第23卷第2期西安科技学院学报Vol.23No.22003年6月JOURNALOFXI’ANUNIVERSITYOFSCIENCEANDTECHNOLOGYJun.2003文章编号:1671-1912(200302-0139-04冻结温度对岩石细观损伤特性的影响Ξ杨更社1,2,张全胜1,2,蒲毅彬2(1.西安科技学院建筑与土木工程学院,陕西西安710054;2.中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,甘肃兰州730000摘要:岩石冻融过程的细观损伤研究是近年来冻融问题研究的一个新方向。岩石中的水分一般含有各种盐分,而盐分的存在降低了水的冰点,同时岩石本身的结构构造和力学性能也有差异性,这就使得岩石的冻结问题更为复杂。作者主要采用3种不同岩样,首先使其饱水,然后将其分别降低到0,-10,-20,℃利用区段划分的手段和区段统计频率分析损伤演化过程。这对寒区岩土工程的研究具有重要的意义。关键词:冻融循环;CT扫描;岩石损伤力学中图分类号:TU452文献标识码:A0引言在寒区岩土工程中,由于季节更替,昼夜循环的温度差异对岩体尤其是强度较低、含水率较高的软岩体力学性质产生重要的影响。在西部寒区的铁路、公路、隧道以及土木建筑、水利与矿山建设与营运过程中,冻融问题一直困扰着广大岩土工程工作者[1]。尽管经过岩土工作者们的不断努力,也取得了一定的成绩,但这些研究多集中在温度效应对岩石宏观力学性能方面的研究,而对岩石温度效应下细观方面的研究似乎更能揭示问题的本质。作者仅就不同温度对岩体结构的影响,从损伤力学的角度,运用CT扫描实验研究不同冻结温度下岩体内部损伤的扩展机理、水分的迁移、冰的形成,相信会对寒区岩体工程的研究具有积极的促进作用。图1CT扫描层位图Fig.1CTscanningsectionsofrocksample1实验概况本次实验选用采自铜川矿区的3种岩样:每种岩样一块,共3块,每个岩样均采用国际标准试件,即尺寸为:Φ50mm×100mm。实验于2002年12月14日至2002年12月17日在中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进行。实验采用由日本SHIMADEN(导电公司最新设计的FP21型工业调节器对冷浴进行温度控制。该仪器精度为0.1级,是一种智能化的性能较为先进的仪器,最多可进行81步编程。细观损伤结构的检测部分采用该室先进的SIEMENSSOMATOMplus型X射线螺旋CT机,其空间分辨率为0.35mm×0.35mm,可识别的最小体积为0.12mm3,密度对比分辨率为0.3%(3Hu,扫描条件为:电压120V,电流315mA,层厚5mm,间隔20mm,每次扫描时扫4个层面,层面间隔20mm(图1。具体实验过程如下:①称取岩样质量;②对岩样进行烘干,烘干温度为105,℃烘干时间为24h,称取Ξ收稿日期:2003-03-23基金项目:国家自然科学基金项目(10072047;冻土工程国家重点实验室基金项目(200104作者简介:杨更社(1962-,男,陕西武功人,博士后,教授,博士生导师,主要从事岩土力学与工程方面的教学与科研工作.041西安科技学院学报2003年烘干后岩样的质量,测出其天然含水率;③对烘干后的岩样进行CT扫描,这样可得到干岩样初始损伤的CT图像、CT数均值和方差,扫描时可一次扫描一组3个岩样,所用模型为自制木质模型架,使每次扫描的结果具有可比性;④将烘干后的岩样进行饱水,饱水时间为24h,温度为室温,饱水后进行CT扫描实验,观测由于水的补给所带来的岩样CT图像、CT值和方差变化;⑤在24h内使岩样环境温度由20℃匀速降低到0,℃用CT装置扫描观察岩样内部结构变化;⑥在12h内再使岩样环境由0℃匀速降低到-10,℃用CT装置扫描,观察岩样内部结构变化;⑦在12h内使温度由-10℃匀速降低到-20,℃扫描,观察内部结构变化。2CT分析方法岩石类材料在温度效应下的细观结构变化可能差异很小,其中的信息可能会由于定位不够精确或其他噪声而被掩盖。在这种情况下,CT定性分析方法较难应用,即使是常规的定量分析方法也显得力不从心。因此,在前人研究的基础上,介绍一种更为精确定量的CT分析方法。为了方便起见,以中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引进的SIEMENSSOMATOMplus型X射线螺旋CT机为例来加以说明。CT装置的均值范围一般为-1024~3071,即对该CT装置来说,无论物质的密度大小如何,对射线的吸收能力强弱如何,由其吸收系数运算所得的CT均值都在此范围内。为了排除干扰,要对均值范围进行分区,即对均值范围-1...