水環(huán)境下泥巖崩解過程的CT觀測與數(shù)值模擬研究

呂勇剛，陳濤

（1.中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100088；2.寧波市高等級公路建設(shè)指揮部，浙江 寧波 315192；3.寧波大學(xué)，浙江 寧波 315211）

水環(huán)境下泥巖崩解過程的CT觀測與數(shù)值模擬研究

呂勇剛1，陳濤2，3

（1.中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100088；2.寧波市高等級公路建設(shè)指揮部，浙江 寧波 315192；3.寧波大學(xué)，浙江 寧波 315211）

為認(rèn)識泥巖崩解過程，首先探討采用X-光計算機(jī)斷層掃描（CT）觀測泥巖崩解過程，揭示了泥巖的崩解機(jī)制是最初的微小裂縫為水滲透進(jìn)入泥巖提供了最初路徑，滲入泥巖的水導(dǎo)致黏土礦物質(zhì)膨脹，而碳酸鹽離子溶液會破壞泥巖的整體性，降低泥巖的局部承載能力，導(dǎo)致宏觀裂紋發(fā)展和泥巖崩解。為全面描述泥巖的崩解機(jī)制，建立了一個體現(xiàn)滲透系數(shù)與材料塑-拉應(yīng)變之間關(guān)系的本構(gòu)模型，通過數(shù)值方法再現(xiàn)了泥巖崩解過程，為進(jìn)一步認(rèn)識和防治泥巖崩解災(zāi)害提供關(guān)鍵依據(jù)。

水敏性巖石；崩解過程；數(shù)值模擬；計算機(jī)斷層掃描

0 引言

諸如泥巖一類的水敏感性巖體，因其吸收水之后的力學(xué)強(qiáng)度急劇弱化，因此通常被看作不良工程地質(zhì)體[1]。在實際情況中，巖土工程中出現(xiàn)的大量災(zāi)難性問題，比如滑坡、邊坡巖體崩塌、頂板垮塌等都與水環(huán)境下的水敏感性巖體的崩解和弱化密切相關(guān)[2-3]。水敏感性巖石的工程災(zāi)害事故表明其水弱化效應(yīng)是關(guān)鍵因素?，F(xiàn)有研究表明：水能夠以多種方式導(dǎo)致該種巖體劣化，包括直接軟化其力學(xué)強(qiáng)度、溶解某些溶解性碳酸鹽、引起黏性礦物質(zhì)膨脹并引發(fā)該泥巖內(nèi)部裂縫擴(kuò)大。雖然現(xiàn)有研究初步揭示了泥巖與水之間的崩解特性，但泥巖內(nèi)部水是如何導(dǎo)致水敏感性巖體崩解這一微觀演化過程的認(rèn)識還不足；而且水致崩解過程的數(shù)值模擬方法還有待完善。

近年來，新的觀測技術(shù)，即X光CT（計算機(jī)斷層掃描儀）已經(jīng)被成功地用于醫(yī)學(xué)診斷和材料試驗[4-5]。由于該技術(shù)的快速和量化特征以及無損害探測樣本的能力，可以說該斷層掃描技術(shù)能真正地提供一個三維圖像，實現(xiàn)對水環(huán)境下的泥巖劣化過程的可視化觀測。同時，水和材料力學(xué)之間的耦合理論的最新理論進(jìn)展也為發(fā)展模擬泥巖與水之間的崩解過程的數(shù)值模擬技術(shù)提供了基礎(chǔ)。

為此，本文首次揭示了采用工業(yè)用CT觀測泥巖崩解的細(xì)觀過程，揭露了水致崩解的微觀機(jī)理，進(jìn)而采用耦合數(shù)值模擬方法建立了滲透系數(shù)與材料塑性拉應(yīng)變之間的關(guān)系，實現(xiàn)對泥巖崩解過程的數(shù)值再現(xiàn)分析。

1 實驗方法

1.1 泥巖基本特征

本實驗所采用的紅色泥巖形成于震旦紀(jì)（Z2）。為了解其礦物質(zhì)成份，首先采取3個樣本進(jìn)行了X光衍射試驗。表1列出了目標(biāo)泥巖的礦物質(zhì)成分及各成分的百分比。試驗表明該泥巖成分主要為綠泥石、伊利石、石英石、方解石。由于該泥巖的膨脹性礦物質(zhì)含量超過了44%（綠泥石和伊利石），可認(rèn)為其水敏感性特性可能較為顯著。

表1 泥巖的礦物質(zhì)成分Table1 M ineralelementsofmudrock %

單軸壓縮試驗表明泥巖的單軸抗壓強(qiáng)度（UCS）隨著其飽和比增加迅速減小。尤其是，當(dāng)泥巖在水中浸泡1個月進(jìn)入飽和狀態(tài)后，泥巖的單軸抗壓強(qiáng)度從45 MPa降至9MPa。

1.2 觀測法

采用德國西門子生產(chǎn)的醫(yī)用斷層掃描儀觀測泥巖的崩解過程。該儀器的三維空間中的分辨率約為0.3mm、0.3mm、0.6mm。首先將直徑為50 mm，厚度為100 mm的烘干泥巖樣本固定在帶孔的有機(jī)玻璃支撐架上。經(jīng)干燥條件下的初次斷層掃描之后一段時間，將干樣本放入裝滿水的容器中，使該樣本與水接觸一定時間。然后將這些樣本取出來，放入計算機(jī)斷層掃描儀進(jìn)行掃描。在實際操作中，當(dāng)泥巖樣本與水之間的接觸時間達(dá)到0.3 h、1 h、3 h、9 h、30 h、75 h、245 h和743 h之后，對該樣本進(jìn)行斷層掃描。見圖1。

圖1 泥巖CT測試實驗方法Fig.1 Experim entalmethod ofmud rock observed by CT

2 泥巖崩解過程

2.1 泥巖內(nèi)部的實時崩解

將經(jīng)過不同浸泡時間的泥巖樣本放入計算機(jī)斷層掃描儀，觀測到了該樣本內(nèi)部裂縫的擴(kuò)大過程，揭示了該泥巖內(nèi)部的裂縫演變的空間和即時的特征（如圖2所示），主要如下：

圖2 三維CT掃描觀測泥巖的崩解過程Fig.2 Disintegration processofmudrock observed by CT

1） 斷層掃描的圖像顯示該干泥巖有大量原始開裂，水經(jīng)過這些開裂滲入該泥巖內(nèi)部。因此，通過掃描成像，觀測到這些原始開裂周圍出現(xiàn)水弱化裂縫，探測到的裂縫會延伸和變寬，在整個時間段，產(chǎn)生新裂縫。

2） 在裂縫擴(kuò)大期間，個別裂縫相向擴(kuò)大，呈交叉趨勢。這樣，經(jīng)過相當(dāng)一段時間的泥巖和水相互作用之后，形成了網(wǎng)狀裂縫。

3） 由于水弱化裂縫的增大是基于原始裂縫，原始裂縫的不均勻性導(dǎo)致新裂縫不成比例的增長。這樣，觀察到了掃描儀中的泥巖樣本內(nèi)的非規(guī)則裂紋。

4）掃描儀觀察結(jié)果表明：常溫條件下該泥巖的水-泥巖相互作用的最強(qiáng)的活躍時間發(fā)生在30 h，這期間裂縫發(fā)展迅速。

三維CT觀測結(jié)果顯示水環(huán)境下泥巖隨時間逐漸崩解，表現(xiàn)為該樣本內(nèi)部的裂縫增長使得泥巖解體為多個小塊頭。顯然，這些網(wǎng)狀裂縫破壞了該泥巖的整體性，降低了它的承載能力。事實上，觀測的泥巖微結(jié)構(gòu)的劣化特性也印證了前述泥巖單軸抗壓強(qiáng)度隨著飽和度增加而降低的試樣結(jié)果。

2.2 機(jī)理討論

導(dǎo)致泥巖崩解的關(guān)鍵因素包括特殊歷史形成過程和自身的礦物構(gòu)成。

在泥巖形成的歷程中，泥質(zhì)沉積層中的空隙水和結(jié)合水可以通過高壓和高溫擠出，從而在泥巖內(nèi)部形成了隱性的水排出通道裂縫（如圖3）。這些裂縫為后期的水滲透提供了一個最初路徑。當(dāng)泥巖遇水后，由于親水礦物再次吸水膨脹，從而使得原始裂縫再次擴(kuò)展。

圖3 通過電子顯微鏡掃描觀測到的泥巖隱性裂縫Fig.3 Invisible fracturesobserved by scanning electron m icroscopy

更為重要的是，該泥巖是親水黏性礦物質(zhì)和非親水礦物質(zhì)的復(fù)合體（見表1），泥巖中的黏性礦物質(zhì)體積在吸水之后增大很多，比如式（1），水能使綠泥石體積增加約50%～60%。

在泥巖與水的相互作用中，泥巖的碳酸根離子與溶液中的發(fā)生交換，比如CaCO3，Mg（SO4）2，同步腐蝕了礦物顆粒之間的黏結(jié)料，這樣可降低裂縫擴(kuò)大的應(yīng)力閥值。

可見，泥巖遇水崩解是地質(zhì)成巖過程和自身礦物質(zhì)組合的結(jié)果。微裂縫為水滲入泥巖內(nèi)部提供了原始途徑，而滲入內(nèi)部的水經(jīng)過物理化學(xué)反應(yīng)，引起黏性礦物質(zhì)和碳酸鹽離子溶液的體積增長，最后不利的裂縫擴(kuò)展及礦物溶解導(dǎo)致裂縫網(wǎng)絡(luò)化而崩解（如圖4）。

圖4 泥巖的遇水崩解機(jī)理Fig.4 W ater-deterioratingmechanism formudrock

2.3 數(shù)值驗證

為了確認(rèn)上述泥巖在水中的開裂機(jī)理，進(jìn)一步建立了數(shù)值模型來重現(xiàn)該實驗現(xiàn)象。首先用隨機(jī)黏性礦物質(zhì)組分和非黏性礦物質(zhì)組分制作了網(wǎng)狀泥巖模型。在模型中，黏性礦物質(zhì)成分和非黏性礦物質(zhì)成分的百分比是依據(jù)前述表1的結(jié)果。那些代表黏性礦物的成分被設(shè)置成低彈性模型、低黏性強(qiáng)度和高膨脹能力，而其他成分代表非黏性礦物質(zhì)成分被設(shè)為高彈性模型、高黏性強(qiáng)度和低膨脹能力。在該網(wǎng)狀模型的邊界，設(shè)置了4條原始裂縫作為滲水路徑。

在水滲入泥巖過程中，泥巖與水之間的物化交叉能喚醒泥巖的黏結(jié)強(qiáng)度和顯微組織。具有不同飽和度S的泥巖實驗測試已經(jīng)表明，彈性模量E和抗拉強(qiáng)度C會隨著S的增加而增加。它們之間的關(guān)系可以用負(fù)指數(shù)方程來表達(dá)[6]。在式（2）和式（3）中，a，b，c，d為常數(shù)，它們可以根據(jù)實驗數(shù)據(jù)回歸。同時，由于黏性礦物質(zhì)料的不均勻延伸，某些細(xì)小單元會屈服。已屈服單元的滲透性系數(shù)將會發(fā)生相應(yīng)變化。假設(shè)單元中的滲透系數(shù)k的增加與其塑性拉應(yīng)變pt[7]相關(guān)，那么，這種關(guān)系可表述為式（4）。

式中：m，n為經(jīng)驗系數(shù)；k0為組分的初始滲透性系數(shù)。采用Rankin準(zhǔn)則抗拉強(qiáng)度準(zhǔn)則判斷單元屈服時，如式（5）所示。

滲透系數(shù)的增加會擴(kuò)大泥巖的吸水性[8]。黏性礦物質(zhì)的體積膨脹ε可用式（6）表述。

對于不能壓縮的組分，各項同性滲透方程可表述為：

式中：Ss為水力梯度。在滲透狀態(tài)下，力的平衡方程為：

式中：σij，j是根據(jù)空間坐標(biāo)的有效應(yīng)力σij的偏導(dǎo)數(shù)；f（iH）為滲流的體積力；Xi為外部荷載。

根據(jù)式（7）和式（8），可獲得考慮了水軟化的耦合方程，表達(dá)為矩陣：式中：[H]為水頭矩陣； [dσ]為應(yīng)力增量矩陣；[B]為應(yīng)變矩陣，與荷載應(yīng)變εij和膨脹應(yīng)變ε有關(guān)； [E]為彈性矩陣，與飽和率S有關(guān)； [K]為節(jié)點的硬度矩陣； [d u]為節(jié)點的位移增量； [F]為滲透力矩陣。顯然，式（9）代表受應(yīng)力場影響的滲流效應(yīng)；式（10）描述了應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系；式（11）表示滲流作用下的力平衡。因此，上述方程能模擬基本的巖石遇水軟化過程。借助FLAC3D中提供的用戶自定義模塊，可將這些本構(gòu)方程采用C++寫入，從而實現(xiàn)上述本構(gòu)模型的程序化[9]。

通過數(shù)值模擬程序和設(shè)置合理的參數(shù)，該泥巖遇水崩解過程的數(shù)值模擬過程如圖5所示。在圖5中，水致裂縫首先出現(xiàn)在原始裂縫周圍。泥巖的力學(xué)強(qiáng)度的降低以及不均勻膨脹應(yīng)力驅(qū)使裂縫在不同的虛擬計算時間內(nèi)逐步擴(kuò)展，最后裂縫發(fā)展成網(wǎng)狀趨勢。由于上述數(shù)值模擬考慮了泥巖遇水軟化這一微觀關(guān)系并再現(xiàn)了實驗觀察結(jié)果，基本可認(rèn)為對泥巖水致崩解的理解是可靠的。

圖5 水致開裂過程的數(shù)值結(jié)果Fig.5 Num erical resultsofw ater-induced cracking process

3 結(jié)語

在本研究中，采用計算機(jī)控斷層掃描系統(tǒng)（CT）來觀察水環(huán)境中泥巖的崩解過程。CT掃描觀測結(jié)果揭露了泥巖內(nèi)部裂縫的分階段演化過程，包括原始裂縫的擴(kuò)展、裂紋網(wǎng)絡(luò)化延伸行為、裂縫分布的空間不均勻以及裂紋擴(kuò)展的活躍階段。

歷史性成巖過程以及自身材料成分是導(dǎo)致泥巖與水相互作用后發(fā)生崩解行為的主要原因，在泥巖與水之間的相互作用中，物理膨脹力和化學(xué)溶解是主要驅(qū)動力。

基于上述認(rèn)知，開發(fā)了泥巖崩解過程模擬的數(shù)值分析方法用于模擬水與泥巖相互作用過程，從而再現(xiàn)了泥巖遇水崩解過程。

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CT observation and numerical sim ulation ofm udrock disintegrating process in water environment

LYUYong-gang1,CHEN Tao2,3
（1.CCCCHighway Consultants Co.,Ltd.,Beijing 100088,China;2.Headquarter of High Grade Highway Construction of Ningbo,Ningbo,Zhejiang315192,China;3.Ningbo University,Ningbo,Zhejiang315211,China）

For knowing the disintegration process of themudrock,we discussed that themudlock disintegration process had been detected by the X-ray Computerized Tomography (CT).The observation indicated that the disintegratingmechanism of thismaterial underwater environment is that themicro fractures firstly provide the initial path for thewater to seeping into the unloaded mudrock,the seeped water would induce the swelling of clay m inerals and ion solution of carbonate,damage the integrity of themudrock,reduce its bearing capacity,and resultantly lead to extension of cracks.A numericalmodel,which builds the relationship between permeability coefficient and material p lastic-tension strain,was developed to describe the mudrock＇s disintegrating process.This study presents experimental and numerical hints for disaster prevention of watersensitivemud rock.

water-sensitive rock;disintegrating process;numerical simulation;CT scanning

TU435

A

2095-7874（2015）05-0024-04

10.7640/zggw js201505007

2015-01-14

呂勇剛（1978— ），男，湖北黃崗市人，高級工程師，隧道及建筑工程專業(yè)。E-mail：feeling_lv@126.com