凍融作用對西藏某邊坡新鮮巖石結(jié)構(gòu)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(qū)與旱區(qū)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(jié)構(gòu)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(qū)與旱區(qū)凍土實驗室，甘肅 蘭州730000)

在西藏高寒地區(qū)，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(jié)構(gòu)的影響如何，是一個值得探討的問題。為此，進行了CT實驗設(shè)計與分析，得出了影響有但是相對較小的結(jié)論。

凍融作用；新鮮巖石結(jié)構(gòu)；實驗；分析；西藏

1　實驗設(shè)計

凍融作用使巖體結(jié)構(gòu)產(chǎn)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(chǎn)生怎樣的影響，筆者對此在中科院寒區(qū)與旱區(qū)研究所凍土工程國家重點實驗室進行了實驗?zāi)M。

為了獲取凍融作用對新鮮巖石的結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)進行分析。

②將樣品反復(fù)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(shù)據(jù)，得到試樣的CT數(shù)據(jù)。

(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(huán)試驗機。Brilliance 16螺旋CT機參數(shù)：該CT系統(tǒng)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(huán)機，反復(fù)凍融50次，其中-5 ℃凍結(jié)4 h，5 ℃融化4 h，每個凍融循環(huán)為8 h。待完成凍融循環(huán)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(qū)的CT數(shù)據(jù)。

(4)CT數(shù)據(jù)的基本方程。

在一定的掃描條件下，經(jīng)校準的CT掃描圖像反演出掃描層面的數(shù)據(jù)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(shù)值：

H=1 000(μrm-μω)/μω

(1)

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

(5)CT損傷定義。

經(jīng)過硬化改正的CT數(shù)據(jù)、具有規(guī)范的CT數(shù)和標準差，分別代表了感興趣區(qū)的密度和離散程度。

在初始狀態(tài)和實驗過程中，這些數(shù)據(jù)會發(fā)生變化。有多種CT巖土損傷定義，依據(jù)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(shù)；Hi為i時刻損傷后的試樣CT數(shù)。

(6)實驗數(shù)據(jù)。

①2#試樣浸水48 h后掃描。

2#試樣初始參數(shù)：高度為109.9 mm；直徑為54 mm；質(zhì)量為656.25 g。

浸水48 h后：高度為109.9 mm；直徑為54 mm；質(zhì)量為656.98 g。

凍融循環(huán)50次后：高度為109.9 mm；直徑為54 mm；質(zhì)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(shù)：EC。

CT掃描的層位與測量區(qū)域的劃分見圖1。

圖1　掃描層位及測量區(qū)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(qū)域面積；ME為測量區(qū)域CT均值；SD為測量區(qū)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(qū)域(ROI)CT均值呈現(xiàn)規(guī)律性變化，具體表現(xiàn)見圖2和表1。凍融前后三個層位不同區(qū)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(zhì)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(shù)：高度為110.48 mm；直徑為54.6 mm；質(zhì)量為671.64 g。

浸水48 h后：高度為110.48 mm；直徑為54.6 mm；質(zhì)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(qū)大區(qū)中區(qū)中心區(qū)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(qū)域面積；ME為測量區(qū)域CT均值；SD為測量區(qū)域CT值標準差；△ME為凍融前后CT均值的變化量。

凍融循環(huán)50次后：高度為110.48 mm；直徑為54.6 mm；質(zhì)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(shù)：EC。

3#試樣凍融前后反映的規(guī)律性變化同2#實驗，具體表現(xiàn)如圖3和表2所示：凍融前后三個層位不同區(qū)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(zhì)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(nèi)部細觀結(jié)構(gòu)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(jié)果分析。

①2#、3#試樣凍融后CT值變化規(guī)律均相同，凍融循環(huán)后的CT值均小于凍融循環(huán)前，分析其原因為：試樣飽水后，在凍融循環(huán)過程中,大部分水分在溫度達到0℃以上就已經(jīng)散失掉了,使得試樣內(nèi)部發(fā)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(nèi)部細觀結(jié)構(gòu)未發(fā)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(jié)構(gòu)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(nèi)部細觀結(jié)構(gòu)存在細微差異。

3　結(jié)　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(jié)構(gòu)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(zhì)歷史是

一個長期的演化過程，長期的凍融作用可能會導(dǎo)致巖體結(jié)構(gòu)發(fā)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(huán)條件下巖石損傷擴張初探[J]. 煤炭學(xué)報，2002，27(4)：357～360.

[3]周志東，陶然，等.高原高寒地區(qū)邊坡變形破壞機制與綜合治理技術(shù)[M].成都：西南交通大學(xué)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(fā)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(shù)與應(yīng)急救援等工作；

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

高靜(1984-)，女，河南新鄉(xiāng)人，工程師，學(xué)士，從事水利水電工程施工技術(shù)與管理工作.