帕色河粉砂巖的三軸強(qiáng)度特性及微觀結(jié)構(gòu)研究

番 華 芬

(云南省德宏州水利局質(zhì)量監(jiān)督站，云南 德宏 678400)

0 引 言

我國由于降水量的時(shí)空分布不均和水資源供需的矛盾的日益突出，云南省作為水系豐富的地區(qū)也經(jīng)歷過大范圍的干旱災(zāi)害。帕色河水庫位于國家級口岸瑞麗市，是云南瑞麗重點(diǎn)開發(fā)開放試驗(yàn)區(qū)的重大決策部署。工程的決策對國家級口岸瑞麗市的影響及其重大，因此對相關(guān)水利樞紐地質(zhì)條件的先期研究對于工程的設(shè)計(jì)施工具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[1,2]。

帕色河水庫主要任務(wù)是瑞麗市城市備用水源和灌溉供水，主要由大壩、輸水隧洞、溢洪道組成，粉砂巖廣泛分布于該水利樞紐的壩基、隧洞和渠道邊坡。該地區(qū)的粉砂巖由各種砂粒堆積、膠結(jié)在一起而形成的風(fēng)化沉積巖,其顆粒直徑通常分布在0.002 5～2 mm之間[3]。受地下水作用和常年物理化學(xué)風(fēng)化的影響,砂巖內(nèi)部孔隙非常發(fā)育,研究砂巖孔隙結(jié)構(gòu)的分布對于分析其強(qiáng)度特性和物理特性有重要意義。近年來，水利工程的中潰壩、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，給工程經(jīng)濟(jì)和人員安全造成巨大的損失。巖體的失穩(wěn)主要與巖石力學(xué)性質(zhì)的劣化有重要關(guān)系。砂巖廣泛分布于我國南方地區(qū)水系豐富的地層，其物理力學(xué)性質(zhì)在很大程度上決定了水利工程的建設(shè)和地質(zhì)災(zāi)害防治的實(shí)施[4]。粉砂巖富含黏土礦物，遇水極易膨脹軟化，孔隙性是影響其物理力學(xué)性質(zhì)受地下水影響的重要因素[5]。

三軸壓縮試驗(yàn)是分析巖石的力學(xué)強(qiáng)度的重要測試手段之一,相比單軸壓縮試驗(yàn)，三軸試驗(yàn)更能反映巖體實(shí)際的應(yīng)力狀態(tài)[6,7]。近年來隨著電子圖像分析技術(shù)與滲流模擬方法的快速發(fā)展,研究砂巖的細(xì)觀三維多孔結(jié)構(gòu)成為一項(xiàng)新的研究熱點(diǎn)[8-10]。粉砂巖作為一種典型多孔介質(zhì)材料，滲透性質(zhì)本身就取決于內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。X射線斷層掃描技術(shù)(CT)被廣泛應(yīng)用于各種材料的三維內(nèi)部結(jié)構(gòu)的形狀測試，是一種對材料無損的檢測技術(shù)[11]。CT掃描技術(shù)很適合對巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)開展觀測,能夠在不損壞試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的條件下，獲得樣品孔隙的空間分布特點(diǎn)。本研究以云南省帕色河水庫大壩的粉砂巖試樣為對象,利用巖石三軸剪切試驗(yàn)和X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)來獲取砂巖強(qiáng)度指標(biāo)和孔隙結(jié)構(gòu)特點(diǎn),同時(shí)分析了不同粒徑級別下粉砂巖的孔隙結(jié)構(gòu)特性,旨在為深入認(rèn)識該地區(qū)巖體強(qiáng)度機(jī)理提供參考。

1 試驗(yàn)方法與結(jié)果

1.1 工程概況

帕色河水庫建于帕色河上游,該河為瑞麗江一級支流,發(fā)源于瑞麗市勐秀鄉(xiāng)團(tuán)結(jié)寨境內(nèi),發(fā)源地海拔高程1 470 m,河流由北向南匯入瑞麗江。帕色河水庫距城區(qū)約3 km,壩址位置東經(jīng)97°50′、北緯24°02′。徑流面積8.62 km2,河長5.17 km,河道平均坡降43.5×10-3。本研究所用的試驗(yàn)材料是帕色河水庫壩基的鈣質(zhì)砂巖，該水庫區(qū)位于王子樹—南京里復(fù)式背斜的南東翼，背斜的軸部自帕色河源頭一帶通過，龍陵-瑞麗大斷裂(F13)由水庫北西面通過，距庫區(qū)約2.5 km。受該區(qū)域性褶皺和大斷裂構(gòu)造的影響。庫區(qū)巖層破碎，風(fēng)化強(qiáng)烈，且差異風(fēng)化大，球狀風(fēng)化明顯。整個(gè)庫區(qū)地表幾乎全被第四系覆蓋，基巖露頭少，巖石風(fēng)化劇烈，僅在低凹河谷處可見少量球狀弱風(fēng)化混合粉砂巖，粒徑一般小于1.0 mm。帕色河水庫壩基巖石易產(chǎn)生壓縮變形，不能滿足剛性壩基礎(chǔ)要求，基本壩型宜取土石壩。研究壩基巖石強(qiáng)度機(jī)理對于工程的施工設(shè)計(jì)具有重要意義。

1.2 試 樣

根據(jù)試驗(yàn)要求制樣，巖樣被加工成直徑為38 mm，高度為80 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試樣。試驗(yàn)對粗粒、中粒和細(xì)粒三種不同粒徑的粉砂巖試件分別進(jìn)行了三軸壓縮測試和CT掃描試驗(yàn)，樣品的表觀圖片如圖1所示，粒徑不同的試件表面的光滑程度有明顯差異，顆粒越細(xì)，表面越平整。對不同粒度的砂巖試樣進(jìn)行SEM掃描電子顯微鏡試驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。在200倍的放大圖像中，可以看出3種砂巖試樣的顆粒大小有差異，節(jié)理清晰、表面棱角分明，其微觀結(jié)構(gòu)以顆粒狀為主，隨顆粒粒徑減小，內(nèi)部顆粒密實(shí)度有所增加。粗顆粒的砂巖顆粒之間孔隙清晰可見，中粒粉砂巖的孔隙的規(guī)模明顯減小，而細(xì)粒粉砂巖內(nèi)部顆粒排列最為緊密，孔隙比最小。

圖1 三種粒度的粉砂巖試樣Fig.1 Three granular sandstone specimens

圖2 不同粒度粉砂巖的SEM掃描圖Fig.2 SEM scanning of sandstone of different granularity

1.2 強(qiáng)度測試

實(shí)驗(yàn)利用巖石應(yīng)變控制式三軸加載系統(tǒng)對砂巖試樣開展力學(xué)測試，設(shè)置圍壓級別5、10、15和20 MPa，剪切加載速率設(shè)為0.001 0 mm/min，實(shí)驗(yàn)得到了從開始加載到試樣破壞階段的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。在試驗(yàn)前首先安裝巖石試樣，再向三軸儀的壓力腔內(nèi)注滿水；然后對試樣施加固結(jié)圍壓，并且控制加載速率為0.05 MPa/s，直到圍壓值基本穩(wěn)定；最后對試樣頂部施加軸向壓力進(jìn)行剪切，巖樣的軸向變形速率為0.01 mm/min。

1.3 微觀結(jié)構(gòu)測試

本研究使用高精度微米CT掃描儀進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀測。設(shè)置掃描儀電壓與電流參數(shù)維持為160 kV和320 mA，獲得結(jié)果的掃描精度0.03 mm。試樣經(jīng)過CT掃描后得到約800張截面圖像。CT掃描試驗(yàn)方法和過程如圖3所示，首先將巖石樣品放置在掃描儀的載物臺(tái)上慢速旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過程中X射線源發(fā)射X射線并穿透樣品，掃描結(jié)果經(jīng)過了灰度值檢測器的過濾作用，最后通過圖像采集設(shè)備得到樣品的二維橫斷面的圖像。為保證被測樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精確量化，須對所有的初始橫截面圖像進(jìn)行圖像處理[12]。本研究通過MATLAB圖形處理工具箱進(jìn)行圖像處理。根據(jù)巖石顆粒與孔隙密度的差異，通過圖像灰度閾值將固相和孔隙相區(qū)分開[13]。本研究利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)對材料的灰度值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并將圖像按照二值化區(qū)域分割。圖片的成像結(jié)果由2 048×2 048個(gè)像素組成，對于直徑50 mm的圓柱狀樣，其像素分辨率為50 mm/2 048=22.4 μm,基本達(dá)到微米級精度。

圖3 CT掃描過程圖Fig.3 CT scan process diagram

2 強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)采用常規(guī)的巖石三軸剪切試驗(yàn)，對3種顆粒粒徑的粉砂巖強(qiáng)度特征進(jìn)行測試。從圖4的結(jié)果可以看出在不同圍壓下，巖石樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線總體由相似趨勢。應(yīng)力應(yīng)變曲線隨圍壓增加，其線性變形階段斜率也存在增加趨勢。說明隨著圍壓的增加，粉砂巖試樣抵抗變形的能力也在增加，這是因?yàn)樵嚇觾?nèi)部存在大量原生裂隙和裂紋。而當(dāng)圍壓大于15 MPa時(shí)，曲線線性段的應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨圍壓增加的變化不明顯，表明當(dāng)圍壓值大于15 MPa后，巖石內(nèi)部的原生缺陷充分閉合。

圖4 粉砂巖的三軸試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Triaxial stress - strain curve of sandstone

從峰值應(yīng)力的分布情況來看，細(xì)粒砂巖中粒砂巖在發(fā)生破壞時(shí)的軸向變形量很接近，而粗粒試樣破壞時(shí)的軸向變形量相對較小。當(dāng)三軸試驗(yàn)的圍壓相同時(shí)，粉砂巖試樣的強(qiáng)度隨巖石顆粒粒徑增大而降低；對于同一粒度的粉砂巖，抗剪強(qiáng)度與固結(jié)圍壓值有良好的線性關(guān)系(見圖5)，不同砂巖試樣的三軸試驗(yàn)峰值強(qiáng)度和固結(jié)圍壓線性關(guān)系擬合相關(guān)系數(shù)均大于0.98。

圖5 中粉砂巖的峰值應(yīng)力與圍壓關(guān)系Fig.5 Peak stress - confining pressure curves

3 微觀測試結(jié)果分析

3.1 圖像分析

從CT掃描結(jié)果中提取出的2D圖像被稱為“掃描切片”,掃描切片存儲(chǔ)被測物體所有平面上的X射線衰減系數(shù)數(shù)據(jù)。通常將CT數(shù)作為灰度值記錄于在切片中，本研究利用圖形處理技術(shù)對圖像的灰度值進(jìn)行分割。結(jié)果如圖5所示，巖石顆粒與內(nèi)部不孔隙通過各自CT數(shù)進(jìn)行識別和分割。低CT數(shù)表示孔隙，呈現(xiàn)為黑色，高CT數(shù)表示高密度礦物，呈現(xiàn)為白色。從圖中可直觀地觀察到巖石二維孔隙的分布特點(diǎn)，該砂巖內(nèi)部孔隙形狀的特點(diǎn)是以不規(guī)則多邊形為主，但具體形態(tài)非常復(fù)雜。

利用三維圖像分析軟件image J將巖石試樣的二維CT掃描切片按順序堆疊，組成了重構(gòu)的三維數(shù)字模型。圖7所示的是三類砂巖的三維孔隙模型，可以看出在該砂巖內(nèi)部，不同砂巖的孔隙密度和尺寸各異，細(xì)粒與中粒砂巖的孔隙尺寸較小，孔隙間連通度較低，且孔隙分布具有較很強(qiáng)的空間非均質(zhì)性；粗粒砂巖的孔隙連通程度較高，孔隙的尺寸明顯比細(xì)顆粒與中顆粒的砂巖的孔隙大。圖像特點(diǎn)說明粉砂巖的粒度在很大程度上決定了其內(nèi)部孔隙的數(shù)量與尺寸分布特點(diǎn)。

3.2 孔隙分布統(tǒng)計(jì)

通過統(tǒng)計(jì)各孔隙像素?cái)?shù)量可以求出孔隙的總表面面積及其百分比，得到3中砂巖樣品的孔隙數(shù)量與百分比如表1所示。在統(tǒng)計(jì)中，定義孔隙體積v≥50 mm3時(shí)的孔隙為大中孔隙，反之則為微小孔隙。發(fā)現(xiàn)隨巖石試樣的顆粒粒徑增加，大中孔隙所占百分比、孔隙數(shù)量和孔隙總體積明顯增加，說明顆粒粒徑對巖石的孔隙分布有重要影響。

圖6 不同粉砂巖的CT掃描二維圖像Fig.6 CT scan two-dimensional images

圖7 砂巖的三維孔隙模型Fig.7 3D pore image of mid-particle sandstone

表1 CT 掃描結(jié)果統(tǒng)計(jì)表Tab.1 The statistics data of sandstone in CT tests

圖8 等效平均孔徑的頻率曲線Fig.8 Average pore size distribution

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)3個(gè)樣品的孔徑分布頻率曲線由明顯差異。如圖8所示，縱坐標(biāo)表示孔隙分布頻率，橫坐標(biāo)表示孔隙等效孔徑(d)，d定義為孔隙體積等效為球體體積時(shí)的孔徑大小。在圖8中試樣C為細(xì)粒砂巖，孔徑分布曲線存在單一峰值，其峰值頻率為46.5%，且對應(yīng)的球體等效半徑<0.5 mm；B試樣曲線為中粒砂巖，有單一峰值，峰值頻率為36.2%，對應(yīng)的等效球體半徑為0.78 mm；試樣A曲線為粗粒砂巖，其孔徑分布頻率曲線存在2個(gè)峰，分別位于等效球體半徑為0.45 mm和1.80 mm處，表明相對于顆粒粒度較小的砂巖，粗粒砂巖中孔隙尺寸較大，且大中孔隙所占的比例也較高。

3.3 強(qiáng)度與孔隙的關(guān)系分析

不同粒度的三軸剪切試驗(yàn)與CT掃描試驗(yàn)結(jié)果有一定關(guān)聯(lián)性，本文研究的帕色河粉砂巖的抗剪強(qiáng)度與巖樣粒度有明顯關(guān)系：巖石顆粒的粒徑越大，其強(qiáng)度相對越低，同時(shí)孔隙含量和大孔隙所占比例也越高。因此，這種強(qiáng)度的“粒度效應(yīng)”本質(zhì)上是由不同粒徑的巖樣的孔隙結(jié)構(gòu)的差異引起的[14]。

在相同圍壓下的粉砂巖的顆粒粒徑越小，其內(nèi)部顆粒排列得越緊密，巖石顆粒間的孔隙尺寸和數(shù)量越小，從而導(dǎo)致了粉砂巖試樣的三軸試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度值越高。由CT掃描結(jié)果發(fā)現(xiàn)粗粒砂巖內(nèi)部孔隙含量最多，孔徑分布頻率曲線存在2個(gè)峰值，說明其內(nèi)部孔隙的發(fā)育程度遠(yuǎn)大于中粒和細(xì)粒砂巖。這種孔隙特點(diǎn)影響了三軸剪切過程中的巖石顆粒相互之間互相咬合的摩擦力，使試樣整體抵抗剪切變形的能力出現(xiàn)下降趨勢。

4 結(jié) 語

(1)研究獲得了帕色河粉砂巖的強(qiáng)度特點(diǎn)：同一粒徑級別的砂巖抗剪強(qiáng)度與固結(jié)圍壓值存在良好的線性關(guān)系；且強(qiáng)度具有顯著的“粒度效應(yīng)”，即砂巖試樣強(qiáng)度隨巖石顆粒粒徑增大而降低，強(qiáng)度性能排序依次為：粗粒<中粒<細(xì)粒砂巖。

(2)開展X射線斷層掃描技術(shù)獲得了不同粉砂巖的孔隙二維圖像與三維模型，經(jīng)試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)粉砂巖的孔隙度和孔隙等效球體半徑隨巖石顆粒粒徑增加而提高。

(3)通過對3個(gè)不同顆粒粒級的粉砂巖樣本進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)與CT掃描測試，發(fā)現(xiàn)砂巖強(qiáng)度存在的“粒度效應(yīng)”是砂巖內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)存在差異的結(jié)果，粉砂巖致密程度提高導(dǎo)致強(qiáng)度增長。研究結(jié)果為帕色河水庫大壩的設(shè)計(jì)和施工提供了參考。

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