基于岩石CT扫描的冻融作用对花岗岩细观结构及力学强度影响研究

作     者：侯圣山 何箫 孟宪森 陈亮 冯振 刘明学 李昂 郭长宝 吉锋 HOU Shengshan;HE Xiao;MENG Xiansen;CHEN Liang;FENG Zhen;LIU Mingxue;LI Ang;GUO Changbao;JI Feng

作者机构：中国地质环境监测院北京100081 自然资源部四川雅安地质灾害野外科学观测研究站四川雅安625099 自然资源部地质灾害智能监测与风险预警工程技术创新中心北京100081 成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室四川成都610059 中国地质科学院地质力学研究所北京100081 

出 版 物：《地质力学学报》 (Journal of Geomechanics)

年 卷 期：2024年第30卷第3期

页      面：462-472页

核心收录：

学科分类：081803[工学-地质工程] 08[工学] 0818[工学-地质资源与地质工程] 

基　　金：国家重点研发计划项目(2021YFC3000505,2021YFB2301304) 中国地质调查局地质调查项目(DD20221748) 

主　　题：冻融循环 阈值分割 CT模型 分形维数 结构演化 长期强度 

摘      要：近年来随着西部地区的基础工程建设数量及规模不断增加,西部高原地区的季节性冻融循环效应的影响也随之增强,开展冻融循环作用下岩石细观特性及强度劣化性质研究对指导西部寒区基础工程建设至关重要。首先在偏光显微镜下对岩石薄片进行观察,获取岩石的矿物成分和微结构;接着利用CT扫描技术,对冻融后的花岗岩进行扫描,对扫描图层利用阈值分割进行二值化处理,堆叠得到样品内外结构的高分辨3D数据及影像;结合分形理论计算图像计盒维数并由此对图像复杂度做出量化判断,由此对冻融循环对花岗岩内部结构演化分布特点进行分析;进而揭示其强度演化规律,探究结构演化与强度之间的关系。偏光显微镜下,岩石呈块状构造,具有似斑状粗粒不等粒花岗结构,局部见交代蠕虫结构。似斑晶矿物主要为碱性长石;其他矿物粒径0.25~4.0 mm为主,矿物成分主要为石英、斜长石、碱性长石,次要矿物为黑云母、绿帘石,副矿物有磷灰石、锆石、黄铁矿等,镜下鉴定为似斑状粗粒不等粒黑云二长花岗岩。CT扫描显示,冻融循环效应在影响花岗岩细观结构时,会导致花岗岩内部孔隙率的整体上升,但岩石渗透性变化不大,岩石渗透率仅上升0.003×10^(-3)μm^(2);内部孔隙发育不均匀,试样整体结构改变以萌生较多新的微孔隙为主。冻融循环后岩石内部结构复杂度有所下降,但岩石整体完整性仍然较好,分形维数仍保持在较高水平。分形研究显示,20次冻融循环并未导致花岗岩的结构复杂度发生较大变化,同时试样整体力学特性出现下降,黏性增加以及长期强度出现较大幅度的衰减,进入蠕变试验阶段的应变阈值提高。在评价此类原生结构较致密的岩石的安全性时,仅从结构上进行考量与实际情况往往会出现偏差,应结合必要的强度指标综合评估。岩石在经历冻融循环后,在强度更低的同时会发生更大的变形。该研究可为分形理论在岩石细观结构演化方面的应用及岩石细观结构与强度演化相关研究提供借鉴,并对高寒地区工程施工有指导意义。