帕色河粉砂巖的三軸強度特性及微觀結構研究

番 華 芬

(云南省德宏州水利局質量監督站，云南 德宏 678400)

0 引 言

我國由于降水量的時空分布不均和水資源供需的矛盾的日益突出，云南省作為水系豐富的地區也經歷過大范圍的干旱災害。帕色河水庫位于國家級口岸瑞麗市，是云南瑞麗重點開發開放試驗區的重大決策部署。工程的決策對國家級口岸瑞麗市的影響及其重大，因此對相關水利樞紐地質條件的先期研究對于工程的設計施工具有十分重要的現實意義[1,2]。

帕色河水庫主要任務是瑞麗市城市備用水源和灌溉供水，主要由大壩、輸水隧洞、溢洪道組成，粉砂巖廣泛分布于該水利樞紐的壩基、隧洞和渠道邊坡。該地區的粉砂巖由各種砂粒堆積、膠結在一起而形成的風化沉積巖,其顆粒直徑通常分布在0.002 5～2 mm之間[3]。受地下水作用和常年物理化學風化的影響,砂巖內部孔隙非常發育,研究砂巖孔隙結構的分布對于分析其強度特性和物理特性有重要意義。近年來，水利工程的中潰壩、滑坡等地質災害頻發，給工程經濟和人員安全造成巨大的損失。巖體的失穩主要與巖石力學性質的劣化有重要關系。砂巖廣泛分布于我國南方地區水系豐富的地層，其物理力學性質在很大程度上決定了水利工程的建設和地質災害防治的實施[4]。粉砂巖富含黏土礦物，遇水極易膨脹軟化，孔隙性是影響其物理力學性質受地下水影響的重要因素[5]。

三軸壓縮試驗是分析巖石的力學強度的重要測試手段之一,相比單軸壓縮試驗，三軸試驗更能反映巖體實際的應力狀態[6,7]。近年來隨著電子圖像分析技術與滲流模擬方法的快速發展,研究砂巖的細觀三維多孔結構成為一項新的研究熱點[8-10]。粉砂巖作為一種典型多孔介質材料，滲透性質本身就取決于內部孔隙結構特點。X射線斷層掃描技術(CT)被廣泛應用于各種材料的三維內部結構的形狀測試，是一種對材料無損的檢測技術[11]。CT掃描技術很適合對巖石細觀結構開展觀測,能夠在不損壞試件內部結構的條件下，獲得樣品孔隙的空間分布特點。本研究以云南省帕色河水庫大壩的粉砂巖試樣為對象,利用巖石三軸剪切試驗和X射線計算機斷層掃描(CT)來獲取砂巖強度指標和孔隙結構特點,同時分析了不同粒徑級別下粉砂巖的孔隙結構特性,旨在為深入認識該地區巖體強度機理提供參考。

1 試驗方法與結果

1.1 工程概況

帕色河水庫建于帕色河上游,該河為瑞麗江一級支流,發源于瑞麗市勐秀鄉團結寨境內,發源地海拔高程1 470 m,河流由北向南匯入瑞麗江。帕色河水庫距城區約3 km,壩址位置東經97°50′、北緯24°02′。徑流面積8.62 km2,河長5.17 km,河道平均坡降43.5×10-3。本研究所用的試驗材料是帕色河水庫壩基的鈣質砂巖，該水庫區位于王子樹—南京里復式背斜的南東翼，背斜的軸部自帕色河源頭一帶通過，龍陵-瑞麗大斷裂(F13)由水庫北西面通過，距庫區約2.5 km。受該區域性褶皺和大斷裂構造的影響。庫區巖層破碎，風化強烈，且差異風化大，球狀風化明顯。整個庫區地表幾乎全被第四系覆蓋，基巖露頭少，巖石風化劇烈，僅在低凹河谷處可見少量球狀弱風化混合粉砂巖，粒徑一般小于1.0 mm。帕色河水庫壩基巖石易產生壓縮變形，不能滿足剛性壩基礎要求，基本壩型宜取土石壩。研究壩基巖石強度機理對于工程的施工設計具有重要意義。

1.2 試 樣

根據試驗要求制樣，巖樣被加工成直徑為38 mm，高度為80 mm的標準圓柱體試樣。試驗對粗粒、中粒和細粒三種不同粒徑的粉砂巖試件分別進行了三軸壓縮測試和CT掃描試驗，樣品的表觀圖片如圖1所示，粒徑不同的試件表面的光滑程度有明顯差異，顆粒越細，表面越平整。對不同粒度的砂巖試樣進行SEM掃描電子顯微鏡試驗，結果如圖2所示。在200倍的放大圖像中，可以看出3種砂巖試樣的顆粒大小有差異，節理清晰、表面棱角分明，其微觀結構以顆粒狀為主，隨顆粒粒徑減小，內部顆粒密實度有所增加。粗顆粒的砂巖顆粒之間孔隙清晰可見，中粒粉砂巖的孔隙的規模明顯減小，而細粒粉砂巖內部顆粒排列最為緊密，孔隙比最小。

圖1 三種粒度的粉砂巖試樣Fig.1 Three granular sandstone specimens

圖2 不同粒度粉砂巖的SEM掃描圖Fig.2 SEM scanning of sandstone of different granularity

1.2 強度測試

實驗利用巖石應變控制式三軸加載系統對砂巖試樣開展力學測試，設置圍壓級別5、10、15和20 MPa，剪切加載速率設為0.001 0 mm/min，實驗得到了從開始加載到試樣破壞階段的應力-應變關系曲線。在試驗前首先安裝巖石試樣，再向三軸儀的壓力腔內注滿水；然后對試樣施加固結圍壓，并且控制加載速率為0.05 MPa/s，直到圍壓值基本穩定；最后對試樣頂部施加軸向壓力進行剪切，巖樣的軸向變形速率為0.01 mm/min。

1.3 微觀結構測試

本研究使用高精度微米CT掃描儀進行微觀結構觀測。設置掃描儀電壓與電流參數維持為160 kV和320 mA，獲得結果的掃描精度0.03 mm。試樣經過CT掃描后得到約800張截面圖像。CT掃描試驗方法和過程如圖3所示，首先將巖石樣品放置在掃描儀的載物臺上慢速旋轉，旋轉過程中X射線源發射X射線并穿透樣品，掃描結果經過了灰度值檢測器的過濾作用，最后通過圖像采集設備得到樣品的二維橫斷面的圖像。為保證被測樣品內部結構的精確量化，須對所有的初始橫截面圖像進行圖像處理[12]。本研究通過MATLAB圖形處理工具箱進行圖像處理。根據巖石顆粒與孔隙密度的差異，通過圖像灰度閾值將固相和孔隙相區分開[13]。本研究利用計算機自動對材料的灰度值進行統計，并將圖像按照二值化區域分割。圖片的成像結果由2 048×2 048個像素組成，對于直徑50 mm的圓柱狀樣，其像素分辨率為50 mm/2 048=22.4 μm,基本達到微米級精度。

圖3 CT掃描過程圖Fig.3 CT scan process diagram

2 強度試驗結果分析

試驗采用常規的巖石三軸剪切試驗，對3種顆粒粒徑的粉砂巖強度特征進行測試。從圖4的結果可以看出在不同圍壓下，巖石樣品的應力-應變曲線總體由相似趨勢。應力應變曲線隨圍壓增加，其線性變形階段斜率也存在增加趨勢。說明隨著圍壓的增加，粉砂巖試樣抵抗變形的能力也在增加，這是因為試樣內部存在大量原生裂隙和裂紋。而當圍壓大于15 MPa時，曲線線性段的應力-應變曲線隨圍壓增加的變化不明顯，表明當圍壓值大于15 MPa后，巖石內部的原生缺陷充分閉合。

圖4 粉砂巖的三軸試驗應力-應變曲線Fig.4 Triaxial stress - strain curve of sandstone

從峰值應力的分布情況來看，細粒砂巖中粒砂巖在發生破壞時的軸向變形量很接近，而粗粒試樣破壞時的軸向變形量相對較小。當三軸試驗的圍壓相同時，粉砂巖試樣的強度隨巖石顆粒粒徑增大而降低；對于同一粒度的粉砂巖，抗剪強度與固結圍壓值有良好的線性關系(見圖5)，不同砂巖試樣的三軸試驗峰值強度和固結圍壓線性關系擬合相關系數均大于0.98。

圖5 中粉砂巖的峰值應力與圍壓關系Fig.5 Peak stress - confining pressure curves

3 微觀測試結果分析

3.1 圖像分析

從CT掃描結果中提取出的2D圖像被稱為“掃描切片”,掃描切片存儲被測物體所有平面上的X射線衰減系數數據。通常將CT數作為灰度值記錄于在切片中，本研究利用圖形處理技術對圖像的灰度值進行分割。結果如圖5所示，巖石顆粒與內部不孔隙通過各自CT數進行識別和分割。低CT數表示孔隙，呈現為黑色，高CT數表示高密度礦物，呈現為白色。從圖中可直觀地觀察到巖石二維孔隙的分布特點，該砂巖內部孔隙形狀的特點是以不規則多邊形為主，但具體形態非常復雜。

利用三維圖像分析軟件image J將巖石試樣的二維CT掃描切片按順序堆疊，組成了重構的三維數字模型。圖7所示的是三類砂巖的三維孔隙模型，可以看出在該砂巖內部，不同砂巖的孔隙密度和尺寸各異，細粒與中粒砂巖的孔隙尺寸較小，孔隙間連通度較低，且孔隙分布具有較很強的空間非均質性；粗粒砂巖的孔隙連通程度較高，孔隙的尺寸明顯比細顆粒與中顆粒的砂巖的孔隙大。圖像特點說明粉砂巖的粒度在很大程度上決定了其內部孔隙的數量與尺寸分布特點。

3.2 孔隙分布統計

通過統計各孔隙像素數量可以求出孔隙的總表面面積及其百分比，得到3中砂巖樣品的孔隙數量與百分比如表1所示。在統計中，定義孔隙體積v≥50 mm3時的孔隙為大中孔隙，反之則為微小孔隙。發現隨巖石試樣的顆粒粒徑增加，大中孔隙所占百分比、孔隙數量和孔隙總體積明顯增加，說明顆粒粒徑對巖石的孔隙分布有重要影響。

圖6 不同粉砂巖的CT掃描二維圖像Fig.6 CT scan two-dimensional images

圖7 砂巖的三維孔隙模型Fig.7 3D pore image of mid-particle sandstone

表1 CT 掃描結果統計表Tab.1 The statistics data of sandstone in CT tests

圖8 等效平均孔徑的頻率曲線Fig.8 Average pore size distribution

從統計結果發現3個樣品的孔徑分布頻率曲線由明顯差異。如圖8所示，縱坐標表示孔隙分布頻率，橫坐標表示孔隙等效孔徑(d)，d定義為孔隙體積等效為球體體積時的孔徑大小。在圖8中試樣C為細粒砂巖，孔徑分布曲線存在單一峰值，其峰值頻率為46.5%，且對應的球體等效半徑<0.5 mm；B試樣曲線為中粒砂巖，有單一峰值，峰值頻率為36.2%，對應的等效球體半徑為0.78 mm；試樣A曲線為粗粒砂巖，其孔徑分布頻率曲線存在2個峰，分別位于等效球體半徑為0.45 mm和1.80 mm處，表明相對于顆粒粒度較小的砂巖，粗粒砂巖中孔隙尺寸較大，且大中孔隙所占的比例也較高。

3.3 強度與孔隙的關系分析

不同粒度的三軸剪切試驗與CT掃描試驗結果有一定關聯性，本文研究的帕色河粉砂巖的抗剪強度與巖樣粒度有明顯關系：巖石顆粒的粒徑越大，其強度相對越低，同時孔隙含量和大孔隙所占比例也越高。因此，這種強度的“粒度效應”本質上是由不同粒徑的巖樣的孔隙結構的差異引起的[14]。

在相同圍壓下的粉砂巖的顆粒粒徑越小，其內部顆粒排列得越緊密，巖石顆粒間的孔隙尺寸和數量越小，從而導致了粉砂巖試樣的三軸試驗抗剪強度值越高。由CT掃描結果發現粗粒砂巖內部孔隙含量最多，孔徑分布頻率曲線存在2個峰值，說明其內部孔隙的發育程度遠大于中粒和細粒砂巖。這種孔隙特點影響了三軸剪切過程中的巖石顆粒相互之間互相咬合的摩擦力，使試樣整體抵抗剪切變形的能力出現下降趨勢。

4 結 語

(1)研究獲得了帕色河粉砂巖的強度特點：同一粒徑級別的砂巖抗剪強度與固結圍壓值存在良好的線性關系；且強度具有顯著的“粒度效應”，即砂巖試樣強度隨巖石顆粒粒徑增大而降低，強度性能排序依次為：粗粒<中粒<細粒砂巖。

(2)開展X射線斷層掃描技術獲得了不同粉砂巖的孔隙二維圖像與三維模型，經試驗結果統計，發現粉砂巖的孔隙度和孔隙等效球體半徑隨巖石顆粒粒徑增加而提高。

(3)通過對3個不同顆粒粒級的粉砂巖樣本進行三軸剪切試驗與CT掃描測試，發現砂巖強度存在的“粒度效應”是砂巖內部孔隙結構存在差異的結果，粉砂巖致密程度提高導致強度增長。研究結果為帕色河水庫大壩的設計和施工提供了參考。

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