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裂隙_孔隙_水冻结过程中岩石细观结构变化的实验研究_刘慧

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第35卷第12期岩石力学与工程学报V ol.35 No.12 2016年12月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Dec.，2016裂隙(孔隙)水冻结过程中岩石细观结构变化的实验研究刘慧1，杨更社1，贾海梁1，叶万军1，魏尧1，奚家米1，申艳军1，张慧梅2(1. 西安科技大学建筑与土木工程学院，陕西西安 710054；2. 西安科技大学理学院，陕西西安 710054)摘要：研究岩石在低温冻结过程中细观结构的变化和孔隙(裂隙)水的冻结过程，对于深化认识冻结岩石的力学及损伤特性具有重要意义。

通过开展不同冻结温度下岩石细观结构CT扫描实验，获得了岩样在20 ℃，－2 ℃，－5 ℃，－10 ℃，－20 ℃，－30 ℃时细观结构的CT图像。

采用Canny算子对冻结岩石CT图像进行边缘检测，完成了冻结过程中岩石二维细观结构的识别。

基于体视学理论，提出表征冻结岩石细观结构特征参数的计算公式，分析了孔隙(裂隙)水冻结过程中岩石细观结构的变化，实现了冻结过程中岩样不同截面裂隙(孔隙)的长度、宽度、面积及圆形度等参数变化规律的定量分析。

分析结果表明：在0 ℃～－2 ℃区间，岩样扫描层面内裂隙(孔隙)的长度、宽度、面积快速增加，这一阶段为宏观裂隙中体积水结冰阶段，裂隙(孔隙)的扩张由体积膨胀机制引起；在－2 ℃～－5 ℃区间，裂隙(孔隙)的扩张速率明显降低，该阶段为细观(部分微观)裂隙(孔隙)中水的结冰过程；在－5 ℃～－20 ℃区间，裂隙(孔隙)的扩张速率又开始增加，但低于0 ℃～－2 ℃区间的增加速率，该阶段为微观裂隙(孔隙)中的水向冰晶体迁移阶段，由分凝冰机制引起裂隙的扩张。

关键词：岩石力学；冻结岩石；温度梯度；CT图像；细观结构中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2016)12–2516–09Experimental study on meso-structure of rock in the processof crack(pore) water freezingLIU Hui1，YANG Gengshe1，JIA Hailiang1，YE Wanjun1，WEI Yao1，XI Jiami1，SHEN Yanjun1，ZHANG Huimei2(1. Institute of Architecture and Civil Engineering，Xi'an University of Science and Technology，Xi'an，Shaanxi 710054，China；2. Department of Mechanics，Xi'an University of Science and Technology，Xi'an，Shaanxi 710054，China)Abstract：Studying the change of meso-structure of rock during freezing has great significance for deepening the understanding of the mechanical and damage characteristics of frozen rock. The CT images of the meso-structure of rock at different freezing temperature gradients were obtained. The edge of CT images of frozen rock was detected using the Canny operator and two-dimentional meso-structure of rock during freezing was identificated. The composition and relationship of the meso-structure for frozen rock were analyzed based on the theory of stereo vision. The formula for calculating the characteristic parameters of meso-structure of frozen rock were收稿日期：2016–07–15；修回日期：2016–10–09项目基金：国家自然科学基金资助项目(41272340，41302228)；陕西省科技创新团队项目(2014KCT–30)Supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos. 41272340 and 41302228) and Science and Technology Innovation Team of Shaanxi Province(Grant No. 2014KCT–30)作者简介：刘慧(1981–)，女，2013年于西安科技大学岩土工程专业获博士学位，现任讲师，主要从事岩土力学与岩土工程方面的教学与研究工作。

E-mail：woaiwojialiu@DOI：10.13722/ki.jrme.2016.0906第35卷第12期刘慧等：裂隙(孔隙)水冻结过程中岩石细观结构变化的实验研究 • 2517 •presented. The variation of lengths，widths，areas and roundness for the pores and cracks were analyzed quantitatively during the process of freezing. The length，width and area of cracks (pores) were found to be rapidly increased in the temperature range of 0 ℃ to －2 ℃ due to the volume expansion of freezing water in the macroscopic cracks. The expansion rate of cracks (pores) was significantly reduced in the temperature range of －2 ℃ to －5 ℃. In this stage, It is deduced that the freezing process of the water in the meso-cracks (pores) (or partly micro) occurred. The expansion of the cracks (pores) increased again in the temperature range of －5 ℃ to －20 ℃，but with a lower rate than in temperature range of 0 ℃ to －2 ℃. In this stage the water in the micro cracks(pores) was transformed into the ice crystals.Key words：rock mechanics；frozen rock；temperature gradient；CT image；meso-structure1 引言低温环境下岩石具有非均质、多相和多层次的复杂结构[1]，其强度与内部存在的节理、微裂隙、粒间孔隙和空洞等初始细观结构密切相关[2-5]。

冻结过程中，孔隙(裂隙)水冻结成冰体积膨胀，但岩石颗粒体积收缩，在微孔(裂)隙与岩石矿物颗粒间产生巨大的冻胀力，该内应力对于胶结强度弱的岩石矿物颗粒有破坏作用，引起岩石结构损伤；外荷载促使大量微裂纹萌生、扩展，损伤域逐步连通，导致岩石破坏。

因此，研究岩石在低温冻结过程中细观结构的变化对于探讨岩石细观损伤力学特性具有重要的理论意义。

国内外学者进行了岩石细观结构的相关研究，R. Přikryl[6]开展了花岗岩单轴抗压强度与矿物颗粒大小关系的研究，提出岩样强度的各向异性与岩石矿物颗粒的形状密切相关。

E. Johanson[7]通过研究矿物性质对岩石力学性质的影响，提出微孔(裂)隙、孔隙度、矿物颗粒成分、大小及形状是影响岩石力学性质的重要因素。

张文杰等[8]进行了岩石介质均匀性对其宏观力学特性影响的研究，指出均匀度对岩石变形的非线性行为起决定性作用。

许尚杰等[9]进行了相同数量、相同位置、不同半径的大颗粒岩石矿物单轴压缩实验数值计算，探讨了岩石矿物颗粒大小对其破裂形态、裂纹扩展过程和破裂能量演化规律的影响。

徐金明等[10]采用基于非连续介质力学的颗粒流方法，建立了岩石的细观结构模型。

于庆磊等[11]应用数字图像技术进行岩石细观结构的识别，研究了花岗岩细观结构对其变形、强度的影响。

杨永明等[12-13]利用CT扫描和统计学原理获得了物理模型内部孔隙数量、孔隙空位置和孔隙间距等分布特征，探讨了温度作用下孔隙微观结构的演化规律指出，温度引起物理模型内部孔隙几何形态和孔隙数量的改变、宏观力学参数发生变化的主要内因。

赵斌等[14]采用X射线衍射方法，测定了9种岩样的矿物成分，使用扫描电镜，观测了岩样的细观结构，分析了矿物成分和细观结构分别与力学性质参数的定性关系。

王章琼和晏鄂川[15]以鄂西北十房高速通省隧道武当群片岩为例，通过室内冻融循环、单轴压缩、矿物成分分析、切片偏光显微镜测试等实验，对比分析了物质组构特征(矿物成分及矿物颗粒排列情况)对片岩冻融损伤劣化特性的影响。

马中高[16]进行了成岩作用、岩石结构对砂岩弹性速度的影响。

上述研究对于认识常温下岩石细观组构与其物理力学性质间的关联性起到了积极地促进作用。

目前已有学者对冻结岩石力学性能及结构特性进行了相关研究，如：蔡承政等[17]在不同初始含水饱和度条件下进行液氮冻结对岩石孔隙结构损伤的影响研究。

唐明明等[18]进行不同冻结温度(－10 ℃～－50 ℃)和不同含水状态的花岗岩岩芯单轴及三轴压缩实验，分析岩石的变形破坏规律、干燥和饱和状态抗压强度以及三轴剪切强度参数值随温度的变化关系。

刘莹等[19]通过对常温(20 ℃)和负温(5 ℃～－15 ℃)下内蒙鄂尔多斯地区白垩系岩层的物理力学性能实验，获得了不同负温条件下岩石的力学性能，分析了单轴抗压强度与温度、含水率之间的相互影响关系。

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岩石的物理性质及分类

岩石的物理性质及分类

降值与融冻试验前的抗压强度σc之比的百分比代表抗 冻系数Cf ，即
c cf Cf 100% c
可见：抗冻系数Cf 越小，岩石抗冻融破坏的能力越强。
五、岩石的透水性
地下水存在于岩石孔隙、裂隙之中，而且大多数岩
石的孔隙裂隙是连通的，因而在一定的压力作用下，地
下水可以在岩石中渗透。岩石的这种能透水的性能称为 岩石的透水性。岩石的透水性大小不仅与岩石的孔隙度 大小有关，而且还与孔隙大小及其贯通程度有关。 衡量岩石透水性的指标为渗透系数(K)。一般来说，完 整密实的岩石的渗透系数往往很小。岩石的渗透系数一 般是在钻孔中进行抽水或压水试验而测定的。
2、干密度（ρd）和干重度(γd )
干密度是指岩石孔隙中的液体全部被蒸发后单位体积岩 石的质量，相应的重度即为干重度。
Ws d V
（g/cm3） (kN /m3)
d d g
式中：Ws——岩石试件烘干后的质量(g)； V——岩石试件的体积(cm3)； g——重力加速度。
3、饱和密度（ρ）和饱和重度(γw)
要求：
1、须掌握本章重点难点内容； 2、了解几种有代表性的岩体分类方法；
3、了解我国工程岩体分级标准（GB50218－94）
§2－1 岩石的基本物理性质
岩石由固体，水，空气等三相组成。
一、密度（ρ）和重度(γ)： 单位体积的岩石的质量称为岩石的密度。单位体积的岩 石的重力称为岩石的重度。所谓单位体积就是包括孔隙体 积在内的体积。
Id2 m r W2 W0 100% m d W1 W 0
5、岩石的抗冻性
岩石的抗冻性是指岩石抵抗冻融破坏的性能，是
评价岩石抗风化稳定性的重要指标。
岩石的抗冻性用抗冻系数Cf 表示，指岩石试样在 ±250C的温度期间内，反复降温、冻结、融解、升温，
地铁隧道施工期冻结法穿越断层破碎带施工效果现场试验研究

地铁隧道施工期冻结法穿越断层破碎带施工效果现场试验研究

第２７卷第７期岩石力学与工程学报Ｖ０１．２７Ｎｏ．７２００８年７月ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｏｃｋＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＪｕｌｙ，２００８地铁隧道施工期冻结法穿越断层破碎带施工效果现场试验研究雷军１矗３，白明洲１，许兆义１，张爱军３，霍玉华３，王鹏程３（１．北京交通大学土木建筑工程学院，北京１０００４４；２．北京市轨道交通建设管理有限公司十号线项目管理处，北京１０００１１；３．中铁十二局集团有限公司，山两太原０３００００）摘要；广州地铁隧道施工期穿越清泉街断裂，采用冻结法穿越断层破碎带施工，对施工期隧道支护结构的受力与变形状态、隧道周边净窄收敛、地中位移、围岩压力及孔隙水压力、钢格栅应力、冻融条件下的地表隆沉等进行跟踪监测，通过对监测结果进行分析研究，获得冻结施工条件下的初期支护结构及环境土体应力与变形变化规律，在此基础上提出穿越断裂破碎带的冻结施丁建议技术方法，研究成果可供其他工程参考。

关键词：隧道工程；断层破碎带；冻结法；监测中图分类号：Ｕ４５文献标识码ｌＡ文章编号ｌ１０００—６９１５（２００８）０７—１４９２—０７ＩＮ．ＳＩＴＵＴＥＳＴＯＮＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩｏＮＥＦＦＥＣＴＷＩＴＨＦＲＥＥＺＩＮＧＭＥＴＨＯＤＦＯＲＦＡＵＬｒｒ＿ＣＲＯＳＳＩＮＧＦＲＡＧＭＥＮＴＡＴＩＯＮＺＯＮＥＩＮＭＥＴＲｏＴＵＮＮＥＬＬＥＩＪｕｎｌｔ２～，ＢＡＩＭｉｎｇｚｈｏｕｌ，ＸＵＺｈａｏｙｉｌ，ＺＨＡＮＧＡｉｊｕｎ３，ＨＵＯＹｕｈｕａ３，ＷＡＮＧＰｅｎｇｃｈｅｎ９３（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ，ＢｅＵｉｎｇＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００４４，Ｃｈｉｎａ：２．ＴｈｅＮｏ．１０ＬｉｎｅＭａｎａｇｅｍｅｎｔＢｒａｎｃｈｏｆＢｅｉｆｉｎｇＭｅｔｒｏ，ＢｅｉｊｉｎｇＭｅｔｒｏＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇＭａｎａｇｅｍｅｎｔＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００１１，Ｃｈｉｎａ：３．ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙ１２ｔｈＢｕｒｅａｕＧｒｏｕｐＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｔａ眵ｕａｎ，Ｓｈａｎｘｉ０３００００，Ｃｈｉｎａ、Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＷｈｅｎｃｒｏｓｓｉｎｇｔｈｅＱｉｎｇｑｕａｎｊｉｅｆａｕｌｔｆｒａｇｍｅｎｔａｔｉｏｎｚｏｎｅｉｎＧｕａｎｇｚｈｏｕｍｅｔｒｏｔｕｎｎｅｌ．ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｆｒｅｅｚｉｎｇｍｅｔｈｏｄｔｏｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏｎｎｅｃｔｅｄａｉｓｌｅｆｏｒｍｅｔｒｏｐｒｏｊｅｃｔｉｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｄｕｒｉｎｇｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｓｔｒｅｓｓａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｕｎｎｅｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｏｎｓｔｒｉｎｇｅｎｃｙ，ｇｒｏｕｎｄｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ，ｓｔｒｅｓｓｏｆｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋ，ｓｔｒｅｓｓｏｆｓｔｅｅｌｇｒｉｌｌｅ，ｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｇｒｏｕｎｄｓｕｒｆａｃｅｉｎｔｈｅｃｏｕｒｓｅｏｆｆｒｅｅｚｅａｎｄｔｈａｗａｒｅｔｅｓｔｅｄ．Ｏｎｔｈｅｂａｓｅｏｆｔｅｓｔｉｎｇｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｅｓｔｒｅｓｓａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓｏｉｌａｒｅｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｓｔｕｄｉｅｄ．Ｔｈｅｌａｗｓｏｆｔｈｅｓｕｒｖｅｙｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｅｘａｍｉｎｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｅｓｔｕｄｉｅｓ，ｓｏｍｅｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓａｒｅｆｏｒｇｕｉｄｉｎｇｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｂｏｕｔｔｈｅｆｒｅｅｚｉｎｇｍｅｔｈｏｄａｎｄｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓＣａｎｂｅｕｓｅｄｆｏｒｒｅｆｅｒｅｎｃｅｏｆｓｉｍｉｌａｒｐｒｏｊｅｃｔｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｕｎｎｅｌｌｉｎｇｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ：ｆａｕｌｔｆｒａｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ：ｆｒｅｅｚｉｎｇｍｅｔｈｏｄ，ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ１引言城市地铁隧道在水文地质条件较差、涌水量较大的情况下，采用暗挖法施工，隔水成为一大难题‘Ｌ２１。

岩石的物理力学性质

岩石的物理力学性质


n0
Vn0 V
100%
(5)闭空隙率nc: 即岩石试件内闭型空隙的体积（Vnc)占 试件总体积(V)的百分比。
nc
Vnc V
100%
2 、空隙比(e)
所谓空隙比是指岩石试件内空隙的体积（V V)与 岩石试件内固体矿物颗粒的体积（Vs)之比。
e VV V Vs n
Vs
Vs
1 n
四、岩石的水理性质
c 具有粘性的弹性岩石
由于应变恢复 有滞后现象，即加 载和卸载曲线不重 合，加载曲线弹模 和卸载弹模也不一 样。P点加载弹模 取过P点的加载曲 线的切线斜率，P 点卸载弹模取过P 点的卸载曲线的切 线斜率。
d、弹塑性类岩石
Ee e
2、变形模量
E0 e p
变形
弹性变形 塑性变形
线弹性变形 非线弹性变形
o
理想弹性体
s
o
线性硬化弹塑性体
s
o
理想弹塑性体
o
d
dt
理想粘性体
一、岩石在单轴压缩状态下的力学特性
1、σ～ε曲线的基本形状 美国学者米勒将σ～ε曲线分为6种。
σ～ε曲线的基本形状
致密、坚硬、少裂隙 致密、坚硬、多裂隙
少裂隙、 岩性较软
较多裂隙、 岩性较软
d
Ws V
d d g
（g/cm3） (kN /m3)
式中：Ws——岩石试件烘干后的质量(g)； V——岩石试件的体积(cm3)；
g——重力加速度。
3、饱和密度（ρ ）和饱和重度(γw)
饱和密度就是饱水状态下岩石试件的密度。
w
Ww V
（g/cm3）
w wg
(kN /m3)
式中：WW——饱水状态下岩石试件的质量 (g)； V——岩石试件的体积(cm3)；
《岩石力学》全书复习资料

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第一章 绪论1、岩石力学定义:岩石力学是研究岩石的力学性质的一门理论与应用科学；它是力学的一个分支；它探讨岩石对其周围物理环境中力场的反应。

2、岩石力学研究的目的：科学、合理、安全地维护井巷的稳定性，降低维护成本，减少支护事故。

3、岩石力学的发展历史与概况： （1）初始阶段（19世纪末—20世纪初）1912年，海姆（A.Hmeim ）提出了静水压力理论：金尼克（A.H.ΠHHHHK ）的侧压理论： 朗金（W.J.M.Rankine ）的侧压理论： （2）经验理论阶段（ 20世纪初—20世纪30年代）普罗托吉雅克诺夫—普氏理论：顶板围岩冒落的自然平衡拱理论； 太沙基：塌落拱理论。

4、地下工程的特点：（1）岩石在组构和力学性质上与其他材料不同，如岩石具有节理和塑性段的扩容（剪胀）现象等； （2）地下工程是先受力（原岩应力），后挖洞（开巷）； （3）深埋巷道属于无限域问题，影响圈内自重可以忽略； （4）大部分较长巷道可作为平面应变问题处理；（5）围岩与支护相互作用，共同决定着围岩的变形及支护所受的荷载与位移； （6）地下工程结构容许超负荷时具有可缩性； （7）地下工程结构在一定条件下出现围岩抗力； （8）几何不稳定结构在地下可以是稳定的； 5、影响岩石力学性质和物理性质的三个重要因素矿物：地壳中具有一定化学成分和物理性质的自然元素和化合物； 结构：组成岩石的物质成分、颗粒大小和形状以及相互结合的情况； 构造：组成成分的空间分布及其相互间排列关系；第二章 岩石力学的地质学基础 1、岩石硬度通常采用摩氏硬度，选十种矿物为标准，最软是一度，最硬十度。

这十种矿物由软到硬依次为：l-滑石； 2-石膏；3-方解石；Hγ1νλν=-H λγH λγ4-萤石；5-磷灰石；6-正长石；7-石英；8-黄玉； 9-刚玉；10-金刚石；2、解理：是指矿物受打击后，能沿一定方向裂开成光滑平面的性质，裂开的光滑平面称为解理面。