砂巖乾溼循環下微觀結構劣化機制
背景介紹：
隨着水利水電工程的興建與持續發展，水庫、大壩等大型水工建築物的建設變得如火如荼。在進行大型的地質體改造的工程中，不僅需要解決複雜的地質和巖石力學問題，還需要克服水位漲落、雨水的降落與蒸發等自然環境因素對巖土穩定性的威脅。
1.基本思路：
選取同一塊巖體的25塊樣，將試樣分爲5組，每組5個樣品，在室內分別進行（1、5、10、15、20）次乾溼循環實驗，並對處於溼潤狀態下的巖芯進行核磁共振及應力應變測試，對比分析巖心孔、裂縫、應力應變曲線的變化情況。
圖1泥質砂巖試件照片
2.核磁共振T2分佈變化情況：
圖2爲泥質砂巖經歷不同乾溼循環次數後的T2譜分佈圖。從圖中可以看出，第1次乾溼循環後，泥質砂巖內部初始孔徑大小分佈均勻，隨着乾溼循環次數的增加，巖石內部的孔隙逐漸增多，並有大量小孔出現（左邊的峯上升明顯）。當循環次數較多後（n>=10）,泥質砂巖內部損傷明顯，併產生大量微裂縫（右峯明顯突出）。當循環次數n>15後，波峯的變化較小，譜面積變化增量不明顯。
圖2泥質砂巖在不同乾溼循環次數下的核磁T2譜圖
由於T2譜圖的總面積代表巖石內部的總孔隙體積，而譜面積的大小與巖石中所含流體的多少成正比，即與巖石中孔隙率的大小相關。通過求取平均的譜面積與循環次數的變化規律，即可求得孔隙率與乾溼循環次數之間的相關關係（圖3），從圖中可以看出，孔隙率與乾溼循環次數呈現出定量的指數關係。
圖3 孔隙率與乾溼循環次數的關係曲線
衆所周知，在質子加權成像中，像素點越亮表明氫原子核含量越多，即含水率越大。圖4爲同一塊巖樣在不同循環狀態下的相同截面積的MRI圖，圖中亮色區域代表流體填充孔隙，不同亮度代表不同的含水率孔隙，灰度值越大，孔隙，裂縫中含水率越多。當然區域中像素點越密集，代表孔隙、裂縫越發育。
從圖中可以看出，隨着乾溼循環實驗的進行，巖石內部孔隙逐漸增多，孔隙尺寸增大，形成貫通的小裂縫並逐漸擴展，不同循環次數作用後的MRI內部結構變化與SEM微觀結構變化相似（圖5）。
圖4 乾溼循環後泥質砂巖試樣的核磁共振成像結果
圖5 不同乾溼循環下泥質砂巖試件SEM圖片
核磁成像是灰度值把自旋密度、橫向弛豫時間、縱向弛豫時間等NMR參數作爲空間座標的函數，利用相位編碼技術將採集的空間數據按照規則排列在一個矩陣中，再通過二維傅裏葉變換得到信號強度的分佈信息（巖石內部結構分佈信息）。圖6爲不同循環次數後的MRI灰度概率密度函數，隨着循環次數的增加，即水-巖作用的加劇，大灰度值所佔的比重增大，可以通過偏移的明顯程度反映出巖石內部結構的變化程度，即分佈期望隨着循環次數的證據變化程度逐漸變小。
圖6 不同循環次數的核磁共振成像灰度值概率分佈片
4.應力-應變關係：
圖7爲經過不同次數的乾溼循環後，得到的乾溼循環應力-應變曲線。從圖中可以看出，隨着循環次數的增加，峯前加載階段變化規律相似，峯後力學特性存在顯著差異。當循環次數較少時，試樣彈性階段較長，彈性模量較大，塑性區較短，巖樣呈脆性破壞；隨着乾溼循環次數的增加，彈性模量逐漸變小，巖石由脆性向延性發展，達到峯值應力後還有較強的承載能力，循環次數越多，延性特徵越明顯。
圖7 單軸壓縮應力-應變曲線
由於乾溼循環次數對於泥質砂巖試樣是一個累積損傷的過程， 可以作出峯值應力與循環次數（圖8）。從圖中可以看出，每組樣品的平均峯值應力隨着循環次數的增加呈指數關係降低。
圖8 峯值應力與循環次數關係曲線
5.分析與討論：
從圖5可以看出，隨着乾溼循環次數的增加，在水-巖物理、化學作用等因素的影響下，水分子滲入，致使膠結物質水解，原本均質緊密的泥質砂巖試件，其鬆散顆粒的數量越來越多，孔隙變大增多並伴隨着微裂隙的產生，從而更加有利於水分子沿着微裂隙等向泥質砂巖內部滲透，進而降低了泥質砂巖的凝聚力和顆粒之間的摩擦係數。同時，由於具有泥質砂巖粒徑粗糙且棱角分明的特點，致使隨着水化作用的不斷加深表現出一定的捲曲、泥化、脫落現象，從而使得顆粒間的摩擦力降低。那麼隨着循環次數變化的孔隙率是否與巖石力學參數存在着某種關係勒？
圖9爲隨着循環次數的增加，峯值應力與孔隙率的關係曲線，從圖中可以看出，隨着孔隙率的增大與峯值應力呈現出正相關關係。
圖9 峯值應力與孔隙率關係曲線
5.結論：
本文採用最新的低場核磁共振技術，利用T2變化規律反映乾溼循環對泥質砂巖的劣變機制，磁共振成像技術（無損檢測）直觀揭示出乾溼循環對泥質砂巖內部劣變變化的過程。
參考文獻:謝凱楠,姜德義,孫中光,宋中強,王靜怡,楊濤,蔣翔. 基於低場核磁共振的乾溼循環對泥質砂巖微觀結構劣化特性的影響[J].巖土力學,2019,40(02):653-659.
其他資料：
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