不同含水率砂岩无损检测参数的尺度效应研究

收稿日期：2015-11-27 基金项目：国家自然科学基金（ No. 41372356)；国家自然科学基金青年基金（No. 51308567)。 This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (41372356) and the National Natural Science Foundation of Youth Fund of China (51308567). 第一作者简介：刘新荣，男，1969 年生，博士，教授，主要从事岩土工程、地下空间与工程等领域的教学与科研工作。E-mail:liuxrong@126.com 通讯作者：王子娟，女，1989 年，博士研究生，主要从事地下空间开发利用和水岩相互作用方面的研究。 E-mail:346484339@qq.com
Abstract: Spiral CT（Computerized Tomography）and intelligent ultrasonic velocimeter were used in the non-destructive testing of five sandstone samples of different scales under the condition of drying and of different degrees of saturation. The test results show that water absorption of vacuum saturation method is a bit bigger than that of natural immersion method(D = 50 mm); saturated water absorption and the height of specimen are almost linearly related; the water absorbing ability of the specimen is weakest when the height to diameter ratio(h/D) is maximum and its value is 3.5, while it is relatively strong when the size ratio in the two directions is near two; duo to the anisotropy of rock caused by its natural defects, the smaller specimen size is, the higher anisotropy index will be, and the macro-uniformity of the specimen will be obvious when the size of it is large enough; both of the macro mechanical parameters and micro mechanical parameters of sandstone are of scale effect, The variation of the elastic modulus of the rock specimen is huge when its height to diameter ratio is less than two(h/D＜2.0) and the calculation elastic modulus of the rock specimen increases slowly with the increase of height when its height to diameter ratio is greater than or equal to two(h/D≥2.0). Nondestructive testing parameters’ scale effect equation of sandstone of different moisture contents is obtained in this article; the formula shows that squares of the test specimen’s longitudinal wave velocity and numbers have inverse correlation to the water absorption effect of sandstone; the result is of certain guiding significance for the research of water rock interaction when considering the scale effect of the specimens. Keywords: ultrasound-CT; saturated water absorption; scale effect; nondestructive testing; micro-characteristics
Research on nondestructive testing parameters’ scale effect of sandstone of different moisture contents
LIU Xin-rong1, 2, WANG Zi-juan1, 2, FU Yan3, YUAN Wen1, 2, DEN Zhi-yun1, 2
第 37 卷增刊 1 2016 年 6 月
DOI： 10.16285/j.rsm.2016.S1.025
岩 土 力 学 Rock and Soil Mechanics
Vol.37 Supp.1 Jun. 2016
不同含水率砂岩无损检测参数的尺度效应研究
刘新荣 1, 2，王子娟 1, 2，傅 晏 3，袁 文 1, 2，邓志云 1, 2
增刊 1
刘新荣等：不同含水率砂岩无损检测参数的尺度效应研究
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引
言
描参数和声波传播规律的影响，本试验选取直径 D = 50 mm， 高度 h 分别为 25、 50、 100、 125、 175 mm 的 5 种尺寸的砂岩， 对于加工的试样用 ZC4 测砖回 弹仪进行筛选，剔除了回弹值差异比较大的试样。 对于筛选后的 20 个试件， 分为 2 组， 每组 5 个尺寸， 每个尺寸 2 个试件，分别在干燥与饱和条件下对其 进行螺旋 CT 扫描和纵波波速的测试。 2.2 试验方案 为了研究不同含水率对砂岩“超声-CT”检测 的影响，一组试件进行自然浸水法饱和，另一组试 件进行真空饱和法饱和。把用于自然浸水法的试件 分为两类，每类含有 5 个不同尺寸的试件，取其中 一类在浸水之前（即干燥状态）进行一次 CT 扫描。 试验仪器为东芝 Aquilion16 螺旋 CT 机。然后进行 自然浸水法饱和，饱和后再次用螺旋 CT 机进行扫 描，扫描方式为每 1 mm 扫描一个层面，每次共扫 描 275 张图片。 对于自然浸水法饱和的试件，根据规范规定， 将其中同一尺寸的 2 个试件竖直放置于一个饱和缸 中，第一次加水至试件的 h/4 高度，以后每隔 2 h 加水至 h/2 和 3h/4 高度，6 h 后试件全部淹没水中， 浸泡 48 h 后取出，测出饱和的含水率和纵波波速， 其余尺寸的试件按照上述方法进行饱和与测值。另 一组试件采用智能混泥土真空饱水机进行饱和，把 这组所有试件都放入饱水机中， 以-80 kPa 持续抽压 4 h，随后饱水机自动抽水至试件淹没，静置 20 h， 最后取出试件称重和测纵波波速。 本文采用超声脉冲穿透法对岩样进行纵波测 试，试验仪器为美国 OLSON 公司生产的全能无损 检测采集分析系统（FREEDOM DATA PC） 。纵波 换能器与岩样间采用适量的润滑脂耦合，每次测试 前用标准试件进行声波标定，使其通过的试件时间 为 24.6 s，确保系统声发射信号的稳定性。依次测 试岩样烘干与饱和后的纵波波形、经过发射探头到 接收探头的时间，纵波波速的计算公式为
（1. 重庆大学 土木工程学院，重庆 400045；2. 重庆大学 山地城镇建设与新技术教育部重点实验室，重庆 400045； 3. 重庆大学 建设管理与房地产学院，重庆 400045）
摘 要：利用螺旋 CT 机和智能超声波测速仪对 5 种尺寸的砂岩试样进行干燥及不同饱和条件下的无损检测试验。试验结果 表明，当试件直径一定时（D = 50 mm） ，真空饱和法吸水率比自然浸水法略大，饱和吸水率与试件高度几乎成线性相关，试 件两个方向的尺寸比值为 2.0 附近时其吸水能力较强，高径比最大的 h/D=3.5 时其吸水能力最差；由于岩石天然缺陷造成的 各向异性，试件尺寸选取越小其各向异性指数越高，尺寸足够大其宏观均匀性才明显；砂岩的宏观力学参数和细观特征都存 在尺度效应，当试件高径比 h/D＜2.0 时岩样的弹性模量波动比较大，当高径比 h/D≥2.0 时试件计算弹性模量随着高度的增 加而缓慢增加。得到了不同含水率砂岩无损检测参数的尺度效应方程，公式表明砂岩的吸水效果与试件的纵波波速的平方和 CT 数反比例相关，对于研究水岩相互作用时考虑试件的尺度效应有一定的指导意义。 关 键 词：超声-CT；饱和吸水率；尺度效应；无损检测；细观特征 中图分类号：TU 452 文献识别码：A 文章编号：1000－7598 (2016) 增 1－0192－09
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岩石是经过不同性质的成岩作用、在长期地质 演化下形成的天然材料，不同尺度下岩石（体）含 有不同层次的节理、微裂隙等缺陷，物理力学性能 不是一个常数。尺度效应广泛存在于岩石等缺陷材 料中，目前对尺度效应的研究主要有室内试 验[13]、理论分析[4]与数值模拟[5]等方法。 张后全等[6]通过对不同尺寸的灰岩进行单轴压 缩试验发现，每一种非均匀的岩石材料都存在明显 的特征尺度， 岩石的尺度效应源于自身的非均匀性。 Natau 等[7]进行了不同直径的开裂性石灰岩单轴压 缩试验，研究了石灰岩强度参数的尺度效应。杨圣 奇等[8]研究了不同尺寸的大理岩强度和变形特性， 提出了大理岩材料尺寸效应模型。李小春等[9]应用 CT 技术完成了三轴压力环境下岩石破坏的全过程 细观损伤演化的动态试验。杨更社等[1011]研究了岩 石内部裂纹的发展与细观参数（CT 数）的关系。 Richard 等[12]分别对干燥和饱和状态下的岩石进行 了声发射试验，对岩石声波波速的各向异性特征进 行了研究。宋战平等[1314]通过对受力和非受力两种 状态下裂隙片岩的纵波波速研究，得到干燥与饱和 状态下岩石损伤特性与波速的关系。 赵明阶等[15]将工 程岩体分类与岩体的纵波波速联系起来，并给出超声 波预测岩体强度及变形参数的方法。 在研究水岩相互作用的课题中[1618]，对于干湿 循环后的试件进行常规的室内劈裂试验、 压缩试验、 断裂试验，其所选用的试件尺寸都不相同，所以研 究不同含水率下岩样的物理力学参数的尺度效应具 有重要意义。学者们大部分采用了破坏性试验研究 岩石力学参数的尺度效应， 这样的试验是单一性的， 不可重复。超声波波速测试是岩样的宏观参数表 现， CT 扫描可描述岩样的细部特征， 本文选取“超 声-CT”无损检测方法，综合分析不同高径比砂岩 的宏细观特征，得到的 CT 数和纵波波速是岩石的 物理、力学特征的综合表现。选取规范给出的两种 试样饱和方法[19]，通过“超声-CT”综合法研究干 燥与饱和状态下砂岩的尺度效应，可为三峡库区水 岩相互作用对库岸边坡的稳定性影响提供了理论和 试验依据。
(1. College of Civil Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, China; 2. Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area of Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400045, China; 3. College of Construction Management and Real Estate, Chongqing University, Chongqing 400045, China)