深部人工冻土CT试验分析方法研究

吉海军

(西安职业技术学院建筑工程系，陕西西安 710077)

今后20年我国很多煤矿都将进入到1 000 m～1 500 m的开采深度，深部人工冻土的力学性状研究对深部冻结凿井工程稳定性具有重要意义。我国已建成的最深冻结立井工程之一——巨野矿区郭屯矿702 m冻结立井工程，布置主、副、风三个井筒，三井筒均采用冻结法施工。试验土样就取自郭屯矿主井580 m深处。CT技术(Computerized Tomography，计算机层析识别技术)主要基于射线与物质的相互作用原理，通过投影重建方法获取被检测物体的数字图像。CT无损检测不破坏试验样品的整体性，且能在试验加载全程对样品不同断面进行多次检测，能真实反应冻土内部微结构变化，是研究深部人工冻土加载条件下内部结构演化的有效手段。Matlab软件能提取扫描图像中每一点的灰度值，对土颗粒、冰晶及空隙成分进行统计分析。

1 深部人工冻土试样CT力学试验

将所取土样按《土工试验方法标准》配制成20%，25%和32%三种不同含水率的试验土样，并分别制成φ32 mm×48 mm的圆柱体试样，在冰柜中恒负温冻结。

1．1 空气和冰成分灰度值界定试验

试验先对土样中的空气和冰成分进行界定，确定空气和冰的灰度值范围。通过在试样中心挖出一个圆形孔洞，孔洞中为空气或为注水后冻结成的冰，将冻结好的试样分别在CT设备上扫描，然后利用Matlab软件对扫描图像中空气和冰的灰度值进行统计分析。

1．2 正融状态的力学性能试验

空气和冰的灰度值范围确定后，进行正融状态下的力学性能试验，对不同含水率的冻土试样分级加载并扫描，在初始状态和各级荷载施加完成后，对图1所示的a～g断面进行实时CT扫描，d断面为人工冻土试样1/2高度处，a～g之间分别间隔1 mm。

图1 各含水率人工冻土试样CT扫描位置图

2 CT试验结果分析

2．1 空气和冰的灰度值范围

冻土试样孔洞中心内空气和冰的CT扫描图像及灰度值分析结果如图2所示。图2b)中空气的灰度值主要分布在1 000～3 000范围内，图2d)中冰的灰度值主要分布在3 000～4 000范围。两者没有重合部分，可通过灰度值区分空气和冰。

图2 人工冻土试样中空气和冰的灰度值分布情况

2．2 正融状态的力学性能试验结果

初始状态和每级荷载施加完成后，均可获得a～g 7个断面的扫描图像，图3和图4分别为25%，32%含水率的人工冻土试样d断面的CT加载扫描图像。

比较图3和图4可以看出:

1)初始状态时，含水率越低的人工冻土试样内部的微孔隙、微裂隙越少，土样越密实;随着含水率的增大，土样内部微孔隙、微裂隙明显增多，这主要是受孔隙冰冻结的影响。2)图3，图4中各扫描断面的微孔隙、微裂隙随着荷载的增大逐渐减少，说明人工冻土试样高度中部，在载荷作用下内部逐渐被压密，试样的破坏主要是由于试样顶部和底部融化过快，很快软化而不能继续承载。

图3 25%含水率人工冻土试样d断面每级荷载CT扫描图像

图4 32%含水率人工冻土试样d断面每级荷载CT扫描图像

图5为各含水率人工冻土试样破坏时的立面扫描图像，可以看出，20%含水率人工冻土试样高度中部被压粗，呈鼓形破坏;含水率25%和32%的人工冻土试样是顶部和底部先压粗，呈X形破坏。图6为不同含水率的深部冻土试样轴向应力—应变关系曲线，图6表明含水率越高的人工冻土试样，相同载荷下的变形量越大，且能承受的破坏载荷越小。

图5 不同含水率试样破坏时立面扫描图像

图6 不同含水率人工冻土试样应力—应变关系曲线

2．3 孔隙率和平均灰度值统计分析

利用Matlab图像处理软件，统计分析各含水率的人工冻土试样各个断面不同荷载作用下CT扫描图像，主要分析各断面微孔隙所占比例(即孔隙率)和选定区域的平均灰度值随荷载增加的变化情况。

图7为沿图3中对应箭头的灰度值变化曲线。

图7中，初始状态时沿箭头的灰度值分布很不均匀，反映出人工冻土试样内部的微孔隙、微裂隙及冰晶分布不均匀。对照CT图像，图3a)中箭头穿过的微孔隙、微裂隙及冰晶(深黑色部分)的灰度值均小于7 000，统计分析时取灰度值小于6 600的为细观孔洞或冰晶。随着载荷的逐渐增大，沿箭头的灰度值分布逐渐趋于均匀，且灰度值小于7 000的范围明显减少，说明土样内部的微孔隙、微裂隙减少，冰晶融化，试样逐渐被压密。

根据不同含水率人工冻土试样a断面和d断面的孔隙率、平均灰度值的统计数据绘制其孔隙率、平均灰度值随载荷的变化曲线，如图8所示。

从图8可以看出:

1)随着含水率增大，人工冻土试样的孔隙率逐渐增大，平均灰度值则逐渐减小。

图7 25%含水率人工冻土试样d断面沿图3箭头的灰度值变化曲线

图8 不同含水率的人工冻土试样的孔隙率、平均灰度值变化曲线

2)含水率20%的人工冻土试样，随着荷载的增大，孔隙率先略有增大再减小，再逐渐增大直到破坏;而平均灰度值则是先减小再增大，再逐渐减小;平均灰度值越大反映出土样内部越密实，所以平均灰度值变化所反映的土样内部结构变化与孔隙率反映的土样内部结构变化一致。

3)25%含水率的人工冻土试样，随着荷载的增大，各扫描断面的孔隙率先略有增大，然后很快减小;平均灰度值则是先略减小再快速增大;均反映出各断面被逐渐压密，这主要是因为该含水率试样是顶部和底部被先压坏不能继续承载。

4)32%含水率的人工冻土试样，孔隙率随荷载的增大很快减小，平均灰度值随荷载的增大很快增大，各扫描断面很快被压实，因为破坏发生在试样顶部和底部，中部变形不明显。

3 结语

通过对土样中空气成分和冰成分的界定，其灰度值分布范围互不重合。而人工冻土试样的灰度值分布不均匀，有部分出现在空气和冰的灰度值分布范围内，这足以确定这部分为微孔隙、微裂隙或冰晶。

通过Matlab软件统计分析的人工冻土试样孔隙率和平均灰度值变化情况与CT扫描图像的变化情况一致，由此说明，利用灰度值分析方法判断人工冻土内部结构演化及界定各相成分是完全可行的。

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