从微细结构角度分析红砂岩的强度特性

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本文运用自主开发的微细结构光学测试系统,对荷载作用下红砂岩微细结构的演化进行 了全程观测,测定并提取了对应岩样的无侧限抗压强度和相应的微细结构量化参数。运用多 元线性回归分析法对微细结构量化参数和无侧限抗压强度进行关联性分析,筛选出对岩样无 侧限抗压强度有显著影响的微细结构要素,并对荷载作用下显著性微细结构要素的演化特性 进行了分析。
逐步回归公式表明,对红砂岩强度产 生显著影响的微细结构量化结构参数主 要有 3 个,下面将逐一对各微细结构量化 结构参数与抗压强度的关联特征做进一 步的分析探讨。
表 2 不同风化程度红砂岩相关系数
Table 2 Correlation coefficient of red sandstone with
1本课题得到国家自然科学基金项目(No. 50279008)的资助。
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2. 试验介绍
本次试验选用采自南京某水利枢纽工程地基中的风化红砂岩,岩样分别制成圆柱体形 φ70mm×100mm 和半圆柱形 φ50mm×100mm 两种,以便进行单轴压缩试验和单轴压缩状态 下的微细结构试验。单轴压缩试验在 RMT-150B 多功能全自动刚性岩石伺服试验机上完成, 测得了各岩样的无侧限抗压强度,部分结果见表 1。与之对应的微细结构试验是利用河海大 学自行研制的岩土微细结构光学测试系统完成的。利用岩土微细结构光学测试系统的加载设 备对岩样施加轴向荷载,以轴向应变控制 CCD 摄像仪采集经长距离显微镜放大的试样微细 结构照片的频率,本次试验每 0.5%的应变量采集微细结构图片一次,并将得到的微细结构 照片传入计算机中,利用图像采集卡将传入计算机中的视频信号转化为数字图像,同时利用 传感器测读试样承受的荷载及轴向位移信息,并传输到计算机中[5]。由于篇幅所限,仅列 出干燥条件下中风化岩样某一观测点的微细结构图片,如图 1 所示。然后,利用自行编制的 岩土微细结构分析程序 GeoImage 对每幅微细结构图像进行处理分析,获得岩样微细结构的 孔隙及颗粒数目、面积、周长、定向度、分布分维等量化信息。将各组岩样不同受载状态下 各个观测点的微细结构量化参数取平均值,这里仅给出初始状态下部分岩样的微细结构量化 参数,如表 1 所示。
3.2.3 欧拉数与单轴抗压强度间的关系
欧拉数与红砂岩的单轴抗压强度呈正相关,欧拉数越小,红砂岩内部孔洞及微裂缝越发 育,颗粒之间的接触带越不发育,孔洞及微裂缝贯通程度高,导致颗粒所构成的骨架松散程 度较大,即具有非稳定特点,在外界压力的作用下容易变形破坏。从表 2 可以看出,随着红 砂岩风化程度的减弱,红砂岩单轴抗压强度与欧拉数之间的相关系数逐步增大,说明当红砂 岩风化程度减弱时,欧拉数对红砂岩单轴抗压强度的影响相对增强。
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3. 强度与微结构量化参数关联性分析
红砂岩的内部结构是由颗粒和孔隙(或裂隙)构成的,而颗粒主要是由单粒 (原生矿物 的碎屑 )和集粒 (细小矿物颗粒、个别有较大的原生矿物碎屑被一些胶结物胶结而成的矿物 集合体 )组成。为了研究红砂岩强度与初始微细结构之间的关系,本文主要通过颗粒(孔隙) 大小特征参数-等效直径和相对面积,颗粒(孔隙)形状特征参数-圆度,颗粒(孔隙)分 布特征参数-分布分维,颗粒(孔隙)定向排列特征参数-定向度,颗粒之间联接特征参数 -欧拉数等来定量描述红砂岩的微细结构[7]。考虑到红砂岩的物理力学性质是其微细结构 状态的总体反映,是诸多结构要素共同作用的结果,各结构作用大小存在差异且有一定程度 的交叉,本节运用多元回归分析法对砂岩单轴抗压强度和各微细结构量化参数进行了相关性 分析,筛选出了对红砂岩强度有显著影响的微细结构要素。
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从微结构角度分析温度对水泥土强度形成的影响1
胡昕 1,洪宝宁 1,周宇泉 2
1 河海大学岩土工程研究所,江苏南京 (210098) 2 江苏省南京市高速公路建设指挥部,江苏南京 (210008)
E-mail:moyuan@126.com
摘 要: 运用自主开发的微细结构光学测试系统,对荷载作用下红砂岩微细结构的演化进 行了全程观测,并测定了对应岩样的无侧限抗压强度和提取了相应的微细结构量化参数。运 用多元线性回归分析法对微细结构量化参数和无侧限抗压强度进行关联性分析,筛选出了对 红砂岩无侧限抗压强度有显著影响的微细结构要素,并对荷载作用下显著性微细结构要素的 演化特性进行了分析。研究结果表明:红砂岩的单轴抗压强度主要与密实程度、微孔洞等缺 陷的分布情况及颗粒之间的联结状态有关,随着红砂岩风化程度的增强,以上各因素对其单 轴抗压强度的影响将更加显著;随荷载的增加,红砂岩的颗粒面积比例及欧拉数总体上趋于 减小,孔隙分布分维趋于增大,内部结构的稳定性不断降低。 关键词:红砂岩,微细结构,关联性分析,演化特性 中图分类号:TU411.92
应变 0%
应变 2%
应变 4%
应变 6%
应变 8%
图 1 干燥条件下不同应变率中风化红砂岩的微细结构图片(放大 200 倍)[6] Fig.1 The microscopic pictures of red sandstone with intermediate weathering and dry state (by zooming 200
5.85
Z2 中 0.78 0.97 86.7 13.3 0.69 0.63 1.85 1.57 3.11 2.40 0.50
5.94
R2 弱 0.67 0.89 91.2 8.8 0.74 0.57 1.76 1.41 3.37 2.96 0.53
7.48
R5 弱 0.68 0.78 92.1 7.9 0.74 0.55 1.73 1.38 2.80 2.65 0.58
回归公式计算的数值与实际值误差率不超过 5%,则说明该公式回归效果较好,计算精度较
高。公式中只出现颗粒面积比例、孔隙分布分维和欧拉数三个微细结构量化参数,说明其它
量化参数对红砂岩的单轴抗压强度影响并不大。上述三个微细结构量化参数与红砂岩单轴抗
压强度的相关系数如表 2 所示。
3.2 强度与微细结构量化参数的关 联性分析
岩风 样化 编程 号度
圆度
颗孔 粒隙
面积比例 (%)
颗孔 粒隙
定向度
颗孔 粒隙
分布分维
颗孔 粒隙
不均匀系数
颗孔 粒隙
欧拉 数
单轴抗压 强度
(MPa)
Q3 全 0.81 0.88 77.2 22.8 0.70 0.72 2.44 1.82 2.67 2.97 0.32
0.45
Q7 全 0.88 0.68 78.1 21.9 0.78 0.68 2.31 1.78 2.75 2.68 0.38
1. 引 言
岩土材料在工程环境下所表现出众多而复杂的工程特性和现象,都与其内部微细结构的 形态和变化有关。因而,揭示岩土体工程特性与其微细结构形态及变化之间的内在规律性, 建立具有微细结构变化特征背景的关系式,不仅对岩土力学理论进一步深入研究具有十分重 要的科学意义,而且对分析和评价岩土的工程特性及其对工程建设的适应性也有着明显的现 实性。岩土材料微细结构的研究与试验水平密切相关,随着扫描电镜(SEM)、电子探针、 透射电镜等新兴技术的不断引入和计算机图像处理技术的提高,对岩土材料微细结构研究已 由单纯地定性描述发展到了定量描述和分析。目前,这方面的研究主要集中在结构特征的量 化和岩土材料微细结构变化与工程性质的定量分析上,吴义祥等[1]应用计算机图像分析技术 从信息熵角度对工程粘性土结构排列状态进行了定量研究,刘松玉[2][3]推出了粒度分维分析 方法等,提出了大量的微细结构量化参数。由于岩土材料的物理力学性质是微细结构状态的 总体反映,是诸多结构因素共同作用的结果,不同的结构因素对岩土材料的物理力学性质的 影响差别很大,并且表征结构状态的结构量化参数对工程特性的影响不是完全独立的,而是 存在着一定的交叉[4]。所以为了能够准确地反映岩土材料物理力学性质与微细结构状态之间 的关系,必须筛选出影响显著的微细结构量化参数。同时,岩土材料在受力压缩时,其工程 性质亦将发生相应的变化,这种变化是通过其结构状态的调整来实现的。因此,要想揭示物 理力学行为的本质规律,必须掌握岩土材料在受力过程中微细结构相应的变化情况。
对于弱风化红砂岩回归方程为:
(3)
qu = 3.152 − 0.114AP − 2.919H K + 0.374Λ
(4)
式中,qu 为单轴抗压强度; AP 为颗粒所占面积比例;H K 为孔隙分布分维均;Λ 为欧
拉数。
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微细结构量化参数与强度的回归计算结果表明,回归分析复相关系数达到 0.9426,且经
对于全风化红砂岩回归方程为:
qu = 2.065 + 0.146AP − 5.570H K + 0.188Λ
对于强风化红砂岩回归方程为:
(1)
qu = 0.731 − 0.138AP − 3.640H K + 0.194Λ
对于中风化红砂岩回归方程为:
(2)
qu = 2.432 − 0.122AP − 3.078H K + 0.254Λ
3.1 强度与微细结构量化参数的回归分析
多元线性回归分析法是一种很好的统计数学方法,利用多元逐步回归分析可以把对因变 量有显著影响的自变量逐个引入回归方程,剔除由于其它变量加入而削弱对因变量的作用程 度的自变量,以保证回归式中只含有显著变量。
考虑到红砂岩微细结构量化参数对其物理力学特性的影响或大或小,各不相同。且各参 数的作用并非完全独立,其间存在着一定的交叉影响,为充分体现微细结构量化参数对红砂 岩物理力学特性的影响,运用逐步回归分析的方法,得到了能够反映不同风化程度红砂岩各 微细结构量化参数与单轴抗压强度之间关系的回归方程,见(1)-(4)式。
3.2.2 孔隙分布分维与单轴抗压强度间的关系 孔隙分布分维与红砂岩的单轴抗压强度呈负相关关系,孔隙分布分维越大,红砂岩内部
孔隙越发育、数量越多,平面离散化程度越高,土体颗粒在空间的分布范围和结构骨架的松 散度大幅提高,从而在加载受力条件下,进行较大幅度的结构调整,产生较大的变形,抗压 强度较低。从表 2 可以看出,随着红砂岩风化程度的减弱,红砂岩单轴抗压强度与孔隙分布 分维之间的相关系数逐步减小,说明当红砂岩风化程度减弱时,孔隙分布分维对单轴抗压强 度的影响相对减弱。
various rate of decay
颗粒 面积 比例
孔隙分 布分维
欧拉数
风化程 度
相 关 0.146 -5.570 0.188 全风化
系数 0.138 -3.640 0.194 强风化
0.122 -3.078 0.254 中风化
3.2.1 颗粒面积比例与单轴抗压强度间的 关系
颗粒面积比例与红砂岩的单轴抗压强度呈正相关关系,颗粒面积比例越大,红砂岩内部 微孔洞及微裂缝越少,即内部初始损伤少,红砂岩的密度和单轴抗压弹性模量增大。这是因 为红砂岩从表 2 可以看出,随着红砂岩风化程度的减弱,红砂岩单轴抗压强度与颗粒面积比 例的相关系数呈下降趋势,说明当红砂岩风化程度减弱时,颗粒面积比例对单轴抗压强度的 影响相对减弱。这主要因为随着风化程度的减弱,红砂岩内部的孔洞、微裂缝等缺陷分布趋 于均匀,颗粒之间具有较为稳固的联结,颗粒面积比例变化幅度趋于减小,导致红砂岩的单 轴抗压强度对内部颗粒面积比例的依赖性减弱。
0.56
S4 强 0.81 0.89 82.1 17.9 0.75 0.65 2.08 1.65 2.23 2.30 0.40
3.38
S5 强 0.85 0.72 83.4 16.6 0.78 0.65 2.04 1.64 2.71 2.65 0.44
3.56
Z1 中 0.70 0.88 86.1 13.9 0.74 0.58 1.88 1.54 2.61 2.53 0.46
times)
表 1 岩样初始状态的微细结构量化参数均值与单轴抗压强度统计表
Table1 Statistical table of quantized micro-structural parameters under initial state and uniaxial compressive
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