凍融作用對西藏某邊坡新鮮巖石結構影響的CT實驗與分析

周 志 東，　陳 世 杰，　高　靜

(1.中國人民武裝警察部隊 水電第三總隊，四川 成都　611130；2.中科院寒區與旱區凍土實驗室，甘肅 蘭州　730000)

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凍融作用對西藏某邊坡新鮮巖石結構影響的CT實驗與分析

周 志 東1，2，陳 世 杰2，高靜1

(1.中國人民武裝警察部隊 水電第三總隊，四川 成都611130；2.中科院寒區與旱區凍土實驗室，甘肅 蘭州730000)

在西藏高寒地區，凍融作用特別強烈，石海、石河和石坡隨處可見。凍融作用對新鮮無明顯裂隙巖石結構的影響如何，是一個值得探討的問題。為此，進行了CT實驗設計與分析，得出了影響有但是相對較小的結論。

凍融作用；新鮮巖石結構；實驗；分析；西藏

1　實驗設計

凍融作用使巖體結構產生變化，在較為干燥和潮濕的條件下，其對新鮮無裂隙的巖石會產生怎樣的影響，筆者對此在中科院寒區與旱區研究所凍土工程國家重點實驗室進行了實驗模擬。

為了獲取凍融作用對新鮮巖石的結構影響，從西藏某水利工程邊坡選擇了2組閃長玢巖新鮮巖樣進行了1次實驗(基本干燥情況的凍融與CT掃描)。

2　相對干燥情況下的巖石凍融實驗

(1)實驗項目。

①對2個閃長玢巖樣品進行了CT掃描，每個樣品取3層有效數據進行分析。

②將樣品反復凍融50次后，對樣品再次進行CT掃描。

③測量凍融前后試樣的CT數據，得到試樣的CT數據。

(2)實驗使用的主要儀器：

PHILIPS Brilliance 16螺旋CT機、CT試驗圖像處理軟件、可編程凍融循環試驗機。Brilliance 16螺旋CT機參數：該CT系統的空間分辨率為0.208 mm，密度分辨率為0.3%。掃描電壓(管電壓)為90～140 kV，掃描電流(管電流)為30～500 mA。

(3)實驗過程。

首先，對2#、3#試樣浸泡48 h后放入CT機中，進行初次掃描。

其次，將完成初次掃描的2#、3#試樣裝入凍融循環機，反復凍融50次，其中-5 ℃凍結4 h，5 ℃融化4 h，每個凍融循環為8 h。待完成凍融循環實驗后對樣品再次重新定位進行CT掃描。

最后，記錄凍融前后測量感興趣區的CT數據。

(4)CT數據的基本方程。

在一定的掃描條件下，經校準的CT掃描圖像反演出掃描層面的數據分布，采用卷積算法，在滿足一定的空間分辨率條件下圖像點的CT數值：

H=1 000(μrm-μω)/μω

(1)

式中H為CT數；μrm為圖像點(及其鄰域)的X射線吸收系數；μω為純水的X射線吸收系數。由式(1)可見，真空的CT數為-1 000，純水的CT數為0。

(5)CT損傷定義。

經過硬化改正的CT數據、具有規范的CT數和標準差，分別代表了感興趣區的密度和離散程度。

在初始狀態和實驗過程中，這些數據會發生變化。有多種CT巖土損傷定義，依據楊更社、仵彥卿等CT損傷理論，巖土CT損傷變量可定義為：

(2)

考慮到儀器分辨率的影響，則:

(3)

式中m0為CT機的空間分辨率(本次實驗CT機的空間分辨率為0.208 mm)；H0為試樣初始CT數；Hi為i時刻損傷后的試樣CT數。

(6)實驗數據。

①2#試樣浸水48 h后掃描。

2#試樣初始參數：高度為109.9 mm；直徑為54 mm；質量為656.25 g。

浸水48 h后：高度為109.9 mm；直徑為54 mm；質量為656.98 g。

凍融循環50次后：高度為109.9 mm；直徑為54 mm；質量為656.47 g。

CT實驗掃描條件：層厚3 mm；掃描電壓120 kV；掃描電流185 mA；重建矩陣512×512，放大倍率：1；濾波函數：EC。

CT掃描的層位與測量區域的劃分見圖1。

圖1　掃描層位及測量區域的劃分示意圖

表1　閃長玢巖2#巖樣凍融前后CT測量值表

注：AR為斷層測量區域面積；ME為測量區域CT均值；SD為測量區域CT值標準差；△ME為凍融前后CT均值的變化量。

2#試樣凍融前后所測感興趣區域(ROI)CT均值呈現規律性變化，具體表現見圖2和表1。凍融前后三個層位不同區域的△ME均略有減少，試樣凍融后CT值略有減少，表明試樣的密度略有減小，有物質遷出。按照式(2)、式(3)計算其損傷略有增加，但增幅較小。

3#試樣浸水48 h后掃描。

3#試樣初始參數：高度為110.48 mm；直徑為54.6 mm；質量為671.64 g。

浸水48 h后：高度為110.48 mm；直徑為54.6 mm；質量為673.15 g。

圖2　2#閃長玢巖巖樣凍融前后CT變化值圖

掃描次定位層全區大區中區中心區1(凍融前)91827AR2283.21717.81142.1570.7ME2252.42214.22177.92137SD150.380.863.541.7AR2283.21717.81142.1570.7ME2254.72219.52189.52149.3SD142.177.268.651.1AR2283.21717.81142.1570.7ME2248.92215.92186.42146.7SD137.571.459.741.42(凍融后)91827AR2283.21717.81142.1570.7ME22502210.62174.42135.5SD145.780.160.943.6AR2283.21717.81142.1570.7ME2249.72215.52186.12142.7SD145.678.371.146.5AR2283.21717.81142.1570.7ME2243.32213.12183.82142.4SD14871.962.443.69△ME-2.4-3.6-3.5-1.518△ME-5-4-3.4-6.627△ME-5.6-2.8-2.6-4.3

注：AR為斷層測量區域面積；ME為測量區域CT均值；SD為測量區域CT值標準差；△ME為凍融前后CT均值的變化量。

凍融循環50次后：高度為110.48 mm；直徑為54.6 mm；質量為672.02 g。

CT實驗掃描條件：層厚3 mm；掃描電壓120 kV；掃描電流185 mA；重建矩陣512×512；放大倍率：1；濾波函數：EC。

3#試樣凍融前后反映的規律性變化同2#實驗，具體表現如圖3和表2所示：凍融前后三個層位不同區域的△ME均略有減少，試樣凍融后CT值略有減少，表明試樣的密度略有減小，有物質遷出。按照式(2)、式(3)計算其損傷略有增加，但增幅仍然較小。與2#試樣相比，3#試樣的密度和損傷增加幅度略大，表明2個試樣內部細觀結構存在差異。

圖3　3#閃長玢巖巖樣凍融前后CT變化值圖

(7)實驗結果分析。

①2#、3#試樣凍融后CT值變化規律均相同，凍融循環后的CT值均小于凍融循環前，分析其原因為：試樣飽水后，在凍融循環過程中,大部分水分在溫度達到0℃以上就已經散失掉了,使得試樣內部發生水分的遷移，致使其密度略有減小。按照式(2)、式(3)計算損傷變量雖然略有增加，但試樣內部細觀結構未發生變化。

②若不考慮水分的遷移對試樣的影響，在本次實驗溫度條件下的凍融過程對巖體的結構損傷作用不明顯。

③由對比可知：3#試樣凍融前后水分的散失大于2#試樣，從而使得3#試樣凍融前后的CT值變化量△ME略大于2#試樣，說明2個試樣內部細觀結構存在細微差異。

3　結　語

在相對干燥條件下，凍融對新鮮巖體的影響是存在的。但是由于閃長玢巖巖石的致密性、裂隙少，水的自由通道少，對巖石的結構影響相對較小，CT值變化不是很明顯。本次研究只是針對巖石短期的寒凍作用進行的實驗。但是地質歷史是

一個長期的演化過程，長期的凍融作用可能會導致巖體結構發生巨變。

[1]朱立平，王家澄，彭萬威，陶兆祥. 寒凍條件下熱力作用對巖石破壞的模擬實驗及其分析[J]. 地理研究，2000，19(4)：437-443.

[2]楊更社，蒲毅彬，等.凍融循環條件下巖石損傷擴張初探[J]. 煤炭學報，2002，27(4)：357～360.

[3]周志東，陶然，等.高原高寒地區邊坡變形破壞機制與綜合治理技術[M].成都：西南交通大學出版社，2015.

(責任編輯：李燕輝)

2016-07-12

中科院凍土工程國家重點實驗室開發基金課題(SKLFSE201205)資助。

TU458;TU452;[TU42]；[TV221.2]

B

1001-2184(2016)04-0006-03

周志東(1969-)，男，湖南新化人，高級工程師，博士，中科院凍土工程國家重點實驗室客座研究員，從事水利水電工程施工技術與應急救援等工作；

陳世杰(1983-)，男，甘肅高臺人，工程師，學士，從事水利水電工程施工技術研究工作；

高靜(1984-)，女，河南新鄉人，工程師，學士，從事水利水電工程施工技術與管理工作.