。

1 深部人工凍土試樣CT力學試驗

將所取土樣按《土工試驗方法標準》配制成20%，25%和32%三種不同含水率的試驗土樣，并分別制成φ32 mm×48 mm的圓柱體試樣，在冰柜中恒負溫凍結。

1．1 空氣和冰成分灰度值界定試驗

試驗先對土樣中的空氣和冰成分進行界定，確定空氣和冰的灰度值范圍。通過在試樣中心挖出一個圓形孔洞，孔洞中為空氣或為注水后凍結成的冰，將凍結好的試樣分別在CT設備上掃描，然后利用Matlab軟件對掃描圖像中空氣和冰的灰度值進行統計分析。

1．2 正融狀態的力學性能試驗

空氣和冰的灰度值范圍確定后，進行正融狀態下的力學性能試驗，對不同含水率的凍土試樣分級加載并掃描，在初始狀態和各級荷載施加完成后，對圖1所示的a～g斷面進行實時CT掃描，d斷面為人工凍土試樣1/2高度處，a～g之間分別間隔1 mm。

圖1 各含水率人工凍土試樣CT掃描位置圖

2 CT試驗結果分析

2．1 空氣和冰的灰度值范圍

凍土試樣孔洞中心內空氣和冰的CT掃描圖像及灰度值分析結果如圖2所示。圖2b)中空氣的灰度值主要分布在1 000～3 000范圍內，圖2d)中冰的灰度值主要分布在3 000～4 000范圍。兩者沒有重合部分，可通過灰度值區分空氣和冰。

圖2 人工凍土試樣中空氣和冰的灰度值分布情況

2．2 正融狀態的力學性能試驗結果

初始狀態和每級荷載施加完成后，均可獲得a～g 7個斷面的掃描圖像，圖3和圖4分別為25%，32%含水率的人工凍土試樣d斷面的CT加載掃描圖像。

比較圖3和圖4可以看出:

1)初始狀態時，含水率越低的人工凍土試樣內部的微孔隙、微裂隙越少，土樣越密實;隨著含水率的增大，土樣內部微孔隙、微裂隙明顯增多，這主要是受孔隙冰凍結的影響。2)圖3，圖4中各掃描斷面的微孔隙、微裂隙隨著荷載的增大逐漸減少，說明人工凍土試樣高度中部，在載荷作用下內部逐漸被壓密，試樣的破壞主要是由于試樣頂部和底部融化過快，很快軟化而不能繼續承載。

圖3 25%含水率人工凍土試樣d斷面每級荷載CT掃描圖像

圖4 32%含水率人工凍土試樣d斷面每級荷載CT掃描圖像

圖5為各含水率人工凍土試樣破壞時的立面掃描圖像，可以看出，20%含水率人工凍土試樣高度中部被壓粗，呈鼓形破壞;含水率25%和32%的人工凍土試樣是頂部和底部先壓粗，呈X形破壞。圖6為不同含水率的深部凍土試樣軸向應力—應變關系曲線，圖6表明含水率越高的人工凍土試樣，相同載荷下的變形量越大，且能承受的破壞載荷越小。

圖5 不同含水率試樣破壞時立面掃描圖像

圖6 不同含水率人工凍土試樣應力—應變關系曲線

2．3 孔隙率和平均灰度值統計分析

利用Matlab圖像處理軟件，統計分析各含水率的人工凍土試樣各個斷面不同荷載作用下CT掃描圖像，主要分析各斷面微孔隙所占比例(即孔隙率)和選定區域的平均灰度值隨荷載增加的變化情況。

圖7為沿圖3中對應箭頭的灰度值變化曲線。

圖7中，初始狀態時沿箭頭的灰度值分布很不均勻，反映出人工凍土試樣內部的微孔隙、微裂隙及冰晶分布不均勻。對照CT圖像，圖3a)中箭頭穿過的微孔隙、微裂隙及冰晶(深黑色部分)的灰度值均小于7 000，統計分析時取灰度值小于6 600的為細觀孔洞或冰晶。隨著載荷的逐漸增大，沿箭頭的灰度值分布逐漸趨于均勻，且灰度值小于7 000的范圍明顯減少，說明土樣內部的微孔隙、微裂隙減少，冰晶融化，試樣逐漸被壓密。

根據不同含水率人工凍土試樣a斷面和d斷面的孔隙率、平均灰度值的統計數據繪制其孔隙率、平均灰度值隨載荷的變化曲線，如圖8所示。

從圖8可以看出:

1)隨著含水率增大，人工凍土試樣的孔隙率逐漸增大，平均灰度值則逐漸減小。

圖7 25%含水率人工凍土試樣d斷面沿圖3箭頭的灰度值變化曲線

圖8 不同含水率的人工凍土試樣的孔隙率、平均灰度值變化曲線

2)含水率20%的人工凍土試樣，隨著荷載的增大，孔隙率先略有增大再減小，再逐漸增大直到破壞;而平均灰度值則是先減小再增大，再逐漸減小;平均灰度值越大反映出土樣內部越密實，所以平均灰度值變化所反映的土樣內部結構變化與孔隙率反映的土樣內部結構變化一致。

3)25%含水率的人工凍土試樣，隨著荷載的增大，各掃描斷面的孔隙率先略有增大，然后很快減小;平均灰度值則是先略減小再快速增大;均反映出各斷面被逐漸壓密，這主要是因為該含水率試樣是頂部和底部被先壓壞不能繼續承載。

4)32%含水率的人工凍土試樣，孔隙率隨荷載的增大很快減小，平均灰度值隨荷載的增大很快增大，各掃描斷面很快被壓實，因為破壞發生在試樣頂部和底部，中部變形不明顯。

3 結語

通過對土樣中空氣成分和冰成分的界定，其灰度值分布范圍互不重合。而人工凍土試樣的灰度值分布不均勻，有部分出現在空氣和冰的灰度值分布范圍內，這足以確定這部分為微孔隙、微裂隙或冰晶。

通過Matlab軟件統計分析的人工凍土試樣孔隙率和平均灰度值變化情況與CT掃描圖像的變化情況一致，由此說明，利用灰度值分析方法判斷人工凍土內部結構演化及界定各相成分是完全可行的。

［1］劉 波，吉海軍，李東陽，等．郭屯立井深部人工凍土的CT力學試驗研究［A］．煤炭科學與技術研究論文集［C］．2010．

［2］Otani J，Mukunoki T，Obara Y．Application of X-ray CTmethod for characterization of failure in soils［J］．Soils and Foundations，2000，40(2):111-118．

［3］蒲毅彬，朱元林．CT用于凍結土、巖及冰的無損動態試驗研究［J］．自然科學進展，1998，8(2):251-253．

［4］孫 紅，葛修潤，牛富俊，等．上海粉質粘土的三軸CT實時細觀試驗［J］．巖石力學與工程學報，2005，24(24):4559-4564．

［5］吳紫旺，馬 巍，蒲毅彬，等．凍土蠕變過程中結構的CT分析［J］．CT 理論與應用研究，1995，4(3):31-34．