基于CT掃描的巴東組易滑巖組微觀結(jié)構(gòu)劣化研究

孟 朕，吳 瓊，魯 莎，劉智琪

(中國地質(zhì)大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074)

隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，三峽工程在為人類帶來巨大社會經(jīng)濟效益的同時，也對庫區(qū)內(nèi)地質(zhì)環(huán)境造成了諸多潛在的影響，極易引發(fā)各種地質(zhì)災害。巴東組是由德國地質(zhì)學家李?；舴矣?912年在巴東縣長江沿岸所命名的“巴東層”(Patung-Schichten)演變而來，該地層屬海退序列兼有震蕩運動形式下形成的濱-淺海相不純碳酸鹽巖及泥砂巖建造，主要分布在我國鄂西和川東地區(qū)，隸屬于三疊系中統(tǒng)，是三峽庫區(qū)內(nèi)典型的易滑地層[1-3]。由于沉積旋回的作用，不同巖性相互交替出現(xiàn)在巴東組地層中十分常見，多為軟巖與硬巖互層狀相互交替出現(xiàn)，并且在庫水位升降和降雨等外界因素的影響下，位于水庫庫岸消落帶內(nèi)的巴東組軟硬互層巖體長期經(jīng)受著“干濕循環(huán)”的劣化作用影響，其物理力學性質(zhì)逐漸發(fā)生累積性劣化，極易導致各種地質(zhì)災害的發(fā)生[4-6]。對于巖石而言，微觀結(jié)構(gòu)往往很大程度上會控制其宏觀力學性質(zhì)，因此研究巴東組典型易滑巖組在干濕循環(huán)作用下微觀結(jié)構(gòu)的累積性劣化，是分析三峽庫區(qū)內(nèi)巴東組軟硬互層巖體劣化的基礎(chǔ)。

利用CT掃描技術(shù)研究巖石內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)已經(jīng)得到了廣泛應用，并且已成為研究人員認可的一種手段。如Raynaud等[7]采用醫(yī)用CT掃描技術(shù)得到了均質(zhì)石膏、花崗巖、紅層軟巖、白云巖等幾種樣本的斷面CT圖像；Shi等[8]利用CT掃描技術(shù)和分形理論分析了巖石內(nèi)部微裂紋的物理發(fā)育特征；Ren等[9]對砂巖樣品進行CT掃描，并根據(jù)2D圖像探討了三軸壓縮條件下裂紋的傳播規(guī)律；張全勝等[10]針對CT掃描技術(shù)在巖石損傷檢測中的應用，指出巖石CT掃描技術(shù)目前存在的問題，并預測了其未來的發(fā)展方向；張子涵等[11]將圖像處理、分形理論和數(shù)理統(tǒng)計相結(jié)合，根據(jù)CT掃描切片圖像，重建了紅層砂巖孔隙結(jié)構(gòu)空間分布模型，并計算了Hausdorff測度空間下紅層砂巖孔隙結(jié)構(gòu)分布盒維數(shù)與集束維數(shù)；張艷博等[12]利用工業(yè)CT掃描技術(shù)對巖石破裂過程進行了階段性觀測掃描，通過CT圖像堆棧矢量化處理構(gòu)建了巖石三維裂隙模型，定量化表征了巖石破裂過程中裂紋的擴展情況；張嘉凡等[13]為了研究巖石CT圖像分割及量化方法，提出了一種聚類算法與數(shù)字圖像處理技術(shù)相結(jié)合的方法，實現(xiàn)了巖石CT圖像的分割與量化；王章瓊等[14]通過對武當群片巖的CT數(shù)、縱波波速變化規(guī)律與其力學參數(shù)變化規(guī)律進行相關(guān)性分析，指出縱波波速與片巖力學參數(shù)的相關(guān)性更顯著；王傳洋[15]通過對巖石CT圖像進行裂紋面積、分維計算和三維重建，為多角度分析巖石應力-應變過程提供了思路；郎穎嫻等[16]采用CT掃描技術(shù)和邊緣檢測算法等方法，并結(jié)合有限元并行計算，建立了可反映巖石內(nèi)部細觀結(jié)構(gòu)的三維非均勻數(shù)值模擬方法；段永婷團隊[17-21]開展了單軸壓縮條件下頁巖的在位微米CT試驗，研究了頁巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征及其對頁巖破裂演化和破壞模式的影響規(guī)律；鐘江城等[22]通過深部煤體單軸壓縮的實時CT掃描試驗，結(jié)合細觀統(tǒng)計損傷力學，提出了一種基于CT圖像灰度值定義煤體損傷變量的方法。此外，還有一些學者將3D打印與CT掃描相結(jié)合，研究了巖石破壞的內(nèi)部特征[23-25]以及一些其他材料的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)特征[26-29]。

利用CT掃描技術(shù)研究巖石內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的累積性損傷劣化，目前已經(jīng)得到了研究人員的廣泛關(guān)注。如楊更社等[30-31]借助于巖石材料凍融循環(huán)CT掃描試驗，對巖石材料在凍融循環(huán)作用下的損傷擴展特性進行了研究；張全勝[32]從細觀損傷力學理論出發(fā)，利用CT掃描技術(shù)研究了巖石在凍融循環(huán)過程中內(nèi)部細觀損傷的擴展機理及相應損傷結(jié)構(gòu)的變化；王煥[33]通過凍融紅砂巖的CT掃描試驗，從細觀角度對紅砂巖在不同凍融次數(shù)下的凍融劣化機理和損傷演化規(guī)律進行了研究。

上述研究均針對凍融循環(huán)作用下巖石的累積性破壞，而對于干濕循環(huán)作用下巖石的累積性破壞也有較多研究。如姚遠[34]利用CT掃描技術(shù)重點討論了干濕循環(huán)作用下泥巖強度損傷的機制；王子娟[35]、劉廣寧[36]和苗亮等[37]通過干濕循環(huán)、CT斷面掃描和三維立體重建等試驗，研究了三峽庫區(qū)消落帶巖石的劣化特性；Yao等[38]利用CT掃描技術(shù)對三峽水庫周期性濕潤-干燥的砂巖進行了物理力學性質(zhì)研究，并指出在濕潤-干燥循環(huán)過程中，砂巖的多尺度物理力學性質(zhì)均發(fā)生了顯著的變化。

綜上所述，CT掃描技術(shù)在巖石內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)損傷研究的應用方面，目前多集中于單一材料的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的劣化研究，而對具有明顯性質(zhì)差異的軟硬程度不同的巖石在干濕循環(huán)作用下的平行劣化對比研究則較少?；诖?，本文首先對野外采集的三峽庫區(qū)典型易滑巖組巴東組第二段紅色系列的粉砂質(zhì)泥巖和砂巖進行了不同次數(shù)(0次、1次、3次、6次和10次)的干濕循環(huán)試驗;然后對經(jīng)歷不同干濕循環(huán)次數(shù)的粉砂質(zhì)泥巖和砂巖試樣進行CT掃描試驗和巖石飽和吸水率計算；最后利用后處理軟件對不同干濕循環(huán)次數(shù)下粉砂質(zhì)泥巖和砂巖的CT掃描圖像進行三維數(shù)字模型重建，并對重建模型的二維平面和三維立體結(jié)果進行定性描述與定量分析。該研究結(jié)果揭示了巴東組典型易滑巖組在干濕循環(huán)作用下巖石微觀結(jié)構(gòu)劣化過程，對三峽庫區(qū)內(nèi)地質(zhì)災害的防治與安全運營有著重要的工程意義與應用價值。

1 試樣制備

沉積旋回是指在一個沉積序列中規(guī)則地重復發(fā)生的、不同組構(gòu)及巖相的組合，常表現(xiàn)為巖性、巖相的交替變化。由于沉積旋回的作用，導致不同巖性組合在巴東組地層中十分常見，大多為軟巖與硬巖互層狀相互交替出現(xiàn)，其中最為典型的有兩類巖組：一類是灰色系列的泥質(zhì)灰?guī)r與泥巖互層巖組；另一類是紅色系列的粉砂質(zhì)泥巖與砂巖互層巖組。由于巴東組第二段紅色系列的粉砂質(zhì)泥巖與砂巖巖組工程地質(zhì)特性較差，加之降雨和庫水位升降等多種外界因素的影響，導致該易滑巖組極易在干濕循環(huán)的作用下發(fā)生變形破壞。鑒于此，本文選取巴東組第二段紅色系列的粉砂質(zhì)泥巖與砂巖互層巖組為研究對象，取樣地點位于巴東縣新縣城銅鼓包附近，見圖1。

現(xiàn)場所采集的新鮮巖樣整體完整性良好，大部分為類長方體形，平均尺寸約為50 cm×50 cm×20 cm，在運輸途中加入泡沫板、橡膠輪胎等防震填充物，力求減少運輸過程中對巖樣的擾動和破壞，因此基本保持了巖樣的天然狀態(tài)。對野外采集的巴東組第二段紅色系列的粉砂質(zhì)泥巖和砂巖新鮮巖樣在中國地質(zhì)大學(武漢)巖石力學試驗室按照相關(guān)規(guī)范標準進行試樣加工，最終得到加工后的尺寸為70 mm×70 mm×50 mm的長方體粉砂質(zhì)泥巖和砂巖試樣各一件(見圖1)，用于開展巴東組易滑巖組在干濕循環(huán)作用下巖石內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)劣化的研究。

圖1 巴東組易滑巖組取樣位置圖及試樣照片F(xiàn)ig.1 Sampling locations of sliding-prone formation of Badong formation

2 試驗方案

2. 1 干濕循環(huán)試驗

在之前針對干濕循環(huán)作用下巖石內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)劣化的研究中，學者們采用了各種各樣的干濕循環(huán)試驗方案[39-43]。其中，試樣飽和方式通常分為真空壓力飽和和自然浸泡飽和兩種方式；試樣烘干方式通常分為烘箱加熱烘干和自然風干兩種方式。本文擬采用學者們常用的試樣真空壓力飽和與烘箱加熱烘干的干濕循環(huán)試驗方案[44-50]，試驗裝置見圖2。具體試驗步驟如下：飽和時，將巖樣放入真空桶內(nèi)，加水至巖樣處于完全浸泡狀態(tài)，利用真空泵以-0.08 MPa壓力持續(xù)抽壓4 h，保持此真空度靜置20 h，完成飽和過程；烘干時，將飽和巖樣表面水分擦干，放入烘箱內(nèi)以105℃持續(xù)烘干24 h，完成烘干過程。在本次試驗中，巖樣共經(jīng)歷10次干濕循環(huán)，并分別在0次(天然狀態(tài))、1次、3次、6次和10次干濕循環(huán)后進行CT掃描試驗。為了方便CT掃描試驗的進行，擬采用先對巖樣飽和后烘干的順序進行干濕循環(huán)試驗，試驗用水采用蒸餾水。

巖石飽和吸水率是反映巖石水理性質(zhì)的重要指標之一，它可以直觀地反映出巖石內(nèi)部空隙的數(shù)量、大小以及閉合程度。巖石飽和吸水率越大，說明其內(nèi)部結(jié)構(gòu)越松散，空隙越多，工程地質(zhì)特性越差。因此，在每次干濕循環(huán)之后計算粉砂質(zhì)泥巖和砂巖的飽和吸水率。巖石飽和吸水率計算公式如下：

(1)

式中：Ws為巖樣的飽和吸水率(%)；ms為巖樣飽和后的飽和質(zhì)量(g)；md為巖樣烘干后的干質(zhì)量(g)。

圖2 干濕循環(huán)試驗儀器Fig.2 Wetting and drying test instruments

2.2 CT掃描試驗

本次試驗所使用的CT掃描設(shè)備為中國地質(zhì)大學(武漢)巖土鉆掘與防護教育部工程研究中心的phoenix v|tome|x s高分辨率工業(yè)進口巖石細觀損傷結(jié)構(gòu)三維透視掃描儀(以下統(tǒng)稱CT掃描儀)，見圖3。該設(shè)備可以對巖石進行非破壞性掃描，獲取其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的空間信息，如空隙結(jié)構(gòu)、裂紋走向等數(shù)據(jù)，并進行定量分析，具有獨特的240 kV微米焦點射線管、GE DXR 250非晶硅數(shù)字平板探測器以及高精度機械操作系統(tǒng)，且具備自動啟動、自動聚焦和恒功率控制功能，配有相應的三維重建軟件datos|x以及模型處理軟件VGStudio MAX。該設(shè)備掃描樣品尺寸的最大直徑為300 mm，最大高度為500 mm；系統(tǒng)細節(jié)辨識能力最小為2 μm，系統(tǒng)對比度、靈敏度依據(jù)ASTM標準優(yōu)于1%；射線管最高管電壓為240 kV，最高管電流≥3 mA；數(shù)據(jù)采集時間≤15 min，有效像素數(shù)目為2 0242，動態(tài)范圍為16 bit。

圖3 巖石細觀損傷結(jié)構(gòu)三維透視掃描儀Fig.3 3D perspective scanner for rock meso damage structure

為了獲得高質(zhì)量圖像結(jié)果，必須依據(jù)所掃描的樣本大小及材料類型來設(shè)置最佳掃描參數(shù)。本次CT掃描試驗設(shè)置的主要掃描參數(shù)為：管電壓110 kV，管電流100 μA，分辨率17 μm，16位CT掃描圖片共1 000張。分別對粉砂質(zhì)泥巖和砂巖在經(jīng)歷0次(天然狀態(tài))、1次、3次、6次和10次干濕循環(huán)后進行CT掃描試驗，利用datos|x軟件將1 000張CT掃描二維圖像進行三維堆疊重建，并將重建結(jié)果導入到VGStudio MAX中進行后續(xù)分析。VG-Studio MAX是一款對體素數(shù)據(jù)進行可視化與分析的軟件，包含眾多分析模塊，已廣泛應用于工業(yè)CT、醫(yī)學研究和生命科學等領(lǐng)域。利用VGStudio MAX軟件，可以對粉砂質(zhì)泥巖和砂巖的CT掃描結(jié)果進行某一特定位置剖面圖像提取、空隙率計算以及內(nèi)部裂紋提取計算等操作，從而獲得巖樣的諸多微觀結(jié)構(gòu)表征參數(shù)。

3 試驗結(jié)果與分析

3. 1 巖樣飽和吸水率試驗結(jié)果與分析

巴東組粉砂質(zhì)泥巖和砂巖飽和吸水率隨干濕循環(huán)次數(shù)(n)的變化曲線，見圖4。

圖4 巴東組粉砂質(zhì)泥巖和砂巖飽和吸水率隨干濕 循環(huán)次數(shù)的變化曲線Fig.4 Variation curves of saturated water absorption of silty mudstone and sandstone with wetting and drying cycles in Badong formation

由圖4可見，僅經(jīng)歷1次干濕循環(huán)后粉砂質(zhì)泥巖的飽和吸水率已經(jīng)明顯大于砂巖，說明在天然狀態(tài)下粉砂質(zhì)泥巖的內(nèi)部空隙和裂隙已經(jīng)相較砂巖發(fā)育豐富，工程地質(zhì)特性較差；在經(jīng)歷3次干濕循環(huán)之后，粉砂質(zhì)泥巖和砂巖的飽和吸水率明顯增加，粉砂質(zhì)泥巖的飽和吸水率由1.15%增加至1.62%，砂巖的飽和吸水率由0.71%增加至0.93%，粉砂質(zhì)泥巖的飽和吸水率較砂巖增加明顯；3～6次干濕循環(huán)后，粉砂質(zhì)泥巖的飽和吸水率增加緩慢，但仍處于上升狀態(tài)，其飽和吸水率在1.62%～1.73%之間，砂巖的飽和吸水率則幾乎趨于穩(wěn)定狀態(tài)，其值在0.93%～0.95%之間；6～10次干濕循環(huán)后，粉砂質(zhì)泥巖的飽和吸水率也幾乎處于穩(wěn)定狀態(tài)，其值在1.73%～1.80%之間，此時粉砂質(zhì)泥巖和砂巖的飽和吸水率均未發(fā)生明顯的變化，這表明干濕循環(huán)作用對巖石內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的劣化作用主要集中在前6次干濕循環(huán)，尤其是前3次干濕循環(huán)，而后4次干濕循環(huán)的劣化作用則相對較小。無論經(jīng)歷幾次干濕循環(huán)，粉砂質(zhì)泥巖的飽和吸水率始終高于砂巖，并且粉砂質(zhì)泥巖的飽和吸水率的變化幅度明顯高于砂巖，表明干濕循環(huán)作用對粉砂質(zhì)泥巖劣化作用的影響較大，而砂巖由于其所含黏土礦物較少且內(nèi)部礦物顆粒排列較緊密、穩(wěn)定，故干濕循環(huán)作用對其劣化作用的影響相對較小。

3.2 巖樣CT掃描試驗結(jié)果與分析

3.2.1 巖樣三維數(shù)字模型重建

巖樣經(jīng)CT掃描后首先得到的是一系列連續(xù)的二維X射線投影圖像，需要利用datos|x軟件將其轉(zhuǎn)化為三維數(shù)字模型，再利用VGStudio MAX軟件做進一步分析，具體過程見圖5。利用datos|x軟件對采集的巖樣二維數(shù)字圖像進行重建時，為了獲得更好的重建效果，需要在重建過程中采取一些優(yōu)化處理方法，具體如下：利用投影濾波器進行標準處理，以增強物體邊緣；利用高分辨率掃描優(yōu)化器優(yōu)化物體邊緣處條紋；利用射束硬化校正對光束硬化所產(chǎn)生的偽影進行優(yōu)化。優(yōu)化處理之后利用Feldkamp算法重建得到巖樣三維數(shù)字模型，再將三維數(shù)字模型導入VGStudio MAX軟件或其他處理軟件進行可視化和進一步分析。

圖5 巖樣三維數(shù)字模型重建過程Fig.5 3D digital model reconstruction process of rock samples

盡管在利用datos|x軟件進行巖樣三維數(shù)字模型重建時已經(jīng)對CT掃描圖像進行了優(yōu)化處理，但是仍會存在一些“偽影”的影響。偽影是指在CT掃描圖像中表現(xiàn)為與物體實際結(jié)構(gòu)不相符的圖像特征，通常與被掃描物體的形狀、大小以及掃描儀器硬件設(shè)備等有關(guān)。對巖石進行CT掃描時，如果僅研究其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不考慮其他試驗條件，要想獲得高分辨率圖像，并減少偽影的影響，試樣最好使用圓形柱狀體，并且尺寸不宜過大。但由于本次CT掃描試驗所采用的試樣后續(xù)還需進行其他試驗，因此這里采用的是方形試樣，CT掃描之后的二維數(shù)字圖像為矩形橫截面。在矩形截面成像時，X射線沿射線路徑是平均衰減的，但由于矩形截面對角線的長度要大于邊長，X射線沿對角線穿過時與沿邊長穿過時衰減路徑長度不同，因此會在二維數(shù)字圖像中出現(xiàn)明顯的對角線X形偽影以及若干不同直徑同心圓環(huán)向外發(fā)散的環(huán)狀偽影。為了避免偽影對分析結(jié)果產(chǎn)生影響，可以在分析時盡量選擇避開偽影位置。

3.2.2 巖樣二維平面圖像定性分析

利用VGStudio MAX軟件對不同干濕循環(huán)次數(shù)下巴東組粉砂質(zhì)泥巖和砂巖的CT掃描圖像進行剖面提取處理，擬在試樣水平方向上、中、下以及豎直方向前、中、后處各取一層剖面進行分析，由于軟件默認試樣中心位置為零點，故剖面選取位置分別為水平方向0 mm、15 mm和-15 mm處以及豎直方向0 mm、30 mm和-30 mm處，見圖6。由于本次巖樣CT掃描試驗涉及5種干濕循環(huán)次數(shù)、6處剖面提取位置以及兩種不同巖性，得到的剖面圖像較多，因此本文只展示巖樣劣化最明顯的中間位置原始剖面二維CT掃描圖像，即水平方向0 mm和豎直方向0 mm處，見圖7。

圖6 巴東組粉砂質(zhì)泥巖和砂巖CT掃描圖像剖面選取位置示意圖Fig.6 Schematic diagram of CT scanning image section selection location of silty mudstone and sandstone in Badong formation

圖7 不同干濕循環(huán)次數(shù)下巴東組砂巖和粉砂質(zhì)泥巖的二維CT掃描圖像和二值化圖像Fig.7 2D CT scanning images and binary images of sandstone and silty mudstone under different wetting and drying cycles in Badong formation

由圖7可以看出：

(1) 巴東組砂巖內(nèi)部整體劣化較弱，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，其內(nèi)部沒有明顯的裂紋產(chǎn)生，結(jié)構(gòu)依舊保持著相對致密的狀態(tài)，只有中心位置有一條極其細微的裂縫隱約產(chǎn)生。

(2) 巴東組粉砂質(zhì)泥巖內(nèi)部則劣化較明顯，對于水平方向剖面而言，試樣在天然狀態(tài)下結(jié)構(gòu)較為松散，但沒有明顯的微裂紋產(chǎn)生；隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，在1次干濕循環(huán)之后，試樣右側(cè)產(chǎn)生一條幾乎整體貫穿的微裂紋A1，并且在A1左側(cè)產(chǎn)生兩條微裂紋A2和A3的雛形，其發(fā)育相對不明顯；3次干濕循環(huán)后，微裂紋A1逐漸擴張，裂紋寬度逐漸增加，并且兩條微裂紋A2和A3發(fā)育明顯，A3幾乎橫穿整個試樣截面；6次干濕循環(huán)后，微裂紋A1、A2和A3逐步發(fā)育，并且在微裂紋A3右側(cè)萌生一條較為明顯的新裂紋A4；10次干濕循環(huán)之后，微裂紋A1、A2、A3和A4發(fā)育緩慢，裂紋寬度有逐漸增加的趨勢，沒有明顯的新裂紋產(chǎn)生。對于豎直方向剖面而言，試樣在天然狀態(tài)下結(jié)構(gòu)較為松散，依舊沒有明顯的微裂紋產(chǎn)生；隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，在1次干濕循環(huán)后，試樣下部產(chǎn)生一條斜向上發(fā)育的微裂紋B1；3次干濕循環(huán)后，微裂紋B1繼續(xù)發(fā)育，并且在試樣左側(cè)產(chǎn)生新的微裂紋B2和B3；6次干濕循環(huán)后，微裂紋B2和B3相遇貫通為一整條大裂紋B4，幾乎貫穿整個試樣截面；10次干濕循環(huán)之后，裂紋B4和B1發(fā)育緩慢，在其上部各產(chǎn)生了一條隱約可見的微裂紋B5和B6。

綜上所述，干濕循環(huán)作用對巴東組砂巖內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的影響相對較弱，沒有使其產(chǎn)生明顯的劣化；而干濕循環(huán)作用對巴東組粉砂質(zhì)泥巖內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的影響較大，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，粉砂質(zhì)泥巖內(nèi)部產(chǎn)生明顯的裂紋，并且裂紋逐漸擴展發(fā)育，大多數(shù)為近似于直線的長線型貫通裂紋，其中前6次干濕循環(huán)對于粉砂質(zhì)泥巖內(nèi)部產(chǎn)生的裂紋的擴展發(fā)育有著明顯的促進作用，后4次干濕循環(huán)的促進作用則相對較小。

3.2.3 巖樣二維平面圖像定量分析

為了更直觀、準確地表征干濕循環(huán)作用下巴東組粉砂質(zhì)泥巖和砂巖試樣內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)損傷的演化過程，擬對上述水平方向剖面的灰度值和豎直方向剖面的二值化圖像進行定量分析。事實上，提取出的試樣二維CT掃描剖面圖本質(zhì)上是一幅數(shù)字灰度圖像，像素是其基本元素，每一個像素對應一個不同亮度的灰度值，其值范圍在0～255之間，而不同亮度的灰度值又可以直接反映物質(zhì)的密度差異。因此，在提取出的試樣剖面灰度圖像中，灰度值越高的像素點處試樣的密度越高，表示該處為巖石顆粒，在圖像中表現(xiàn)為偏白色；灰度值越低的像素點處試樣的密度越低，表示該處為巖石中的空隙介質(zhì)，在圖像中表現(xiàn)為偏黑色。灰度直方圖則是將數(shù)字圖像中的所有像素點，按照其灰度值大小統(tǒng)計其在整個圖像中出現(xiàn)的頻率，其中橫坐標為灰度值大小，縱坐標為其對應灰度值在整個圖像中出現(xiàn)的總個數(shù)。利用Matlab軟件對擬分析的巖樣二維剖面原始圖像先進行中值濾波去噪，然后計算不同干濕循環(huán)次數(shù)下巴東組砂巖和粉砂質(zhì)泥巖水平方向剖面二維CT掃描圖像的平均灰度值及灰度標準差，并繪制其灰度直方圖擬合曲線，其計算結(jié)果見表1和圖8。在巖樣CT掃描圖像中，平均灰度值越低，表明巖石內(nèi)部裂紋發(fā)育越豐富，內(nèi)部空隙越多；而灰度標準差則反映了CT掃描圖像自身的對比度，灰度標準差越大，表明巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)越松散，情況越復雜。

表1 不同干濕循環(huán)次數(shù)下巴東組砂巖和粉砂質(zhì)泥巖水平方向剖面二維CT掃描圖像的平均灰度值及灰度標準差計算結(jié)果

由表1可知：巴東組砂巖的平均灰度值普遍大于粉砂質(zhì)泥巖，并且隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加砂巖平均灰度值的變化幅度較小，平均灰度值變化范圍在93～101之間，灰度標準差變化范圍在20.33～22.25之間，表明干濕循環(huán)作用對砂巖內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的影響較?。欢蜄|組粉砂質(zhì)泥巖則相反，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，粉砂質(zhì)泥巖的平均灰度值逐漸減小，其由98逐漸減小為82，灰度標準差由20.41增加到26.72，并且其在6次干濕循環(huán)后劣化基本完成，此時平均灰度值已減小到85，粉砂質(zhì)泥巖的劣化幅度達到81%，在后4次干濕循環(huán)則劣化不明顯。

對于灰度直方圖而言，由于其形狀呈單峰狀且近似正態(tài)分布曲線，因此對其進行了正態(tài)分布擬合，其擬合結(jié)果如圖8。

圖8 不同干濕循環(huán)次數(shù)下巴東組砂巖和粉砂質(zhì)泥巖 水平方向剖面二維CT掃描圖像灰度直方圖的 擬合曲線Fig.8 Gray histogram fitting curves of sandstone and silty mudstone in Badong formation with different wetting and drying cycles

由圖8可見:隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，巴東組砂巖水平方向剖面二維圖像灰度直方圖擬合曲線有向左偏移的趨勢，但幅度較小，峰值及曲線寬度變化相較粉砂質(zhì)泥巖而言不明顯，表明在干濕循環(huán)作用下砂巖的力學性質(zhì)較粉砂質(zhì)泥巖而言相對穩(wěn)定；對于巴東組粉砂質(zhì)泥巖而言，該擬合曲線的波峰逐漸向左偏移，峰值逐漸降低，并且擬合曲線有逐漸變寬的趨勢，表明隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，粉砂質(zhì)泥巖的力學性質(zhì)逐漸變差，其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)逐漸趨于松散狀態(tài)；此外干濕循環(huán)前6次試樣的擬合曲線變化明顯，干濕循環(huán)后4次試樣的擬合曲線變化較小，同樣表明前6次干濕循環(huán)對試樣的劣化有著明顯的促進作用，后4次干濕循環(huán)則影響較小。

在二維數(shù)字圖像處理過程中，為了使圖像變得簡單，數(shù)據(jù)量減小，并能突出感興趣的目標輪廓，常常對圖像采取二值化處理。圖像二值化處理的原理是通過選擇合適的閾值，將原本具有多個灰度級別的圖像轉(zhuǎn)換為能夠反映圖像局部特征的黑白二值化圖像，即凡是灰度值大于等于給定閾值的像素將其灰度值設(shè)置為255，小于給定閾值的像素將其灰度值設(shè)置為0，這樣整個圖像就會變成具有明顯對比效果的黑白圖像，圖像可視度大大提高，方便進行定量分析。

量化分析巖石內(nèi)部裂紋萌生、發(fā)育擴展的動態(tài)演化過程，能夠很好地揭示巖石的漸進破壞過程。由于巴東組砂巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，沒有明顯的裂紋產(chǎn)生，因此本文僅對巴東組粉砂質(zhì)泥巖豎直方向二維剖面圖進行二值化處理，其結(jié)果見圖7(b)，其中黑色代表巖石內(nèi)部明顯發(fā)育的裂紋。由圖7(b)可以看出，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，巴東組粉砂質(zhì)泥巖內(nèi)部裂紋逐漸延伸擴展，并且不斷伴有新的微裂紋產(chǎn)生。

定義巖石微觀裂紋面積變化系數(shù)為K，其計算公式如下：

(2)

式中:Sn代表第n次干濕循環(huán)之后粉砂質(zhì)泥巖二值化圖像中裂紋的面積(mm2);S代表第n次干濕循環(huán)之后粉砂質(zhì)泥巖二值化圖像的總面積(mm2)。

K值越大，表明巖石內(nèi)部裂紋的發(fā)育越明顯。在幾何形態(tài)上，分形維數(shù)可以表征巖石裂紋的復雜程度，巖石分形維數(shù)值越大，表明巖石裂紋越復雜分叉越多；巖石分形維數(shù)值越小，表明巖石裂紋越趨于光滑。不同干濕循環(huán)次數(shù)下巴東組粉砂質(zhì)泥巖微觀裂紋面積變化系數(shù)K值和分形維數(shù)均值，見表2。

表2 不同干濕循環(huán)次數(shù)下巴東組粉砂質(zhì)泥巖微觀裂紋面積變化系數(shù)K值和分形維數(shù)均值

由表2可知：在天然狀態(tài)下，由于粉砂質(zhì)泥巖內(nèi)部沒有明顯的裂紋，因此K值為0，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，K值由0逐漸增加為1.75%，并且在前6次干濕循環(huán)時增加迅速，K值由0增加為1.41%，增加幅度為80%，后4次干濕循環(huán)則增加緩慢；至于分形維數(shù)，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，粉砂質(zhì)泥巖分形維數(shù)均值逐漸增加，表明粉砂質(zhì)泥巖裂紋形態(tài)逐漸復雜，前6次干濕循環(huán)的分形維數(shù)均值變化較小，第10次干濕循環(huán)之后其分形維數(shù)均值變化較大，推測原因是由于在第10次干濕循環(huán)后，粉砂質(zhì)泥巖內(nèi)部產(chǎn)生了兩條新的微裂紋B5和B6，而前6次干濕循環(huán)主要發(fā)生的是微裂紋B1、B2和B3之間的擴展、合并。

3.2.4 巖樣三維立體建模分析

巖石屬于有缺陷的多晶材料，具有相對較多的空隙，空隙的存在會在很大程度上影響巖石自身的力學性質(zhì)，對巖塊及巖體的水理性質(zhì)、熱學性質(zhì)及力學性質(zhì)的影響很大。一般來說，巖石空隙越多、越大，巖石強度越低，滲透性越強；巖石空隙越少、越小，巖石強度越大，滲透性越差。因此，對巖石空隙率進行相關(guān)研究是巖體力學研究的重要內(nèi)容之一。利用VGStudio MAX軟件對不同干濕循環(huán)次數(shù)下粉砂質(zhì)泥巖和砂巖的CT掃描圖像進行了空隙率計算。計算時，如果對被掃描試樣整體進行空隙率計算，則對計算機處理能力有著非常高的要求，并且處理時間也會相對較長；如果選取試樣內(nèi)較小的感興趣區(qū)域進行空隙率計算，則可能無法代表整個被掃描試樣。因此，需在考慮計算結(jié)果的準確性和計算機處理能力的同時，選取合適大小、位置的感興趣區(qū)域進行計算。通過對不同大小及位置的感興趣區(qū)域空隙率計算結(jié)果的對比，并考慮避開X型偽影的影響，最終選取4塊感興趣區(qū)域切塊進行了空隙率計算，并取平均值作為試樣整體的空隙率。感興趣區(qū)域切塊均為10 mm×10 mm×10 mm的正方體，分別位于試樣左上、左下、右上和右下中心處，見圖6(c)。

不同干濕循環(huán)次數(shù)下巴東組砂巖和粉砂質(zhì)泥巖感興趣區(qū)域空隙體積三維分析模型，見圖9。由于篇幅有限，圖9中只展示了試樣左上感興趣區(qū)域空隙體積的計算結(jié)果。

由圖9可以看出：對于巴東組砂巖而言，干濕循環(huán)作用對其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的影響較小，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，僅有一些新的微小空隙增加，部分相鄰空隙合并為聯(lián)通空隙，但并沒有合并形成明顯微裂紋的趨勢；對于巴東組粉砂質(zhì)泥巖而言，干濕循環(huán)作用對其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的影響較大，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，粉砂質(zhì)泥巖內(nèi)部空隙明顯增多，并且逐漸合并為粗大的空隙甚至貫通形成微裂紋。具體而言，在第1次干濕循環(huán)之后，粉砂質(zhì)泥巖內(nèi)部空隙明顯增多、合并，并且在試樣下部逐漸聯(lián)通為一條圓弧形微裂紋；第3次干濕循環(huán)之后，試樣下部圓弧形微裂紋迅速發(fā)育，形成一條幾乎斜向貫穿整個切塊的大型微裂紋；經(jīng)過第6次干濕循環(huán)后，試樣大型微裂紋形態(tài)發(fā)生扭曲變形，逐步擴展貫通；第10次干濕循環(huán)之后，試樣大型微裂紋形態(tài)變化較小，更多的是一些微小空隙之間的擴張、合并，如最右側(cè)俯視平面圖右上角紅色區(qū)域所示，粉砂質(zhì)泥巖整體劣化趨勢相較于前6次干濕循環(huán)較小。根據(jù)左側(cè)圖例可以看出：對于巴東組砂巖而言，其最大空隙體積變化較小，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，砂巖最大空隙體積變化范圍在0.014 45～0.059 15 mm3之間;對于巴東組粉砂質(zhì)泥巖來說，在天然狀態(tài)下，其最大空隙體積僅為0.380 88 mm3，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，粉砂質(zhì)泥巖最大空隙體積的變化明顯，6次干濕循環(huán)之后粉砂質(zhì)泥巖最大空隙體積增加為11.702 70 mm3，10次干濕循環(huán)之后其增加為13.619 33 mm3，幾乎是砂巖最大空隙體積變化的300倍，并且同樣呈現(xiàn)干濕循環(huán)前6次變化較大，后4次干濕循環(huán)變化較小的現(xiàn)象。

不同干濕循環(huán)次數(shù)下巴東組砂巖和粉砂質(zhì)泥巖整體空隙率的計算結(jié)果，見表3。

由表3可知：巴東組砂巖的整體空隙率較低，變化較小，砂巖的整體空隙率由0.92%增長為1.28%，增加了0.36%，前6次干濕循環(huán)之后砂巖的劣化幅度達到78%，表明在干濕循環(huán)過程中砂巖內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定；而巴東組粉砂質(zhì)泥巖的整體空隙率較高，變化明顯，粉砂質(zhì)泥巖的整體空隙率由1.43%增長為2.24%，增加了0.81%，是砂巖的2.25倍，并且同樣在前6次干濕循環(huán)后粉砂質(zhì)泥巖的整體空隙率變化較大，劣化幅度接近86%。

上文提到，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，粉砂質(zhì)泥巖內(nèi)部空隙不斷擴張、合并，并且逐漸發(fā)展為貫通裂紋。本文利用VGStudio MAX軟件對不同干濕循環(huán)次數(shù)下粉砂質(zhì)泥巖的CT掃描圖像進行了裂紋提取處理，由于砂巖內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)劣化較弱，較難對裂紋進行提取，因此本次僅對粉砂質(zhì)泥巖在1次、3次、6次和10次干濕循環(huán)后進行分析。利用軟件對巖石內(nèi)部的空隙進行去除，僅保留具有明顯貫通性的裂紋，這樣便可大大提高計算能力，可對被掃描試樣內(nèi)部裂紋整體形態(tài)進行分析計算。不同干濕循環(huán)次數(shù)下巴東組粉砂質(zhì)泥巖內(nèi)部裂紋整體形態(tài)的三維分析模型，見圖10。

圖9 不同干濕循環(huán)次數(shù)下巴東組砂巖和粉砂質(zhì)泥巖感興趣區(qū)域空隙體積三維分析模型Fig.9 3D analysis model of void volume in the region of interest of sandstone and silty mudstone in Badong formation with different wetting and drying cycles

表3 不同干濕循環(huán)次數(shù)下巴東組砂巖和粉砂質(zhì)泥巖整體空隙率的計算結(jié)果

由圖10可以看出：隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，巴東組粉砂質(zhì)泥巖內(nèi)部紅色主裂紋逐漸發(fā)育擴展，面積逐漸增大，并且伴隨著一些其他微小裂紋的產(chǎn)生；在第3次干濕循環(huán)后，粉砂質(zhì)泥巖內(nèi)部紅色主裂紋較第1次干濕循環(huán)后發(fā)育明顯，并且產(chǎn)生了一些微小裂紋的雛形；第6次干濕循環(huán)后，粉砂質(zhì)泥巖內(nèi)部紅色主裂紋空隙體積為141.565 73 mm3，并且部分微小裂紋已由雛形發(fā)育為具有明顯貫通性的微小裂紋；第10次干濕循環(huán)后，粉砂質(zhì)泥巖內(nèi)部紅色主裂紋空隙體積為150.039 37 mm3，變化幅度較小，表明在后4次干濕循環(huán)后粉砂質(zhì)泥巖內(nèi)部主要發(fā)生的是一些微小空隙之間的擴張、合并，如圖中綠色、藍色的微小裂紋，而對于粉砂質(zhì)泥巖內(nèi)部紅色主裂紋發(fā)育的影響作用較前6次干濕循環(huán)而言相對較小。

圖10 不同干濕循環(huán)次數(shù)下巴東組粉砂質(zhì)泥巖內(nèi)部裂紋整體形態(tài)的三維分析模型Fig.10 3D analysis model of crack in silty mudstone in Badong formation with different wetting and drying cycles

4 討 論

上述試驗結(jié)果表明，干濕循環(huán)過程對于巴東組粉砂質(zhì)泥巖和砂巖內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)有著明顯的漸進性劣化影響。由于巖石在天然狀態(tài)下會存在不同程度的內(nèi)部損傷，即初始損傷，因此為了定量描述巖石在干濕循環(huán)過程中的劣化情況，避免初始損傷帶來的影響，本文參照文獻[22]定義了巖石微觀物理參數(shù)損傷變量D，其可表示為

(3)

式中:D為巖石微觀物理參數(shù)損傷變量;Xn為n次干濕循環(huán)之后巖石微觀物理參數(shù)值;X0為天然狀態(tài)下巖石微觀物理參數(shù)值;Xf為最終干濕循環(huán)結(jié)束后巖石微觀物理參數(shù)值。

D值變化范圍一般介于0～1之間，當D=0時，認為巖石此時為無損狀態(tài)，損傷過程由此開始；當D=1時，認為巖石干濕循環(huán)完成，損傷過程由此結(jié)束。D值越大，表明巖石損傷越嚴重，損傷速度越快。將巖石飽和吸水率的損傷變量記作D1，巖石空隙率的損傷變量記為D2，巖石平均灰度值的損傷變量記為D3，根據(jù)公式(3)可計算得到巴東組砂巖和粉砂質(zhì)泥巖微觀物理參數(shù)的損傷變量值，見表4。

表4 不同干濕循環(huán)次數(shù)下巴東組砂巖和粉砂質(zhì)泥巖微觀物理參數(shù)的損傷變量值

由表4可知，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，巴東組砂巖和粉砂質(zhì)泥巖微觀物理參數(shù)的損傷變量在初期增幅較大，后期增幅較小，在第1次干濕循環(huán)之后，巖石各參數(shù)損傷變量的變化范圍大致介于0.2～0.4之間，第3次干濕循環(huán)之后其大致介于0.6～0.8之間，第6次干濕循環(huán)之后其大致介于0.8～0.9之間，表明在第6次干濕循環(huán)結(jié)束后巖石劣化過程已經(jīng)基本完成，后期干濕循環(huán)的劣化影響很小。

根據(jù)課題組前期對于巴東組粉砂質(zhì)泥巖和砂巖的X射線衍射(XRD)試驗結(jié)果，推測造成干濕循環(huán)作用下粉砂質(zhì)泥巖和砂巖內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)變化差異較大的原因主要是由于粉砂質(zhì)泥巖中含有大量的黏土礦物，而砂巖則主要是由石英等穩(wěn)定礦物組成，由于黏土礦物遇水容易軟化崩解，因此在干濕循環(huán)作用下黏土礦物會發(fā)生周期性的反復膨脹和收縮，進而導致巖石內(nèi)部礦物顆粒之間的膠結(jié)作用降低，產(chǎn)生新的微裂紋和較大的空隙，最終導致粉砂質(zhì)泥巖內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生不可逆性破壞，而砂巖由于其內(nèi)部礦物遇水性質(zhì)較穩(wěn)定，因此其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加變化較小。

5 結(jié) 論

本文以三峽庫區(qū)典型易滑巖組巴東組第二段紅色系列的粉砂質(zhì)泥巖和砂巖巖組為研究對象，基于CT掃描技術(shù)開展了干濕循環(huán)作用下粉砂質(zhì)泥巖和砂巖內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)劣化的對比研究，得到了如下結(jié)論：

(1) 通過對不同干濕循環(huán)次數(shù)下巴東組粉砂質(zhì)泥巖和砂巖CT掃描結(jié)果進行定性分析與定量計算后發(fā)現(xiàn)：隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，砂巖內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，沒有發(fā)生明顯的變化，表征其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)變化程度較?。环凵百|(zhì)泥巖則劣化較明顯，其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)逐漸松散，空隙逐漸擴張甚至相互聯(lián)結(jié)發(fā)育產(chǎn)生明顯的貫穿裂紋，表征其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)變化程度較大。

(2) 通過定義巖石微觀物理參數(shù)損傷變量D可以直觀看出，盡管干濕循環(huán)作用對砂巖劣化作用較小，對粉砂質(zhì)泥巖劣化作用較大，但兩者劣化趨勢均呈現(xiàn)出干濕循環(huán)前期(前6次干濕循環(huán))巖石劣化作用顯著，干濕循環(huán)后期(后4次干濕循環(huán))巖石劣化作用較小的規(guī)律，即巖石內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)對于干濕循環(huán)劣化效應的敏感性隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而降低。

本研究所獲得的試驗結(jié)果對于理解干濕循環(huán)作用下巴東組典型易滑巖組微觀結(jié)構(gòu)的劣化過程提供了有力的數(shù)據(jù)支撐，對于庫岸消落帶軟硬互層巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性評價以及三峽庫區(qū)內(nèi)地質(zhì)災害的防治與安全運營有著重要的理論意義與應用價值。但值得注意的是，本研究是在實驗室理想條件下進行的，并未考慮現(xiàn)場巖石所處的原位應力以及實際發(fā)育的地質(zhì)條件，未來如何使得試驗條件更加貼合野外實際所處的環(huán)境，還需要進一步的研究。