维普资讯 http://www.cqvip.com 第1 7卷第2期 实 验 力 学 JOURNAL OF EXPERIMENTAI MECHANICS Vl01.17 No.2 2002年6月 Jtin.2002 文章编号:lOOl一4888(2002)02—0220—07 寒区冻融环境条件下岩石损伤扩展研究探讨 杨更社 ,蒲毅彬 ,马 巍 (1.西安科技学院.西安7l0054;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.兰州730000) 摘要:本文借助于岩石材料冻融循环 、扫描实验,对岩石材料在冻融循环奈件 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.并 对冻融循环条件下岩石损伤扩展本构关系进行了探讨. 关键词:冻融循环;岩石;损伤扩展;本构关系 中图分类号:1U45 文献标识码:A 1 引言 我国的永久性和季节性寒区面积占国土总面积的四分之三.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,引起水份向正冻带运动,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影响.特别是在我国北方,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JJIJ, ̄J了岩石内部 的缩胀、损伤开裂等~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.近年来,国内外在岩石损伤扩展力学特性研究方面开展着一 定的研究.但目前的岩石损伤扩展研究多数集中在外荷载作用下的损伤扩展研究.涉及冻融环 境、温度效应、冻融循环等自然条件下岩石的损伤扩展研究还不多见.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.并对冻融循环条件 下岩石损伤扩展本构关系进行了探讨. ・收稿日期:2001—03一l3;修订日期:2002—03—26 基金项目: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(2oooDo3)、 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 作者简介:杨更社(1962一)、男、陕西武功人.博士后.教授。博士生导师.目前主要从事岩土力学与工程教学和科研工 作. 维普资讯 http://www.cqvip.com 第2期 杨更社等:寒区冻融环境条件下岩石损伤扩展研究探讨 221 2 冻融岩石的(_r扫描及试验方法 CT扫描的基本原理是利用X射线穿透物体断面进行旋转扫描,同时收集X射线经材料 任意层面衰减后的信息,进行放大和模数转换后由计算机对CT探测空间范围内与任意点 尸( j,)相关的各个方向射线进行空间解算,得出与该点X射线吸收系数 直接关联的CT数, 从而形成一幅物体断层的/1数字图像.显然,被检测材料的物质成份、损伤差异和变化均可由 CT数或CT图像所反映.为了节省篇幅,本文所做的岩石冻融损伤CT扫描实验主要以损伤 (_r数为基础. 所完成的损伤CT实验是在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 点实验室进行的.( 扫描可在5~1O秒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 9/6. 选取3种不同类型初始损伤的岩石试样.岩石试样取自陕西黄陵矿区,其试样的规格和数 量为: 砂岩:050ram×h 100 mm,2块;页岩:O49.3 mm×h 80mm,2块;煤样:05・0mm×h 100mm,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 11的一 半),让其自然饱水,测得其初始含水量分别为:砂岩1号样含水量为7.63 ,2号样的含水量 为7.62 ;页岩1号样含水量为2.64 ,2号样含水量为2.63 ;煤样1号样含水量为 0.38 ,2号样含水量为0.35 . 实验时将6个岩石试样固定在设计好的塑料泡沫模型内固定,进行初始循环的CT扫描 实验,沿试样竖直方向进行5个层面的CT扫描,岩样的CT扫描层位如图1所示. 1 2 3 4 5 I l 2 3 4 5 图1岩样冻融循环CT扫描层位 Fig.1 Frost and thaw cycles盯s,canning,sections of rock,sample 冻融循环试验,参照岩石力学试验规范要求和我国北方地区早晚的温度的最大差异,冻结 和融化温度分别为一2O C和+2O C,冻结时在一2O C的恒温冷冻箱中,融化时在十2O C的恒温 水中.冻融循环一个周期为24 h,在一20 C条件下冻结12 h,然后在+20 C条件下融化12 h. 为了节省( 扫描时间及费用,分别在冻融循环5次(12O h),10次(240 h)和15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. 维普资讯 http://www.cqvip.com 实 验 力 学 (2002年)第1 7卷 3试验结果及分析 CT扫描分析的最大优点就是利用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.所以本文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. 图3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MH和方差SD变化关 系图. 35O 1600 1550 300 重1500 1450 1400 135O 0 5 10 15 2OO 0 5 10 15 250 次 次 图2 砂岩冻融循环次数和MH关系图 Fig 2 P relation between frost and 图3 砂岩冻融循环次数和SD关系图 Fig.3刀 relation between frost and thaw cycles and CT values SD of.sandstone thaw cycles and CT values MH of.sandstone 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 的平均值在增加,CT数的方差SD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数的均值MH和方差SD增加幅度较大,而超过5个循环后,其CT数的变化较为缓 慢.这主要是因为砂岩的损伤孔隙率较高,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,损伤孔隙不断发展,从而使更多的水进入损伤孔隙,而使扫描截面 内的CT数逐渐增大. 2200 21OO 2000 l900 1800 1 7OO O 5 1O 1 5 口360 340 320 300 280 260 O 5 1O 1 5 一= ∽ 次 次 图4 页岩冻融循环次数和MH关系图 Fig.4 The relation between frost and thaw cycles and CT values MH of shale 图5 页岩冻融循环次数和SD关系图 Fig.5 The relation between frost and thaw cycles and CT values SD of shale 图4,图5分别是2个页岩样扫描层面内CT数均值MH,方差SD和冻融循环的关系图 维普资讯 http://www.cqvip.com 第2期 杨更社等:寒区冻融环境条件下岩石损伤扩展研究探讨 223 可以看出,对于页岩,随着冻融循环次数的增大,( 数均值在不断减小,而方差逐渐增大.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15次时,CT图像上明显 出现了损伤裂缝,所以扫描截面内( 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. 图6,图7分别是2个煤样扫描截面内CT数均值MH,方差SD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个循环后,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( 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 1OO 29O 9O 28O 士 = 口 ∽ 8O 70 27O 26O 25O 0 5 10 1 5 60 50 0 5 10 l 5 次 次 图6煤样冻融循环次数和MH关系图 Fig.6 The relation between frost and thaw cycles and CI values MH of coal ̄mple 图7煤样冻融循环次数和SD关系图 Fig.7 The relation between frost and thaw cycles and CT values SD of coal ̄mple 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 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.岩石损伤的CT数分布具有弥散的分布规律,可以通过适当的数学假设建立岩石损伤的 CT数分布的数学模型,根据岩石损伤CT数单峰型分布规律的特点,引入以下数学假设川: (1)岩石内的损伤表现为一类损伤,损伤的型式为孔洞(微裂纹),并且孔洞(微裂纹)在岩 石内随机分布; (2)在每一分辨单元内,单个孔洞(微裂纹)的面积大致相等,记为A ; (3)在互不相交的体域内,损伤孔洞(微裂纹)的个数相互; (4)在以为x中心的体域 内有K个孔洞(微裂纹)的概率 ( )仅与 有关,且P0(/1) 不恒等于1; 维普资讯 http://www.cqvip.com 实 验 力 学 (2002年)第1 7卷 (5)在有限的体域 内只有有限个孔洞,即厶 (、 1 )一1; (6)在体域 内出现多于一个孔洞的概率是关于 的高阶无穷小,即 lim(1一 ( )一PI( ))/A一0 (1) 假设CT扫描分辨率的面积为A,由前面假设可知在体域 中损伤孔洞的个数 为k的概率为 一志)一exp(一 (2) 式(2)中 为单位面积损伤孔洞(微裂纹)个数的数学期望或称损伤孔洞集度. 若无损伤基体岩石的密度为 ,分辨单元内孔洞(微裂纹)个数为 ,则分辨单元内平均密 度分布为: P—P。(1一,z J (3) (4) (5) 对于不同的分辨单元,式(3)中 的分布规律可由式(2)给出.对于式(3)求其均值和方差 得 E(P)一 (1一 A) ZXp)一 。—Ao 岩石损伤密度分布对应的CT数的均值和方差在CT扫描过程中可很方便地知道. 由式(4),(5)可求出损伤孔洞(微裂纹)面积A与损伤孔洞集度 为 4o一 .D (A) A (6) 一 ㈩ 这里.4o, 均只是在一个分辨单元内. 所以只要由CT扫描过程中CT数的均值和方差换算成岩石密度P的均值和方差,便可由 式(6),(7)求出每个分辨单元内单元面积损伤缺陷平均个数 及损伤缺陷平均大小A的值. 相应的扫描截面上的损伤变量计算如下: D一 一 Sd一 ㈣ 式中: 为扫描截面面积, ,,为扫描截面有效面积, 为扫描截面损伤缺陷面积,Ⅳ为扫描截 面内分辨单元数目,D为扫描截面损伤变量. 若( 设备分辨率为弛,此时Ⅳ一 ,则式(8)可写为: D— 1mo A一 1一 7 ‘L Po].J (9) (10)() CT数和岩石材料密度之间具有成正比的关系,CT数的分布规律本身反映了岩石损伤密 度的分布规律,岩石密度与CT数之间的定量关系 ]: P一 一而 很显然,当岩石无损时,即H一 时,JD— .po.由(9)式和(10)式得: 维普资讯 http://www.cqvip.com 第2期 杨更社等:寒区冻融环境条件下岩石损伤扩展研究探讨 225 D一去[ 值,E( 是被检测岩石( 数的均值. ] … 式中D是岩石的损伤变量,m0是CT设备的分辨率系数,Hr是无损伤岩石的CI"数均 用式(11)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1、表2、表3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1 砂岩冻融循环次数及计算出的损伤变量 Tab.1 Frost and thaw cycles and damage variables of ̄ndstone . 表2 页岩冻融循环次数及计算出的损伤变量 Tab.2 Frost and thaw cycles and damage variables of shale 表3煤样冻融循环次数及计算出的损伤变量 Tab.3 Frost and thaw cycles and damae varigables of coal 5 结论 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( 数进行分析,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的岩石损伤扩展特性,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. 致谢:参加实验工作的还有q-国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实 验室的张长庆研究员、常晓小工程师和冯小太同志,在此致谢. 维普资讯 http://www.cqvip.com 226 实 验力 学 (2OO2年)第1 7卷 参考文献: [1] Ershov E D.Water migration of frozen soils in a open system[c].Proceeding of the 6th International Symposium on Ground Freezing,1991:11—15. [2] Soloatin V I.Water miratgion and ice segregation in the transition zone between thawed and frozen,soil[J]. Permafrost and Periglacial Proce, ̄es,1995,5:185—190.s E33 Lemaiter.Damage measurements[J].EngineeringFracture Mechanics,1987,28(5—6):643—661. [4] Toshiyuki,Kawamura.Olaersvations of the internal srtucture of sea ice by X ray computed tomography[J].J of Geophy.Research,1988,a3(c3):2 343—2 350. [5]徐学祖.冻融循环对石灰土路基稳定性的影响[A].见:程国栋.第五届全国冰川冻土学大会论文集[c]. 兰州:甘肃文化出版社,1996.627—631. [6]虞洪辉,杨卫.空洞损伤的CT识别[J].力学与实践,1993,15(6):41—44. [7]杨更社,谢定义,张长庆等.岩石损伤CT数分布规律的定量分析[J].岩石力学与工程学报,1 998,l 7 (3):279—285. [8]杨更社,谢定义,张长庆.岩石损伤特性的CTiP, ̄JU[J].岩石力学与工程学报,1996,15(1):^l8 Discussion on the Damage Propagation for the Rock Under the Frost and Thaw Condition of Frigid Zone YANG Geng—she ~。PU Yi—bin .Ma Weiz (1.Xi an University of Science&Technology,Xi an 710054:2.State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering,CAS,Lanzhou 730000) A ̄tract:Results are obtained from CT scanning test of rock under the condition of frost and thaw. The damage propagation in rock was studiedThe influence of frost and thaw cycles on the damage .propagation is discussed.The constitutive relation for damage propagation of rock under frost and thaw condition is analyzed. Key words:frost and thaw cycles;rock;damage propagation;consti tutive relation