深部人工凍土CT試驗(yàn)分析方法研究

吉海軍

(西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系，陜西西安 710077)

今后20年我國很多煤礦都將進(jìn)入到1 000 m～1 500 m的開采深度，深部人工凍土的力學(xué)性狀研究對(duì)深部凍結(jié)鑿井工程穩(wěn)定性具有重要意義。我國已建成的最深凍結(jié)立井工程之一——巨野礦區(qū)郭屯礦702 m凍結(jié)立井工程，布置主、副、風(fēng)三個(gè)井筒，三井筒均采用凍結(jié)法施工。試驗(yàn)土樣就取自郭屯礦主井580 m深處。CT技術(shù)(Computerized Tomography，計(jì)算機(jī)層析識(shí)別技術(shù))主要基于射線與物質(zhì)的相互作用原理，通過投影重建方法獲取被檢測(cè)物體的數(shù)字圖像。CT無損檢測(cè)不破壞試驗(yàn)樣品的整體性，且能在試驗(yàn)加載全程對(duì)樣品不同斷面進(jìn)行多次檢測(cè)，能真實(shí)反應(yīng)凍土內(nèi)部微結(jié)構(gòu)變化，是研究深部人工凍土加載條件下內(nèi)部結(jié)構(gòu)演化的有效手段。Matlab軟件能提取掃描圖像中每一點(diǎn)的灰度值，對(duì)土顆粒、冰晶及空隙成分進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1 深部人工凍土試樣CT力學(xué)試驗(yàn)

將所取土樣按《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》配制成20%，25%和32%三種不同含水率的試驗(yàn)土樣，并分別制成φ32 mm×48 mm的圓柱體試樣，在冰柜中恒負(fù)溫凍結(jié)。

1．1 空氣和冰成分灰度值界定試驗(yàn)

試驗(yàn)先對(duì)土樣中的空氣和冰成分進(jìn)行界定，確定空氣和冰的灰度值范圍。通過在試樣中心挖出一個(gè)圓形孔洞，孔洞中為空氣或?yàn)樽⑺髢鼋Y(jié)成的冰，將凍結(jié)好的試樣分別在CT設(shè)備上掃描，然后利用Matlab軟件對(duì)掃描圖像中空氣和冰的灰度值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1．2 正融狀態(tài)的力學(xué)性能試驗(yàn)

空氣和冰的灰度值范圍確定后，進(jìn)行正融狀態(tài)下的力學(xué)性能試驗(yàn)，對(duì)不同含水率的凍土試樣分級(jí)加載并掃描，在初始狀態(tài)和各級(jí)荷載施加完成后，對(duì)圖1所示的a～g斷面進(jìn)行實(shí)時(shí)CT掃描，d斷面為人工凍土試樣1/2高度處，a～g之間分別間隔1 mm。

圖1 各含水率人工凍土試樣CT掃描位置圖

2 CT試驗(yàn)結(jié)果分析

2．1 空氣和冰的灰度值范圍

凍土試樣孔洞中心內(nèi)空氣和冰的CT掃描圖像及灰度值分析結(jié)果如圖2所示。圖2b)中空氣的灰度值主要分布在1 000～3 000范圍內(nèi)，圖2d)中冰的灰度值主要分布在3 000～4 000范圍。兩者沒有重合部分，可通過灰度值區(qū)分空氣和冰。

圖2 人工凍土試樣中空氣和冰的灰度值分布情況

2．2 正融狀態(tài)的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

初始狀態(tài)和每級(jí)荷載施加完成后，均可獲得a～g 7個(gè)斷面的掃描圖像，圖3和圖4分別為25%，32%含水率的人工凍土試樣d斷面的CT加載掃描圖像。

比較圖3和圖4可以看出:

1)初始狀態(tài)時(shí)，含水率越低的人工凍土試樣內(nèi)部的微孔隙、微裂隙越少，土樣越密實(shí);隨著含水率的增大，土樣內(nèi)部微孔隙、微裂隙明顯增多，這主要是受孔隙冰凍結(jié)的影響。2)圖3，圖4中各掃描斷面的微孔隙、微裂隙隨著荷載的增大逐漸減少，說明人工凍土試樣高度中部，在載荷作用下內(nèi)部逐漸被壓密，試樣的破壞主要是由于試樣頂部和底部融化過快，很快軟化而不能繼續(xù)承載。

圖3 25%含水率人工凍土試樣d斷面每級(jí)荷載CT掃描圖像

圖4 32%含水率人工凍土試樣d斷面每級(jí)荷載CT掃描圖像

圖5為各含水率人工凍土試樣破壞時(shí)的立面掃描圖像，可以看出，20%含水率人工凍土試樣高度中部被壓粗，呈鼓形破壞;含水率25%和32%的人工凍土試樣是頂部和底部先壓粗，呈X形破壞。圖6為不同含水率的深部凍土試樣軸向應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線，圖6表明含水率越高的人工凍土試樣，相同載荷下的變形量越大，且能承受的破壞載荷越小。

圖5 不同含水率試樣破壞時(shí)立面掃描圖像

圖6 不同含水率人工凍土試樣應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線

2．3 孔隙率和平均灰度值統(tǒng)計(jì)分析

利用Matlab圖像處理軟件，統(tǒng)計(jì)分析各含水率的人工凍土試樣各個(gè)斷面不同荷載作用下CT掃描圖像，主要分析各斷面微孔隙所占比例(即孔隙率)和選定區(qū)域的平均灰度值隨荷載增加的變化情況。

圖7為沿圖3中對(duì)應(yīng)箭頭的灰度值變化曲線。

圖7中，初始狀態(tài)時(shí)沿箭頭的灰度值分布很不均勻，反映出人工凍土試樣內(nèi)部的微孔隙、微裂隙及冰晶分布不均勻。對(duì)照CT圖像，圖3a)中箭頭穿過的微孔隙、微裂隙及冰晶(深黑色部分)的灰度值均小于7 000，統(tǒng)計(jì)分析時(shí)取灰度值小于6 600的為細(xì)觀孔洞或冰晶。隨著載荷的逐漸增大，沿箭頭的灰度值分布逐漸趨于均勻，且灰度值小于7 000的范圍明顯減少，說明土樣內(nèi)部的微孔隙、微裂隙減少，冰晶融化，試樣逐漸被壓密。

根據(jù)不同含水率人工凍土試樣a斷面和d斷面的孔隙率、平均灰度值的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)繪制其孔隙率、平均灰度值隨載荷的變化曲線，如圖8所示。

從圖8可以看出:

1)隨著含水率增大，人工凍土試樣的孔隙率逐漸增大，平均灰度值則逐漸減小。

圖7 25%含水率人工凍土試樣d斷面沿圖3箭頭的灰度值變化曲線

圖8 不同含水率的人工凍土試樣的孔隙率、平均灰度值變化曲線

2)含水率20%的人工凍土試樣，隨著荷載的增大，孔隙率先略有增大再減小，再逐漸增大直到破壞;而平均灰度值則是先減小再增大，再逐漸減小;平均灰度值越大反映出土樣內(nèi)部越密實(shí)，所以平均灰度值變化所反映的土樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化與孔隙率反映的土樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化一致。

3)25%含水率的人工凍土試樣，隨著荷載的增大，各掃描斷面的孔隙率先略有增大，然后很快減小;平均灰度值則是先略減小再快速增大;均反映出各斷面被逐漸壓密，這主要是因?yàn)樵摵试嚇邮琼敳亢偷撞勘幌葔簤牟荒芾^續(xù)承載。

4)32%含水率的人工凍土試樣，孔隙率隨荷載的增大很快減小，平均灰度值隨荷載的增大很快增大，各掃描斷面很快被壓實(shí)，因?yàn)槠茐陌l(fā)生在試樣頂部和底部，中部變形不明顯。

3 結(jié)語

通過對(duì)土樣中空氣成分和冰成分的界定，其灰度值分布范圍互不重合。而人工凍土試樣的灰度值分布不均勻，有部分出現(xiàn)在空氣和冰的灰度值分布范圍內(nèi)，這足以確定這部分為微孔隙、微裂隙或冰晶。

通過Matlab軟件統(tǒng)計(jì)分析的人工凍土試樣孔隙率和平均灰度值變化情況與CT掃描圖像的變化情況一致，由此說明，利用灰度值分析方法判斷人工凍土內(nèi)部結(jié)構(gòu)演化及界定各相成分是完全可行的。

［1］劉 波，吉海軍，李東陽，等．郭屯立井深部人工凍土的CT力學(xué)試驗(yàn)研究［A］．煤炭科學(xué)與技術(shù)研究論文集［C］．2010．

［2］Otani J，Mukunoki T，Obara Y．Application of X-ray CTmethod for characterization of failure in soils［J］．Soils and Foundations，2000，40(2):111-118．

［3］蒲毅彬，朱元林．CT用于凍結(jié)土、巖及冰的無損動(dòng)態(tài)試驗(yàn)研究［J］．自然科學(xué)進(jìn)展，1998，8(2):251-253．

［4］孫 紅，葛修潤，牛富俊，等．上海粉質(zhì)粘土的三軸CT實(shí)時(shí)細(xì)觀試驗(yàn)［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005，24(24):4559-4564．

［5］吳紫旺，馬 巍，蒲毅彬，等．凍土蠕變過程中結(jié)構(gòu)的CT分析［J］．CT 理論與應(yīng)用研究，1995，4(3):31-34．