维普资讯 http://www.cqvip.com 第２７卷第４期 ２００２年８月 煤 炭 学 报 Ｖｏ１．２７ Ｎｏ．４ Ａｕｇ． ２００２ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＣＨＩＮＡ ＣＯＡＬ ＳＯＣＩＥＴＹ 文章编号：０２５３—９９９３ｌ２００２）０４—０３５７—０４ 冻融循环条件下岩石损伤扩展研究初探 杨更社 ，蒲毅彬 （１西安科技学院建筑工程系，陕西西安７３００００） ７１００５４；２．中国科学院兰州寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室，甘肃兰州 摘要：借助于岩石材料冻融循环ＣＴ扫描实验，对岩石材料在冻融循环条件下损伤扩展特性进 行研究，着重探讨了冻融循环次数对岩石材料损伤扩展的影响。 关键词：冻融循环；岩石；损伤扩展 中图分类号：ＴＤ３１３ 文献标识码：Ａ 我国的寒区面积占国土总面积的３／４．在冻融环境条件或寒区岩土工程中，冻融环境的变化对岩石稳 定性影响是一个不可忽视的重要因素¨ ．由于岩石本身就是一种自然损伤材料，且含水量较高 ’ ，冻结 后，引起水分向正冻带运动，并在其内部形成水、冰、岩的多相损伤介质。岩石中冰体的形成和发育，产 生巨大的冻胀力 这种不均匀的冻胀力和冻胀变形对岩体工程稳定性产生重要的影响．在我国北方， 早晚温度的差异引起冻融循环，冻胀变形对岩体损伤结构产生影响，而在融化过程中这种变形不能完全恢 复，从而加剧了岩石内部的缩胀、损伤开裂等一系列物理、力学的交替变化．，所以，研究冻融环境下岩石 的损伤扩展力学特性对岩体工程具有重要的意义。本文借助于岩石材料冻融循环ＣＴ扫描实验，对３种典 型的岩石材料（砂岩、页岩、煤）进行冻融循环条件下的损伤扩展的初步研究．重点探讨了冻融循环次 数对岩石材料损伤扩展特性的影响． １ ＣＴ扫描原理 ＣＴ技术是射线技术和计算机技术相结合的产物。其基本原理是ＣＴ射线源发的ｘ射线可穿透被检测 材料，不同波长ｘ射线的穿透能力不同，而不同的材料对同一波长ｘ射线的吸收能力不同。ｘ射线穿透 被检测物体时，它的光强遵循下述方程，即 ，：１０ｅｘｐ（一 ｐｘ）， （１） 式中，，（】，，分别为Ｘ射线穿透物体前、后的光强；ＩＸ 为被检测物体单位质量的吸收系数；Ｐ为物体密度； 为入射ｘ射线的穿透长度。 一般情况下， 只与入射ｘ射线的波长有关。所以，按下式引入肛（ｃｍ ）作为物体对ｘ射线的吸 ／ｘ＝／ｘ Ｐ， （２） 收系数更为方便 对于水，Ｐ：１。０，其吸收系数 ＝ 。 ＣＴ的定量描述是ＣＴ数，ＣＴ数的发明者Ｎ。Ｈｏｕｎｓｆｉｅｌｄ将空气、水和冰的ＣＴ数分别定义为一１ ０００，０ 和一１００。所以被检测物体对ｘ射线的吸收系数 与ＣＴ数之间的换算关系为 ＣＴ数＝（／ｘ一／ｘ ） ×１ ０００， （３） 式中， 为水对ｘ射线的吸收系数。 收稿日期：２００１—０９—２５ 项目基金：国家自然科学基金（１００７２０４７）；冻土工程国家重点实验室基金（２００１０４）；陕西省自然科学基金（２０００Ｄ０３）；教育部骨干 教师资助计划基金和陕西省教育厅专项科研基金资助项目部分内容． 维普资讯 http://www.cqvip.com 煤 炭 学 报 ２００２年笫２７卷 利用正比于ｃＴ数的亮度成像，可得完整的ｃＴ图像．显然，岩石材料的物质成分、损伤差异和变化 均可由ＣＴ数或ＣＴ图像所反映．为节省篇幅，本文所做的岩石细观损伤识别主要以损伤ＣＴ数为基础． ２岩石试样及试验方法 昕完成的损伤ＣＴ实验是利用中国科学院兰州冻土工程国家重点实验室的ＧＥ８８００设备完成．ｕ『在５～ １０ Ｓ内完成一个层面的扫描，每次扫描由５２３个探测器做５７６次脉冲曝光，空间分辨率为０．８，密度对比 分辨率为０．５％．选取３种不同类型的初始损伤岩石试样．岩石试样取自陕西黄陵矿区，其试样的规格和 数量为砂岩：６５０ ｍｍ Ｘ １００ ｍｍ，２块；页岩：４，４９．３ ｍｍ Ｘ ８０ ｍｍ，２块；煤样：６５０ ｍｍ Ｘ １００ ｍｍ，２块． 试验前，先将３种岩石试样做饱水实验，在水中浸泡１２ ｈ（是冻融循 环１个周期２４ ｈ的一半），让其自然饱水，测得其初始含水量分别为：砂 岩ｌ，２号样含水量分别为７．６３％，７．６２％；页岩１，２号样含水量分别为 ２．６４％，２．６３％；煤样ｌ，２号样含水量分别为０．３８％，０．３５％．然后将６ 个岩石试样固定在设计好的塑料泡沫模型内的固定位置上，进行初始循环 的ＣＴ扫描实验，沿试样竖向方向进行５个层面的ＣＴ扫描（图１）． １ ２ ３ ４ ５ 冻融循环试验，参照岩石力学试验规范要求，冻结和融化温度分别为 一２０℃和＋２０℃，冻结时在一２０℃的恒温冷冻箱中，融化时在＋２Ｏ℃的 图１ 岩样冻融循环ＣＴ扫描层他 Ｆｉｇ．１ Ｆｒｏｓｔ ａｎｄ ｔｈａｗ ＣＶ ＣＩｅｓ Ｃｑ、 ｓｃａｎｎｉｎｇ ｓｅｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｒｏｃｋ ｓａｍｐｌｅ 恒温水融．冻融循环一个周期为２４ ｈ（１ ｄ），在一２０℃条件下冻结１２ ｈ， 然后在＋２０℃条件下融化１２ ｈ．为了节省ＣＴ扫描时间及费用，分别在冻 融循环５次（１２０ ｈ），１０次（２４０ ｈ）和ｌ５次（３６０ ｈ）时进行和初始冻融条件下相同截面位置上的ｃＴ 扫描． ３试验结果及分析 ＣＴ扫描分析的最大优点是利用ＣＴ数进行 定量分析，ＣＴ数的变化对岩石损伤扩展是比 较敏感的．笔者重点分析在冻融循环条件下， 岩石损伤扩展过程中ＣＴ数的变化．图２（ａ）， （ｂ）分别是２个砂岩样冻融循环次数Ⅳ和扫描 层面内ＣＴ数的平均值 和方差５。变化关系． 可以看出，随着冻融循环次数的增加，砂 岩损伤扩展的发展，岩样扫描层面内损伤ＣＴ 数的均值 和方差５ 增加幅度较大，而 循环次数 循环次数 （ａ） （ｂ） 图２砂岩冻融循环次数和Ｍ ，Ｓ 的关系 Ｆｉｇ．２ Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｆｒｏｓｔ ａｎｄ ｔｈａｗ ｃｙｃｌｅｓ ＣＴ ｖａｌｎｅｓ ＭＨ，ＳＤ ｏｆ ｓａｎｄ ｓｔｏｎｅ 数的平均值在增加，ＣＴ数的方差ｓ 也有所增大 特别是在冻融初期（前５个冻融循环），扫描层面内ＣＴ 超过５个循环后，其ＣＴ数的变化较为缓 慢．主要是因为砂岩的损伤孑Ｌ隙率较高， 初始损伤程度较大．而在饱水后，水充满 损伤孔隙，随着冻融循环次数的增大，损 伤孑Ｌ隙不断发展，从而使更多的水进入损 伤孔隙，使扫描截面内的ＣＴ数逐渐增大． 图３（ａ），（ｂ）分别是页岩扫描层面 内ＣＴ数均值 ，方差５ 和冻融循环的关 系．可以看出，对于页岩，随着冻融循环 次数的增大，ＣＴ数均值在不断减小，而方 图３页岩冻融循环次数和Ｍ ，Ｓ。的关系 Ｆｉｇ．３ Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｆｒｏｓｔ ａｎｄ ｔｈａｗ ｃｙｃｌｅｓ ａｎｄ ＣＴ ｖａｌｕｅｓ ＭＨ，ＳＤ ｏｆ ｓｈａｌｅ 维普资讯 http://www.cqvip.com ４期 杨更社等：冻融循环条件下岩石损伤扩展研究初探 差逐渐增大．这主要是页岩随着冻融循环次数增大，新的损伤裂纹出现，在冻融循环达ｌ５次时，ＣＴ图像 上明显出现ｒ损伤裂缝，所以扫描截面内ＣＴ数均值不断减小，而方差逐渐增大．在损伤扩展阶段（５个 冻融循环内），ＣＴ数均值减小及方差增大的变化率是比较大的． ［殳】４（ａ），（ｂ）分别是煤样扫描截面内ＣＴ数 均值＂．．．方差Ｓ 和冻融循环的关系．可以看出， 在前５个冻融循环内，扫描层面内ＣＴ数均值随着 冻融循环次数增大而减小，方差也在减小．而超 过５个循环 ，扫描层面内ＣＴ数均值和方差随着 冻融循环次数的增大而增大．但增长幅度不是很 大．这主要是由于煤样坚硬，初始损伤孔隙率不 高，含水量不大（仅为０．３８％和０．３７％）．所以 损伤扩展初期，扫描层面内ＣＴ数均值、方差变化 比较大，而在损伤扩展后期，其扫描层面内ＣＴ数 均值和方差的变化都不是很大． 图４煤样冻融循环次数和ＣＴ数均值及方差的关系 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｆｒｏｓｔ ａｎｄ ｔｈａｗ ｃｙｃｌｅｓ ａｎｄ ＣＴ ｖａｌｕｅｓ ＭＨ，Ｓ１）ｏｆ ｃｏａｌ ｓａｍｐｌｅ 从以上３种不同类型岩石材料损伤扩展的ＣＴ扫描可以看出，对于不同初始损伤岩石材料，冻融循环 对其内部损伤结构扩展的影响也是不同的．对于大孔隙、高含水量或较软弱的岩石材料，其冻融循环次数 对损伤结构的扩展变化有较明显的影响；而对于比较坚硬、低含水量的岩石材料，冻融循环次数对其损伤 扩展在初期有一定的影响，但后期影响不大．所以对于岩石材料，初始损伤状态和初始含水量的大小将决 定着冻融循环对其损伤扩展的影响程度． ４ 冻融循环岩石损伤扩展本构关系 ｃＴ识别一方面可以进行扫描层面内的定量分析，而且为建立岩石损伤扩展本构关系奠定了坚实的实 验基础．在岩石损伤扩展过程中能够通过ＣＴ数的大小及分布规律的变化和岩石的损伤变量联系起来．笔 者在文献［５，６］中曾对岩石损伤特性的ｃＴ数分布规律和数学模型进行了详细的分析，并将ｃＴ数和岩 损伤变量联系起来，建立了用ＣＴ数表达的岩石损伤变量公式为 Ｄ＝１／ｍｊ［（ 一Ｅ（Ｈ））／（１ ０００＋Ｈｏ）］， 式中，Ｄ为岩石的损伤变量；ｍ 为ＣＴ设备的分 辨率系数；Ｈｏ为无损伤岩石的ＣＴ数均值；Ｅ（Ｈ） 为被检测岩石ＣＴ数的均值． 用式（４）分别计算３种岩石材料在不同冻 融循环状态下损伤扩展过程中不同损伤扩展阶段 的损伤变量．表２～４分别给出了扫描岩石在不 同损伤扩展阶段的冻融循环次数及计算出的损伤 变量． 表３页岩冻融循环次数及计算出的损伤变量 Ｔａｂｌｅ ３ Ｆｒｏｓｔ ａｎｄ ｔｈａｗ ｃｙｃｌｅｓ ａｎｄ （４） 表２砂岩冻融循环次数及计算出的损伤变量 Ｔａｂｌｅ ２ Ｆｒｏｓｔ ａｎｄ ｔｈａｗ ｃｙｃｌｅｓ ａｎｄ ｄａｍａｇｅ ｖａｒｉａｂｌｅｓ ｏｆ ｓａｎｄｓｔｏｎｅ 冻融循 环Ｎ Ｏ ５ 损伤变量Ｄ １ ２ 冻融循 环Ⅳ ｌＯ １５ 损伤变量Ｄ ｌ ２ ０．０７４ ３７ ０ Ｏ６８ ３Ｏ ０．０７２ ０４ ０．Ｏ６５ ２Ｏ ０．０７１ ３８ ０．０６４ ７ｌ ０．０７１ ２３ ０．Ｏ６３ ８９ 表４ 煤样冻融循环次数及计算出的损伤变量 Ｔａｂｌｅ ４ Ｆｒｏｓｔ ａｎｄ ｔｈａｗ ｃｙｃｌｅｓ ａｎｄ ｄａｍａｇｅ ｄａｍａｇｅ ｖａｒｉａｂｌｅｓ ｏｆ ｓｈａｌｅ ｖａｒｉａｂｌｅｓ ｏｆ ｃｏａｌ ｓａｍｐｌｅ 冻融循 环、 ０ ５ 损伤变量Ｄ Ｉ ２ 冻融循 环Ｎ ｌＯ ｌ５ 损伤变量Ｄ ｌ ２ 冻融循 环Ｎ ０ ５ 损伤变量Ｄ ｌ ０．１ ８４ ７ ０．２０５ ４ 冻融循 环Ｎ ｌＯ ｌ５ 损伤变量Ｄ ｌ ０ ２０３ ８ ０ ２０２ ９ ２ ０．１６２ ４ ０．１７３ ６ ２ ０ ｌ７２ ６ ０．１７３ ２ ０ ０８４ ５０ ０ ０９６ ３Ｏ ０ ０９４ ８２ ０．１Ｏ３ ７ｌ Ｏ．ＯｌＯ ２３ Ｏ．１１２ ５４ Ｏ．Ｏｌ１ ３７ ０．１１４ ６３ 维普资讯 http://www.cqvip.com ３６０ ５ 结 语 煤 炭 学 报 ２００２ 第２７卷 岩石损伤的ＣＴ识别是岩石损伤力学研究的有效工具．它的主要特点是可以进行定性的图像分析，更 重要的是利用ＣＴ数进行定量分析，这将为建立较为真实的岩石损伤扩展本构关系，进行力学计算分析提 供坚实的基础．本文对冻融循环条件下，岩石损伤扩展特性，仅从扫描层面内ｃＴ数大小及其变化进行了 初步探讨，同时将冻融循环次数和岩石的损伤变量联系起来，建立冻融循环条件下岩石材料损伤扩展本构 关系．可以看出，岩石的初始损伤状态和含水量不同，冻融循环次数对损伤扩展的影响也不同．但这方面 的研究还刚起步，更为深入的研究还需大量的实验验证． 参考文献 １： Ｓｏｌｏａｔｉｎ Ｖ Ｉ．ｇ＇ａｔｅｒ ｍｉｇｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｉｃｅ ｓｅｇｒｅｇａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｚｏｎｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈａｗｅｄ ａｎｄ ｆｒｏｚｅｎ ｓｏｉｌ Ｊ ．Ｐｅｒｍａｆｒｏｓｔ ａｎｄ Ｐｅｒｉｇｌａｅｉａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ，１９９５，５：１８５～１９０． ：２：：３：４： Ｌｅｍａｉｔｅｒ．Ｄａｍａｇｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ［Ｊ ｊ．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｆｒａｃｔｕｒｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，１９８７，２８（５～６）：６４３～６６１． Ｔｏｓｈｉ？，’ｕｋｉ，Ｋａｗａｍｕｒａ．Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｓｅａ ｉｃｅ ｂ．ｖ ｘ ｒａ ｃｏｍｐｕｔｅｄ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ Ｌ Ｊ ．Ｊ．０ｆ Ｇｅｏｐｈ） ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ．１９８８，ａ３（ｅ３）：２ ３４３～２ ３５０． 徐学祖冻融循环对 灰土路基稳定性的影响［Ａ ． ：程圈栋．第且 全围冰川冻土学大会论文集 Ｃ ．、 ¨： 甘肃文化出版社，１９９６ ６２７～６３１． ：５： ：６： 杨更社，ｉ射定义，张Ｋ庆，等．岩 损伤ｃＴ数分布规律的定量分析 Ｊ］。岩石力学与工徉学报，１９９８，１７（３）： ２７９～２８５． 杨更社，ｉ身｝定义，张长庆．岩石损伤特性的ｃＴ识别［Ｊ ．岩石力学与工程学报，１９９６，（１）：４８～５４． 作者简介： 杨更社（１９６２一），男，陕两武功人，博士后，教授，博士生导师，１９９５年从西安理工大学获博上学化，１９９６年赴ｆ１ 本国 鸟取大学』 学部进修１年，１９９７～１９９９年在同济大学岩土工程研究所从事博士后研究』 作，【＿ｊ前主要从事 士１ 徉 的教学和科研一［作，２项成果获煤炭工业部科技进步三等奖，３项成果获省级二等奖，曾获第三届“陕两青年科技奖”和 陕西省优秀留学凹围人员称号，出版《岩体损伤及检测》专著１部，发表“岩体损伤检测及进展”、“岩体损伤特性的ｃＴ 识别”等６０余篇论文． Ｉｎｉｔｉａｌ ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｎ ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｏｃｋ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｆｒｏｓｔ ａｎｄ ｔｈａｗ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ＹＡＮＧ Ｇｅｎｇ．ｓｈｅ 一．ＰＵ Ｙｉ．ｂｉｎ （１ Ｄｅｐｔ ｏｆ Ｃｉｔ－ｉｌ ＥｎｇｉｃｅＨｎｇ．Ｘｉｎ ｎｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔ）ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．．Ｙ ｎｎ ７１００５４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｔａｔｅ Ｋｅ） Ｌａｂｏｒａｔｏ０ ｏｆ Ｆｒｏｚｅｎ Ｓｏｉｌ Ｅｎｇｉ ｎｅｅｒｉｎｇ．Ｃｈｉｎｅｓｅ ４ｃａｄｅｍ）ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｌａｒｔｚｈｏｕ ７３００００．Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｆｒｏｍ ＣＴ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｅｓｔ ｏｆ ｒｏｃｋ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｆｒｏｓｔ ａｎｄ ｔｈａｗ，ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｏｃｋ ｗａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｆｒｏｓｔ ａｎｄ ｔｈａｗ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｆｒｏｓｔ ａｎｄ ｔｈａｗ ｃｙｃｌｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｏｃｋ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｆｒｏｓｔ ａｎｄ ｔｈａｗ ｃｙｃｌｅｓ；ｒｏｃｋ；ｄａｍａｇｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ
