基于CT扫描的巴东组易滑岩组微观结构劣化研究

孟 朕，吴 琼，鲁 莎，刘智琪

(中国地质大学(武汉)工程学院，湖北 武汉 430074)

随着我国国民经济的快速发展，三峡工程在为人类带来巨大社会经济效益的同时，也对库区内地质环境造成了诸多潜在的影响，极易引发各种地质灾害。巴东组是由德国地质学家李希霍芬于1912年在巴东县长江沿岸所命名的“巴东层”(Patung-Schichten)演变而来，该地层属海退序列兼有震荡运动形式下形成的滨-浅海相不纯碳酸盐岩及泥砂岩建造，主要分布在我国鄂西和川东地区，隶属于三叠系中统，是三峡库区内典型的易滑地层[1-3]。由于沉积旋回的作用，不同岩性相互交替出现在巴东组地层中十分常见，多为软岩与硬岩互层状相互交替出现，并且在库水位升降和降雨等外界因素的影响下，位于水库库岸消落带内的巴东组软硬互层岩体长期经受着“干湿循环”的劣化作用影响，其物理力学性质逐渐发生累积性劣化，极易导致各种地质灾害的发生[4-6]。对于岩石而言，微观结构往往很大程度上会控制其宏观力学性质，因此研究巴东组典型易滑岩组在干湿循环作用下微观结构的累积性劣化，是分析三峡库区内巴东组软硬互层岩体劣化的基础。

利用CT扫描技术研究岩石内部的微观结构已经得到了广泛应用，并且已成为研究人员认可的一种手段。如Raynaud等[7]采用医用CT扫描技术得到了均质石膏、花岗岩、红层软岩、白云岩等几种样本的断面CT图像；Shi等[8]利用CT扫描技术和分形理论分析了岩石内部微裂纹的物理发育特征；Ren等[9]对砂岩样品进行CT扫描，并根据2D图像探讨了三轴压缩条件下裂纹的传播规律；张全胜等[10]针对CT扫描技术在岩石损伤检测中的应用，指出岩石CT扫描技术目前存在的问题，并预测了其未来的发展方向；张子涵等[11]将图像处理、分形理论和数理统计相结合，根据CT扫描切片图像，重建了红层砂岩孔隙结构空间分布模型，并计算了Hausdorff测度空间下红层砂岩孔隙结构分布盒维数与集束维数；张艳博等[12]利用工业CT扫描技术对岩石破裂过程进行了阶段性观测扫描，通过CT图像堆栈矢量化处理构建了岩石三维裂隙模型，定量化表征了岩石破裂过程中裂纹的扩展情况；张嘉凡等[13]为了研究岩石CT图像分割及量化方法，提出了一种聚类算法与数字图像处理技术相结合的方法，实现了岩石CT图像的分割与量化；王章琼等[14]通过对武当群片岩的CT数、纵波波速变化规律与其力学参数变化规律进行相关性分析，指出纵波波速与片岩力学参数的相关性更显著；王传洋[15]通过对岩石CT图像进行裂纹面积、分维计算和三维重建，为多角度分析岩石应力-应变过程提供了思路；郎颖娴等[16]采用CT扫描技术和边缘检测算法等方法，并结合有限元并行计算，建立了可反映岩石内部细观结构的三维非均匀数值模拟方法；段永婷团队[17-21]开展了单轴压缩条件下页岩的在位微米CT试验，研究了页岩内部结构特征及其对页岩破裂演化和破坏模式的影响规律；钟江城等[22]通过深部煤体单轴压缩的实时CT扫描试验，结合细观统计损伤力学，提出了一种基于CT图像灰度值定义煤体损伤变量的方法。此外，还有一些学者将3D打印与CT扫描相结合，研究了岩石破坏的内部特征[23-25]以及一些其他材料的内部微观结构特征[26-29]。

利用CT扫描技术研究岩石内部微观结构的累积性损伤劣化，目前已经得到了研究人员的广泛关注。如杨更社等[30-31]借助于岩石材料冻融循环CT扫描试验，对岩石材料在冻融循环作用下的损伤扩展特性进行了研究；张全胜[32]从细观损伤力学理论出发，利用CT扫描技术研究了岩石在冻融循环过程中内部细观损伤的扩展机理及相应损伤结构的变化；王焕[33]通过冻融红砂岩的CT扫描试验，从细观角度对红砂岩在不同冻融次数下的冻融劣化机理和损伤演化规律进行了研究。

上述研究均针对冻融循环作用下岩石的累积性破坏，而对于干湿循环作用下岩石的累积性破坏也有较多研究。如姚远[34]利用CT扫描技术重点讨论了干湿循环作用下泥岩强度损伤的机制；王子娟[35]、刘广宁[36]和苗亮等[37]通过干湿循环、CT断面扫描和三维立体重建等试验，研究了三峡库区消落带岩石的劣化特性；Yao等[38]利用CT扫描技术对三峡水库周期性湿润-干燥的砂岩进行了物理力学性质研究，并指出在湿润-干燥循环过程中，砂岩的多尺度物理力学性质均发生了显著的变化。

综上所述，CT扫描技术在岩石内部微观结构损伤研究的应用方面，目前多集中于单一材料的内部微观结构的劣化研究，而对具有明显性质差异的软硬程度不同的岩石在干湿循环作用下的平行劣化对比研究则较少。基于此，本文首先对野外采集的三峡库区典型易滑岩组巴东组第二段红色系列的粉砂质泥岩和砂岩进行了不同次数(0次、1次、3次、6次和10次)的干湿循环试验;然后对经历不同干湿循环次数的粉砂质泥岩和砂岩试样进行CT扫描试验和岩石饱和吸水率计算；最后利用后处理软件对不同干湿循环次数下粉砂质泥岩和砂岩的CT扫描图像进行三维数字模型重建，并对重建模型的二维平面和三维立体结果进行定性描述与定量分析。该研究结果揭示了巴东组典型易滑岩组在干湿循环作用下岩石微观结构劣化过程，对三峡库区内地质灾害的防治与安全运营有着重要的工程意义与应用价值。

1 试样制备

沉积旋回是指在一个沉积序列中规则地重复发生的、不同组构及岩相的组合，常表现为岩性、岩相的交替变化。由于沉积旋回的作用，导致不同岩性组合在巴东组地层中十分常见，大多为软岩与硬岩互层状相互交替出现，其中最为典型的有两类岩组：一类是灰色系列的泥质灰岩与泥岩互层岩组；另一类是红色系列的粉砂质泥岩与砂岩互层岩组。由于巴东组第二段红色系列的粉砂质泥岩与砂岩岩组工程地质特性较差，加之降雨和库水位升降等多种外界因素的影响，导致该易滑岩组极易在干湿循环的作用下发生变形破坏。鉴于此，本文选取巴东组第二段红色系列的粉砂质泥岩与砂岩互层岩组为研究对象，取样地点位于巴东县新县城铜鼓包附近，见图1。

现场所采集的新鲜岩样整体完整性良好，大部分为类长方体形，平均尺寸约为50 cm×50 cm×20 cm，在运输途中加入泡沫板、橡胶轮胎等防震填充物，力求减少运输过程中对岩样的扰动和破坏，因此基本保持了岩样的天然状态。对野外采集的巴东组第二段红色系列的粉砂质泥岩和砂岩新鲜岩样在中国地质大学(武汉)岩石力学试验室按照相关规范标准进行试样加工，最终得到加工后的尺寸为70 mm×70 mm×50 mm的长方体粉砂质泥岩和砂岩试样各一件(见图1)，用于开展巴东组易滑岩组在干湿循环作用下岩石内部微观结构劣化的研究。

图1 巴东组易滑岩组取样位置图及试样照片Fig.1 Sampling locations of sliding-prone formation of Badong formation

2 试验方案

2. 1 干湿循环试验

在之前针对干湿循环作用下岩石内部微观结构劣化的研究中，学者们采用了各种各样的干湿循环试验方案[39-43]。其中，试样饱和方式通常分为真空压力饱和和自然浸泡饱和两种方式；试样烘干方式通常分为烘箱加热烘干和自然风干两种方式。本文拟采用学者们常用的试样真空压力饱和与烘箱加热烘干的干湿循环试验方案[44-50]，试验装置见图2。具体试验步骤如下：饱和时，将岩样放入真空桶内，加水至岩样处于完全浸泡状态，利用真空泵以-0.08 MPa压力持续抽压4 h，保持此真空度静置20 h，完成饱和过程；烘干时，将饱和岩样表面水分擦干，放入烘箱内以105℃持续烘干24 h，完成烘干过程。在本次试验中，岩样共经历10次干湿循环，并分别在0次(天然状态)、1次、3次、6次和10次干湿循环后进行CT扫描试验。为了方便CT扫描试验的进行，拟采用先对岩样饱和后烘干的顺序进行干湿循环试验，试验用水采用蒸馏水。

岩石饱和吸水率是反映岩石水理性质的重要指标之一，它可以直观地反映出岩石内部空隙的数量、大小以及闭合程度。岩石饱和吸水率越大，说明其内部结构越松散，空隙越多，工程地质特性越差。因此，在每次干湿循环之后计算粉砂质泥岩和砂岩的饱和吸水率。岩石饱和吸水率计算公式如下：

(1)

式中：Ws为岩样的饱和吸水率(%)；ms为岩样饱和后的饱和质量(g)；md为岩样烘干后的干质量(g)。

图2 干湿循环试验仪器Fig.2 Wetting and drying test instruments

2.2 CT扫描试验

本次试验所使用的CT扫描设备为中国地质大学(武汉)岩土钻掘与防护教育部工程研究中心的phoenix v|tome|x s高分辨率工业进口岩石细观损伤结构三维透视扫描仪(以下统称CT扫描仪)，见图3。该设备可以对岩石进行非破坏性扫描，获取其内部微观结构的空间信息，如空隙结构、裂纹走向等数据，并进行定量分析，具有独特的240 kV微米焦点射线管、GE DXR 250非晶硅数字平板探测器以及高精度机械操作系统，且具备自动启动、自动聚焦和恒功率控制功能，配有相应的三维重建软件datos|x以及模型处理软件VGStudio MAX。该设备扫描样品尺寸的最大直径为300 mm，最大高度为500 mm；系统细节辨识能力最小为2 μm，系统对比度、灵敏度依据ASTM标准优于1%；射线管最高管电压为240 kV，最高管电流≥3 mA；数据采集时间≤15 min，有效像素数目为2 0242，动态范围为16 bit。

图3 岩石细观损伤结构三维透视扫描仪Fig.3 3D perspective scanner for rock meso damage structure

为了获得高质量图像结果，必须依据所扫描的样本大小及材料类型来设置最佳扫描参数。本次CT扫描试验设置的主要扫描参数为：管电压110 kV，管电流100 μA，分辨率17 μm，16位CT扫描图片共1 000张。分别对粉砂质泥岩和砂岩在经历0次(天然状态)、1次、3次、6次和10次干湿循环后进行CT扫描试验，利用datos|x软件将1 000张CT扫描二维图像进行三维堆叠重建，并将重建结果导入到VGStudio MAX中进行后续分析。VG-Studio MAX是一款对体素数据进行可视化与分析的软件，包含众多分析模块，已广泛应用于工业CT、医学研究和生命科学等领域。利用VGStudio MAX软件，可以对粉砂质泥岩和砂岩的CT扫描结果进行某一特定位置剖面图像提取、空隙率计算以及内部裂纹提取计算等操作，从而获得岩样的诸多微观结构表征参数。

3 试验结果与分析

3. 1 岩样饱和吸水率试验结果与分析

巴东组粉砂质泥岩和砂岩饱和吸水率随干湿循环次数(n)的变化曲线，见图4。

图4 巴东组粉砂质泥岩和砂岩饱和吸水率随干湿 循环次数的变化曲线Fig.4 Variation curves of saturated water absorption of silty mudstone and sandstone with wetting and drying cycles in Badong formation

由图4可见，仅经历1次干湿循环后粉砂质泥岩的饱和吸水率已经明显大于砂岩，说明在天然状态下粉砂质泥岩的内部空隙和裂隙已经相较砂岩发育丰富，工程地质特性较差；在经历3次干湿循环之后，粉砂质泥岩和砂岩的饱和吸水率明显增加，粉砂质泥岩的饱和吸水率由1.15%增加至1.62%，砂岩的饱和吸水率由0.71%增加至0.93%，粉砂质泥岩的饱和吸水率较砂岩增加明显；3～6次干湿循环后，粉砂质泥岩的饱和吸水率增加缓慢，但仍处于上升状态，其饱和吸水率在1.62%～1.73%之间，砂岩的饱和吸水率则几乎趋于稳定状态，其值在0.93%～0.95%之间；6～10次干湿循环后，粉砂质泥岩的饱和吸水率也几乎处于稳定状态，其值在1.73%～1.80%之间，此时粉砂质泥岩和砂岩的饱和吸水率均未发生明显的变化，这表明干湿循环作用对岩石内部微观结构产生明显的劣化作用主要集中在前6次干湿循环，尤其是前3次干湿循环，而后4次干湿循环的劣化作用则相对较小。无论经历几次干湿循环，粉砂质泥岩的饱和吸水率始终高于砂岩，并且粉砂质泥岩的饱和吸水率的变化幅度明显高于砂岩，表明干湿循环作用对粉砂质泥岩劣化作用的影响较大，而砂岩由于其所含黏土矿物较少且内部矿物颗粒排列较紧密、稳定，故干湿循环作用对其劣化作用的影响相对较小。

3.2 岩样CT扫描试验结果与分析

3.2.1 岩样三维数字模型重建

岩样经CT扫描后首先得到的是一系列连续的二维X射线投影图像，需要利用datos|x软件将其转化为三维数字模型，再利用VGStudio MAX软件做进一步分析，具体过程见图5。利用datos|x软件对采集的岩样二维数字图像进行重建时，为了获得更好的重建效果，需要在重建过程中采取一些优化处理方法，具体如下：利用投影滤波器进行标准处理，以增强物体边缘；利用高分辨率扫描优化器优化物体边缘处条纹；利用射束硬化校正对光束硬化所产生的伪影进行优化。优化处理之后利用Feldkamp算法重建得到岩样三维数字模型，再将三维数字模型导入VGStudio MAX软件或其他处理软件进行可视化和进一步分析。

图5 岩样三维数字模型重建过程Fig.5 3D digital model reconstruction process of rock samples

尽管在利用datos|x软件进行岩样三维数字模型重建时已经对CT扫描图像进行了优化处理，但是仍会存在一些“伪影”的影响。伪影是指在CT扫描图像中表现为与物体实际结构不相符的图像特征，通常与被扫描物体的形状、大小以及扫描仪器硬件设备等有关。对岩石进行CT扫描时，如果仅研究其内部结构，不考虑其他试验条件，要想获得高分辨率图像，并减少伪影的影响，试样最好使用圆形柱状体，并且尺寸不宜过大。但由于本次CT扫描试验所采用的试样后续还需进行其他试验，因此这里采用的是方形试样，CT扫描之后的二维数字图像为矩形横截面。在矩形截面成像时，X射线沿射线路径是平均衰减的，但由于矩形截面对角线的长度要大于边长，X射线沿对角线穿过时与沿边长穿过时衰减路径长度不同，因此会在二维数字图像中出现明显的对角线X形伪影以及若干不同直径同心圆环向外发散的环状伪影。为了避免伪影对分析结果产生影响，可以在分析时尽量选择避开伪影位置。

3.2.2 岩样二维平面图像定性分析

利用VGStudio MAX软件对不同干湿循环次数下巴东组粉砂质泥岩和砂岩的CT扫描图像进行剖面提取处理，拟在试样水平方向上、中、下以及竖直方向前、中、后处各取一层剖面进行分析，由于软件默认试样中心位置为零点，故剖面选取位置分别为水平方向0 mm、15 mm和-15 mm处以及竖直方向0 mm、30 mm和-30 mm处，见图6。由于本次岩样CT扫描试验涉及5种干湿循环次数、6处剖面提取位置以及两种不同岩性，得到的剖面图像较多，因此本文只展示岩样劣化最明显的中间位置原始剖面二维CT扫描图像，即水平方向0 mm和竖直方向0 mm处，见图7。

图6 巴东组粉砂质泥岩和砂岩CT扫描图像剖面选取位置示意图Fig.6 Schematic diagram of CT scanning image section selection location of silty mudstone and sandstone in Badong formation

图7 不同干湿循环次数下巴东组砂岩和粉砂质泥岩的二维CT扫描图像和二值化图像Fig.7 2D CT scanning images and binary images of sandstone and silty mudstone under different wetting and drying cycles in Badong formation

由图7可以看出：

(1) 巴东组砂岩内部整体劣化较弱，随着干湿循环次数的增加，其内部没有明显的裂纹产生，结构依旧保持着相对致密的状态，只有中心位置有一条极其细微的裂缝隐约产生。

(2) 巴东组粉砂质泥岩内部则劣化较明显，对于水平方向剖面而言，试样在天然状态下结构较为松散，但没有明显的微裂纹产生；随着干湿循环次数的增加，在1次干湿循环之后，试样右侧产生一条几乎整体贯穿的微裂纹A1，并且在A1左侧产生两条微裂纹A2和A3的雏形，其发育相对不明显；3次干湿循环后，微裂纹A1逐渐扩张，裂纹宽度逐渐增加，并且两条微裂纹A2和A3发育明显，A3几乎横穿整个试样截面；6次干湿循环后，微裂纹A1、A2和A3逐步发育，并且在微裂纹A3右侧萌生一条较为明显的新裂纹A4；10次干湿循环之后，微裂纹A1、A2、A3和A4发育缓慢，裂纹宽度有逐渐增加的趋势，没有明显的新裂纹产生。对于竖直方向剖面而言，试样在天然状态下结构较为松散，依旧没有明显的微裂纹产生；随着干湿循环次数的增加，在1次干湿循环后，试样下部产生一条斜向上发育的微裂纹B1；3次干湿循环后，微裂纹B1继续发育，并且在试样左侧产生新的微裂纹B2和B3；6次干湿循环后，微裂纹B2和B3相遇贯通为一整条大裂纹B4，几乎贯穿整个试样截面；10次干湿循环之后，裂纹B4和B1发育缓慢，在其上部各产生了一条隐约可见的微裂纹B5和B6。

综上所述，干湿循环作用对巴东组砂岩内部微观结构的影响相对较弱，没有使其产生明显的劣化；而干湿循环作用对巴东组粉砂质泥岩内部微观结构的影响较大，随着干湿循环次数的增加，粉砂质泥岩内部产生明显的裂纹，并且裂纹逐渐扩展发育，大多数为近似于直线的长线型贯通裂纹，其中前6次干湿循环对于粉砂质泥岩内部产生的裂纹的扩展发育有着明显的促进作用，后4次干湿循环的促进作用则相对较小。

3.2.3 岩样二维平面图像定量分析

为了更直观、准确地表征干湿循环作用下巴东组粉砂质泥岩和砂岩试样内部微观结构损伤的演化过程，拟对上述水平方向剖面的灰度值和竖直方向剖面的二值化图像进行定量分析。事实上，提取出的试样二维CT扫描剖面图本质上是一幅数字灰度图像，像素是其基本元素，每一个像素对应一个不同亮度的灰度值，其值范围在0～255之间，而不同亮度的灰度值又可以直接反映物质的密度差异。因此，在提取出的试样剖面灰度图像中，灰度值越高的像素点处试样的密度越高，表示该处为岩石颗粒，在图像中表现为偏白色；灰度值越低的像素点处试样的密度越低，表示该处为岩石中的空隙介质，在图像中表现为偏黑色。灰度直方图则是将数字图像中的所有像素点，按照其灰度值大小统计其在整个图像中出现的频率，其中横坐标为灰度值大小，纵坐标为其对应灰度值在整个图像中出现的总个数。利用Matlab软件对拟分析的岩样二维剖面原始图像先进行中值滤波去噪，然后计算不同干湿循环次数下巴东组砂岩和粉砂质泥岩水平方向剖面二维CT扫描图像的平均灰度值及灰度标准差，并绘制其灰度直方图拟合曲线，其计算结果见表1和图8。在岩样CT扫描图像中，平均灰度值越低，表明岩石内部裂纹发育越丰富，内部空隙越多；而灰度标准差则反映了CT扫描图像自身的对比度，灰度标准差越大，表明岩石内部结构越松散，情况越复杂。

表1 不同干湿循环次数下巴东组砂岩和粉砂质泥岩水平方向剖面二维CT扫描图像的平均灰度值及灰度标准差计算结果

由表1可知：巴东组砂岩的平均灰度值普遍大于粉砂质泥岩，并且随着干湿循环次数的增加砂岩平均灰度值的变化幅度较小，平均灰度值变化范围在93～101之间，灰度标准差变化范围在20.33～22.25之间，表明干湿循环作用对砂岩内部微观结构的影响较小；而巴东组粉砂质泥岩则相反，随着干湿循环次数的增加，粉砂质泥岩的平均灰度值逐渐减小，其由98逐渐减小为82，灰度标准差由20.41增加到26.72，并且其在6次干湿循环后劣化基本完成，此时平均灰度值已减小到85，粉砂质泥岩的劣化幅度达到81%，在后4次干湿循环则劣化不明显。

对于灰度直方图而言，由于其形状呈单峰状且近似正态分布曲线，因此对其进行了正态分布拟合，其拟合结果如图8。

图8 不同干湿循环次数下巴东组砂岩和粉砂质泥岩 水平方向剖面二维CT扫描图像灰度直方图的 拟合曲线Fig.8 Gray histogram fitting curves of sandstone and silty mudstone in Badong formation with different wetting and drying cycles

由图8可见:随着干湿循环次数的增加，巴东组砂岩水平方向剖面二维图像灰度直方图拟合曲线有向左偏移的趋势，但幅度较小，峰值及曲线宽度变化相较粉砂质泥岩而言不明显，表明在干湿循环作用下砂岩的力学性质较粉砂质泥岩而言相对稳定；对于巴东组粉砂质泥岩而言，该拟合曲线的波峰逐渐向左偏移，峰值逐渐降低，并且拟合曲线有逐渐变宽的趋势，表明随着干湿循环次数的增加，粉砂质泥岩的力学性质逐渐变差，其内部微观结构逐渐趋于松散状态；此外干湿循环前6次试样的拟合曲线变化明显，干湿循环后4次试样的拟合曲线变化较小，同样表明前6次干湿循环对试样的劣化有着明显的促进作用，后4次干湿循环则影响较小。

在二维数字图像处理过程中，为了使图像变得简单，数据量减小，并能突出感兴趣的目标轮廓，常常对图像采取二值化处理。图像二值化处理的原理是通过选择合适的阈值，将原本具有多个灰度级别的图像转换为能够反映图像局部特征的黑白二值化图像，即凡是灰度值大于等于给定阈值的像素将其灰度值设置为255，小于给定阈值的像素将其灰度值设置为0，这样整个图像就会变成具有明显对比效果的黑白图像，图像可视度大大提高，方便进行定量分析。

量化分析岩石内部裂纹萌生、发育扩展的动态演化过程，能够很好地揭示岩石的渐进破坏过程。由于巴东组砂岩内部结构较稳定，没有明显的裂纹产生，因此本文仅对巴东组粉砂质泥岩竖直方向二维剖面图进行二值化处理，其结果见图7(b)，其中黑色代表岩石内部明显发育的裂纹。由图7(b)可以看出，随着干湿循环次数的增加，巴东组粉砂质泥岩内部裂纹逐渐延伸扩展，并且不断伴有新的微裂纹产生。

定义岩石微观裂纹面积变化系数为K，其计算公式如下：

(2)

式中:Sn代表第n次干湿循环之后粉砂质泥岩二值化图像中裂纹的面积(mm2);S代表第n次干湿循环之后粉砂质泥岩二值化图像的总面积(mm2)。

K值越大，表明岩石内部裂纹的发育越明显。在几何形态上，分形维数可以表征岩石裂纹的复杂程度，岩石分形维数值越大，表明岩石裂纹越复杂分叉越多；岩石分形维数值越小，表明岩石裂纹越趋于光滑。不同干湿循环次数下巴东组粉砂质泥岩微观裂纹面积变化系数K值和分形维数均值，见表2。

表2 不同干湿循环次数下巴东组粉砂质泥岩微观裂纹面积变化系数K值和分形维数均值

由表2可知：在天然状态下，由于粉砂质泥岩内部没有明显的裂纹，因此K值为0，随着干湿循环次数的增加，K值由0逐渐增加为1.75%，并且在前6次干湿循环时增加迅速，K值由0增加为1.41%，增加幅度为80%，后4次干湿循环则增加缓慢；至于分形维数，随着干湿循环次数的增加，粉砂质泥岩分形维数均值逐渐增加，表明粉砂质泥岩裂纹形态逐渐复杂，前6次干湿循环的分形维数均值变化较小，第10次干湿循环之后其分形维数均值变化较大，推测原因是由于在第10次干湿循环后，粉砂质泥岩内部产生了两条新的微裂纹B5和B6，而前6次干湿循环主要发生的是微裂纹B1、B2和B3之间的扩展、合并。

3.2.4 岩样三维立体建模分析

岩石属于有缺陷的多晶材料，具有相对较多的空隙，空隙的存在会在很大程度上影响岩石自身的力学性质，对岩块及岩体的水理性质、热学性质及力学性质的影响很大。一般来说，岩石空隙越多、越大，岩石强度越低，渗透性越强；岩石空隙越少、越小，岩石强度越大，渗透性越差。因此，对岩石空隙率进行相关研究是岩体力学研究的重要内容之一。利用VGStudio MAX软件对不同干湿循环次数下粉砂质泥岩和砂岩的CT扫描图像进行了空隙率计算。计算时，如果对被扫描试样整体进行空隙率计算，则对计算机处理能力有着非常高的要求，并且处理时间也会相对较长；如果选取试样内较小的感兴趣区域进行空隙率计算，则可能无法代表整个被扫描试样。因此，需在考虑计算结果的准确性和计算机处理能力的同时，选取合适大小、位置的感兴趣区域进行计算。通过对不同大小及位置的感兴趣区域空隙率计算结果的对比，并考虑避开X型伪影的影响，最终选取4块感兴趣区域切块进行了空隙率计算，并取平均值作为试样整体的空隙率。感兴趣区域切块均为10 mm×10 mm×10 mm的正方体，分别位于试样左上、左下、右上和右下中心处，见图6(c)。

不同干湿循环次数下巴东组砂岩和粉砂质泥岩感兴趣区域空隙体积三维分析模型，见图9。由于篇幅有限，图9中只展示了试样左上感兴趣区域空隙体积的计算结果。

由图9可以看出：对于巴东组砂岩而言，干湿循环作用对其内部微观结构的影响较小，随着干湿循环次数的增加，仅有一些新的微小空隙增加，部分相邻空隙合并为联通空隙，但并没有合并形成明显微裂纹的趋势；对于巴东组粉砂质泥岩而言，干湿循环作用对其内部微观结构的影响较大，随着干湿循环次数的增加，粉砂质泥岩内部空隙明显增多，并且逐渐合并为粗大的空隙甚至贯通形成微裂纹。具体而言，在第1次干湿循环之后，粉砂质泥岩内部空隙明显增多、合并，并且在试样下部逐渐联通为一条圆弧形微裂纹；第3次干湿循环之后，试样下部圆弧形微裂纹迅速发育，形成一条几乎斜向贯穿整个切块的大型微裂纹；经过第6次干湿循环后，试样大型微裂纹形态发生扭曲变形，逐步扩展贯通；第10次干湿循环之后，试样大型微裂纹形态变化较小，更多的是一些微小空隙之间的扩张、合并，如最右侧俯视平面图右上角红色区域所示，粉砂质泥岩整体劣化趋势相较于前6次干湿循环较小。根据左侧图例可以看出：对于巴东组砂岩而言，其最大空隙体积变化较小，随着干湿循环次数的增加，砂岩最大空隙体积变化范围在0.014 45～0.059 15 mm3之间;对于巴东组粉砂质泥岩来说，在天然状态下，其最大空隙体积仅为0.380 88 mm3，随着干湿循环次数的增加，粉砂质泥岩最大空隙体积的变化明显，6次干湿循环之后粉砂质泥岩最大空隙体积增加为11.702 70 mm3，10次干湿循环之后其增加为13.619 33 mm3，几乎是砂岩最大空隙体积变化的300倍，并且同样呈现干湿循环前6次变化较大，后4次干湿循环变化较小的现象。

不同干湿循环次数下巴东组砂岩和粉砂质泥岩整体空隙率的计算结果，见表3。

由表3可知：巴东组砂岩的整体空隙率较低，变化较小，砂岩的整体空隙率由0.92%增长为1.28%，增加了0.36%，前6次干湿循环之后砂岩的劣化幅度达到78%，表明在干湿循环过程中砂岩内部微观结构较稳定；而巴东组粉砂质泥岩的整体空隙率较高，变化明显，粉砂质泥岩的整体空隙率由1.43%增长为2.24%，增加了0.81%，是砂岩的2.25倍，并且同样在前6次干湿循环后粉砂质泥岩的整体空隙率变化较大，劣化幅度接近86%。

上文提到，随着干湿循环次数的增加，粉砂质泥岩内部空隙不断扩张、合并，并且逐渐发展为贯通裂纹。本文利用VGStudio MAX软件对不同干湿循环次数下粉砂质泥岩的CT扫描图像进行了裂纹提取处理，由于砂岩内部微观结构劣化较弱，较难对裂纹进行提取，因此本次仅对粉砂质泥岩在1次、3次、6次和10次干湿循环后进行分析。利用软件对岩石内部的空隙进行去除，仅保留具有明显贯通性的裂纹，这样便可大大提高计算能力，可对被扫描试样内部裂纹整体形态进行分析计算。不同干湿循环次数下巴东组粉砂质泥岩内部裂纹整体形态的三维分析模型，见图10。

图9 不同干湿循环次数下巴东组砂岩和粉砂质泥岩感兴趣区域空隙体积三维分析模型Fig.9 3D analysis model of void volume in the region of interest of sandstone and silty mudstone in Badong formation with different wetting and drying cycles

表3 不同干湿循环次数下巴东组砂岩和粉砂质泥岩整体空隙率的计算结果

由图10可以看出：随着干湿循环次数的增加，巴东组粉砂质泥岩内部红色主裂纹逐渐发育扩展，面积逐渐增大，并且伴随着一些其他微小裂纹的产生；在第3次干湿循环后，粉砂质泥岩内部红色主裂纹较第1次干湿循环后发育明显，并且产生了一些微小裂纹的雏形；第6次干湿循环后，粉砂质泥岩内部红色主裂纹空隙体积为141.565 73 mm3，并且部分微小裂纹已由雏形发育为具有明显贯通性的微小裂纹；第10次干湿循环后，粉砂质泥岩内部红色主裂纹空隙体积为150.039 37 mm3，变化幅度较小，表明在后4次干湿循环后粉砂质泥岩内部主要发生的是一些微小空隙之间的扩张、合并，如图中绿色、蓝色的微小裂纹，而对于粉砂质泥岩内部红色主裂纹发育的影响作用较前6次干湿循环而言相对较小。

图10 不同干湿循环次数下巴东组粉砂质泥岩内部裂纹整体形态的三维分析模型Fig.10 3D analysis model of crack in silty mudstone in Badong formation with different wetting and drying cycles

4 讨 论

上述试验结果表明，干湿循环过程对于巴东组粉砂质泥岩和砂岩内部微观结构有着明显的渐进性劣化影响。由于岩石在天然状态下会存在不同程度的内部损伤，即初始损伤，因此为了定量描述岩石在干湿循环过程中的劣化情况，避免初始损伤带来的影响，本文参照文献[22]定义了岩石微观物理参数损伤变量D，其可表示为

(3)

式中:D为岩石微观物理参数损伤变量;Xn为n次干湿循环之后岩石微观物理参数值;X0为天然状态下岩石微观物理参数值;Xf为最终干湿循环结束后岩石微观物理参数值。

D值变化范围一般介于0～1之间，当D=0时，认为岩石此时为无损状态，损伤过程由此开始；当D=1时，认为岩石干湿循环完成，损伤过程由此结束。D值越大，表明岩石损伤越严重，损伤速度越快。将岩石饱和吸水率的损伤变量记作D1，岩石空隙率的损伤变量记为D2，岩石平均灰度值的损伤变量记为D3，根据公式(3)可计算得到巴东组砂岩和粉砂质泥岩微观物理参数的损伤变量值，见表4。

表4 不同干湿循环次数下巴东组砂岩和粉砂质泥岩微观物理参数的损伤变量值

由表4可知，随着干湿循环次数的增加，巴东组砂岩和粉砂质泥岩微观物理参数的损伤变量在初期增幅较大，后期增幅较小，在第1次干湿循环之后，岩石各参数损伤变量的变化范围大致介于0.2～0.4之间，第3次干湿循环之后其大致介于0.6～0.8之间，第6次干湿循环之后其大致介于0.8～0.9之间，表明在第6次干湿循环结束后岩石劣化过程已经基本完成，后期干湿循环的劣化影响很小。

根据课题组前期对于巴东组粉砂质泥岩和砂岩的X射线衍射(XRD)试验结果，推测造成干湿循环作用下粉砂质泥岩和砂岩内部微观结构变化差异较大的原因主要是由于粉砂质泥岩中含有大量的黏土矿物，而砂岩则主要是由石英等稳定矿物组成，由于黏土矿物遇水容易软化崩解，因此在干湿循环作用下黏土矿物会发生周期性的反复膨胀和收缩，进而导致岩石内部矿物颗粒之间的胶结作用降低，产生新的微裂纹和较大的空隙，最终导致粉砂质泥岩内部微观结构逐渐发生不可逆性破坏，而砂岩由于其内部矿物遇水性质较稳定，因此其内部微观结构随干湿循环次数的增加变化较小。

5 结 论

本文以三峡库区典型易滑岩组巴东组第二段红色系列的粉砂质泥岩和砂岩岩组为研究对象，基于CT扫描技术开展了干湿循环作用下粉砂质泥岩和砂岩内部微观结构劣化的对比研究，得到了如下结论：

(1) 通过对不同干湿循环次数下巴东组粉砂质泥岩和砂岩CT扫描结果进行定性分析与定量计算后发现：随着干湿循环次数的增加，砂岩内部微观结构较稳定，没有发生明显的变化，表征其内部微观结构的物理参数变化程度较小；粉砂质泥岩则劣化较明显，其内部微观结构逐渐松散，空隙逐渐扩张甚至相互联结发育产生明显的贯穿裂纹，表征其内部微观结构的物理参数变化程度较大。

(2) 通过定义岩石微观物理参数损伤变量D可以直观看出，尽管干湿循环作用对砂岩劣化作用较小，对粉砂质泥岩劣化作用较大，但两者劣化趋势均呈现出干湿循环前期(前6次干湿循环)岩石劣化作用显著，干湿循环后期(后4次干湿循环)岩石劣化作用较小的规律，即岩石内部微观结构对于干湿循环劣化效应的敏感性随干湿循环次数的增加而降低。

本研究所获得的试验结果对于理解干湿循环作用下巴东组典型易滑岩组微观结构的劣化过程提供了有力的数据支撑，对于库岸消落带软硬互层岩质边坡的稳定性评价以及三峡库区内地质灾害的防治与安全运营有着重要的理论意义与应用价值。但值得注意的是，本研究是在实验室理想条件下进行的，并未考虑现场岩石所处的原位应力以及实际发育的地质条件，未来如何使得试验条件更加贴合野外实际所处的环境，还需要进一步的研究。