崔 翔,姚勁松

(長江勘測規(guī)劃設(shè)計研究有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430014)

0 引 言

珊瑚砂是由珊瑚碎塊、貝殼碎片、藻類和其他海洋生物碎屑等搬運沉積形成的一種特殊土[1-2],其復(fù)雜的物質(zhì)來源及沉積過程,導(dǎo)致其顆粒形狀不規(guī)則,組成成分復(fù)雜。因這種砂顆粒的碳酸鈣含量超過90%,故又名鈣質(zhì)土或鈣質(zhì)砂[3]。根據(jù)形狀,珊瑚砂顆粒可分為塊狀顆粒、片狀顆粒和棒狀顆粒。其中,塊狀顆粒主要由珊瑚礁塊破碎而成,片狀顆粒主要來自于貝殼碎片,棒狀顆粒主要為珊瑚斷肢。3種形狀的顆粒混合,形成了珊瑚砂。由于珊瑚砂的顆粒種類多樣,形成了復(fù)雜的多孔介質(zhì)孔隙性質(zhì),進(jìn)而形成了特殊的水文物理性質(zhì)。因此,顆粒形狀是影響珊瑚砂水理性質(zhì)的根本原因,而孔隙是影響珊瑚砂水理性質(zhì)的直接原因。

部分學(xué)者曾對珊瑚砂的3種顆粒開展了相關(guān)研究。2017年,蔣明鏡等[4]利用掃描電鏡圖像研究珊瑚砂孔隙特性時,得出結(jié)論:棒狀顆粒二維切片面孔隙度最大,片狀顆粒二維切片面孔隙度最小。2018年,曾志軍等[5]利用Image-Pro Plus處理相機拍攝圖片進(jìn)行珊瑚砂顆粒形狀研究時,給出了珊瑚砂顆粒輪廓圖譜,提出了一套顆粒形狀評價方法,并統(tǒng)計得出片棒狀顆粒約占29%。金宗川等[6]在珊瑚砂休止角的相關(guān)研究中指出,片狀顆粒休止角最大,棒狀次之,塊狀最小。2019年,王步雪巖等[7]在研究多投影面下珊瑚砂顆粒形貌特征時,將珊瑚砂分為枝狀、塊狀、片狀和棒狀。蔣明鏡等[8]在做循環(huán)荷載下珊瑚砂單顆粒破碎試驗研究時發(fā)現(xiàn),當(dāng)粒徑相同時,不同形狀的顆粒動強度存在塊狀顆粒>棒狀顆粒>片狀顆粒的規(guī)律。袁泉等[9]在珊瑚砂顆粒特征對壓縮性影響的相關(guān)研究中,將珊瑚砂分為塊狀、枝狀和生物碎屑狀,并認(rèn)為隨粒徑增大,枝狀和碎屑顆粒的比例增加,導(dǎo)致珊瑚砂整體顆粒形狀不規(guī)則,增加了顆粒間嵌固力,致使壓縮性變差。

上述學(xué)者在進(jìn)行珊瑚砂力學(xué)研究時,均結(jié)合珊瑚砂顆粒種類開展了不同程度的分析?？梢?珊瑚砂的顆粒種類在珊瑚砂介質(zhì)宏觀物理性質(zhì)的研究中是較為重要的方向之一。根據(jù)上述調(diào)研發(fā)現(xiàn),目前,涉及珊瑚砂顆粒種類的研究,大多集中在其形狀對珊瑚砂力學(xué)性質(zhì)的影響方面;或受技術(shù)限制,研究對象局限于二維層面,或僅在研究中進(jìn)行粗淺的定性分析。然而,珊瑚砂顆粒種類及其形狀,對珊瑚砂整體的最直接影響即綜合孔隙特征,且在顆粒內(nèi)孔隙、顆粒表面微孔隙和連通性孔隙這3種孔隙中[10-11],連通性孔隙對珊瑚砂水文物理性質(zhì)影響最大[12-13]。

因此,本文基于顆粒形貌掃描、CT掃描技術(shù)和三維重構(gòu)手段,以珊瑚砂塊狀、片狀和棒狀顆粒為研究對象,定量描述了3種珊瑚砂顆粒的形貌特征,定義具體數(shù)值,分析了顆粒種類對珊瑚砂介質(zhì)三維孔隙特征的影響規(guī)律。通過本文的研究,揭示孔隙性質(zhì)與顆粒形貌的關(guān)系,可為未來研究中建立珊瑚砂與常見介質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)及透水性關(guān)系提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗原理及方案

1.1 試驗原理

本文從顆粒形貌出發(fā),對比分析珊瑚砂塊狀、片狀和棒狀顆粒的微觀形貌特征。然后,利用上述成果,結(jié)合從珊瑚砂介質(zhì)三維孔隙微觀模型提取的孔隙特征數(shù)據(jù),揭示珊瑚砂顆粒種類對珊瑚砂介質(zhì)三維孔隙特征的影響規(guī)律。

1.1.1 形貌掃描

在形貌研究方面,采用美國Microtrac公司生產(chǎn)的PartAn 3D型顆粒形貌掃描儀。具體設(shè)備及試驗原理詳見王步雪巖等[7]的相關(guān)研究。該形貌掃描儀可以根據(jù)投影影像得到目標(biāo)顆粒的30多項形貌參數(shù),通過數(shù)據(jù)的大量提取、對比和分析,發(fā)現(xiàn)部分參數(shù)之間存在表征重復(fù)或特征不明顯的現(xiàn)象。因此,根據(jù)本文研究目標(biāo),選取了其中5種參數(shù)進(jìn)行研究分析,最大程度提高研究效率,得到精準(zhǔn)規(guī)律。5種參數(shù)如表1所示。其中,凸度值范圍為0～1,取1時顆粒表面光滑;偏差度范圍≥1,取1時顆粒為標(biāo)準(zhǔn)球體。

1.1.2 三維孔隙提取

三維孔隙提取采用CT掃描和三維重組技術(shù)。CT掃描試驗選用天津三英精密儀器股份有限公司的nanoVoxel-4000工業(yè)CT,其工作原理是通過由微焦點射線源發(fā)射的錐形X射線穿透物體,然后投影到X射線接收器獲取圖像。在X射線照射的同時,將測試樣以恒定角速度旋轉(zhuǎn),最終得到X-Y-Z3個方向連續(xù)采集的上千幀X射線圖像。接著,通過VOXEL STUDIO RECON圖像處理軟件對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行三維數(shù)字重組得到三維數(shù)據(jù)模型。最后,將重構(gòu)數(shù)據(jù)模型通過FEI AVIZOV、OLUME GRAPHICS STUDIO MAX和SYPI-SORE等軟件進(jìn)行測量、圖像展示和數(shù)字巖心分析,基于最大球算法進(jìn)行孔隙數(shù)據(jù)提取[14]。本文將從孔隙形狀、孔喉尺寸和介質(zhì)整體連通性3個方面分析3種顆粒對珊瑚砂綜合孔隙特性的影響。

其中,孔隙形狀用形狀因子F來表征:

F=S/L′2

式中:S為多邊形面積,mm2;L′為多邊形周長,mm。

通過計算,圓的形狀因子為0.079 6,正方形的形狀因子為0.062 5,三角形的形狀因子為0～0.048 1。因此,形狀因子的值越大,其形狀越規(guī)則。

孔喉尺寸包括孔隙半徑和喉道半徑,其中喉道為溝通兩個孔隙的狹長通道。介質(zhì)整體連通性用配位數(shù)表征,配位數(shù)是與單個孔隙連接的喉道數(shù)量,配位數(shù)越大,連通性越好。

1.2 試驗方案

本研究選用中國南海人工島礁的珊瑚砂。參照GB/T 50123-2019《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》,原混合砂經(jīng)顆粒振篩實驗,得到6組單一粒徑珊瑚砂:≤0.1 mm、0.1～0.25 mm、0.25～0.5 mm、0.5～1 mm、1～2 mm、2～5 mm。由于本文研究對象為珊瑚砂塊狀、片狀和棒狀顆粒,因此選取2～5 mm粒級進(jìn)行研究。人工挑選2～5 mm珊瑚砂的3種顆粒進(jìn)行實驗。試驗方案如表2所示。

表2 微觀試驗選砂方案

掃描試樣所用模具為亞克力材質(zhì),厚3 mm,固定螺絲和螺母為尼龍材質(zhì)。整套模具不包含任何可能對CT掃描結(jié)果產(chǎn)生干擾的材料。表3為CT掃描試驗具體參數(shù)。圖1為CT掃描試樣。

圖1 CT掃描樣品

表3 CT掃描試驗參數(shù)

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 顆粒形狀性質(zhì)

為滿足科學(xué)統(tǒng)計分析法對數(shù)據(jù)量的要求,人工挑選塊狀、片狀和棒狀顆粒各4 000顆,進(jìn)行顆粒形貌掃描,獲得3種顆粒的多種微觀形貌參數(shù)。相同種類的顆粒在微觀形貌上的數(shù)據(jù)特征大致相同,因此取3種顆粒各個微觀參數(shù)的算數(shù)平均值作為該種顆粒、該微觀特性的綜合參數(shù)。圖2和圖3分別為片狀、棒狀和塊狀顆粒的凸度和偏差度的頻率分布。

圖2 凸度頻率分布

注:因偏差度參數(shù)范圍較大,為突出集中范圍的特征,圖中僅截取偏差度為0～20的部分。圖3 偏差度頻率分布

由圖2可知,片狀顆粒凸度值最大,表面最光滑,這是因為珊瑚砂內(nèi)片狀顆粒多為貝殼碎片。棒狀顆粒凸度最小,表面最粗糙。這是因為棒狀顆粒多為珊瑚斷肢,表面孔隙分布密集,且珊瑚骨骼暴露在外,因此最為粗糙。

由圖3可知,3種顆粒的偏差度為片狀>棒狀>塊狀,即片狀顆粒最不規(guī)則,棒狀顆粒次之,塊狀顆粒相對較規(guī)則。3種顆粒的不規(guī)則程度互相之間相差較大。為研究3種顆粒的特有形貌特征,提取顆粒長寬比、寬厚比和長厚比頻率分布如圖4～5所示。

圖4 長寬比頻率分布

由圖4可知,棒狀顆粒的長寬比最大,塊狀和片狀的長寬比相差不大,所以長寬比是棒狀顆粒的特征形貌參數(shù)。棒狀顆粒的形狀特征為長度較寬度和厚度大,寬度和厚度相差不大。

由圖5可知,片狀顆粒的長厚比和寬厚比均大于棒狀和塊狀。所以,長厚比和寬厚比是片狀顆粒的特征形貌參數(shù)。片狀顆粒的形狀特征為厚度較長度和寬度小,長度和寬度相差不大。綜合圖4和圖5可知,塊狀顆粒的形狀特征為長度、寬度和厚度均相差不大。

取圖3～5中各個參數(shù)累計頻率范圍5%～95%對應(yīng)的參數(shù)數(shù)值范圍對塊狀、片狀和棒狀顆粒進(jìn)行定量定義,如表4所示。利用表4中3種顆粒的4種參數(shù)范圍對3種顆粒進(jìn)行反向形貌篩選測試,得到塊狀顆粒識別率為78.46%,片狀顆粒識別率為79.14%,棒狀顆粒識別率為74.60%。

圖5 長厚比與寬厚比頻率分布

表4 塊狀、片狀和棒狀顆粒形貌參數(shù)范圍

2.2 單形狀顆?？紫缎再|(zhì)

塊狀砂、片狀砂、棒狀砂經(jīng)CT掃描后三維重組所得數(shù)據(jù)模型如圖6所示,并提取得到對應(yīng)試樣的三維孔隙如圖7所示。下面將從孔隙形狀、孔喉尺寸和介質(zhì)整體連通性3個方面研究3種顆粒形成孔隙的性質(zhì)。

圖6 試樣三維重構(gòu)模型

圖7 試樣孔隙三維模型

2.2.1 孔隙形狀

由孔隙形狀因子頻率分布曲線(圖8)可知,孔隙形狀因子:塊狀>棒狀>片狀,即塊狀顆粒形成的孔隙形狀最規(guī)則,片狀顆粒形成的孔隙形狀最不規(guī)則。通常,形狀規(guī)則的顆粒形成的孔隙形狀不規(guī)則[10]。然而這一規(guī)律明顯不適用于珊瑚砂的棒狀、片狀和塊狀顆粒。原因是這3種顆粒形狀差異過于巨大,若兩種顆粒同屬于塊狀,則上述顆粒形狀和孔隙形狀的規(guī)律成立。因此,結(jié)合圖3～5各個參數(shù)的大小排序關(guān)系可知,偏差度是3種顆?？紫缎螤畹闹鲗?dǎo)因素,偏差度越大,孔隙形狀越不規(guī)則。計算3種顆粒介質(zhì)內(nèi)孔隙形狀因子的標(biāo)準(zhǔn)差為:0.007 38(塊狀),0.008 54(片狀),0.007 80(棒狀)。離散性為片狀>棒狀>塊狀。結(jié)合圖3～5可知,偏差度是孔隙形狀因子離散性主導(dǎo)因素,偏差度越大,離散性越大。

注:塊狀顆粒形狀因子平均值0.031 2,片狀顆粒形狀因子平均值0.024 8,棒狀顆粒形狀因子平均值0.029 6。圖8 孔隙形狀因子頻率分布曲線

2.2.2 孔喉尺寸

(1) 孔隙半徑。由孔隙半徑頻率分布曲線(圖9)可知,孔隙半徑:片狀>棒狀>塊狀。結(jié)合圖3～5各個參數(shù)的大小排序關(guān)系可知,偏差度是3種顆?？紫栋霃降闹鲗?dǎo)因素,偏差度越大,孔隙半徑越大。計算3種顆粒介質(zhì)內(nèi)孔隙半徑的標(biāo)準(zhǔn)差為:122.29(塊狀),157.55(片狀),175.94(棒狀)。離散性為棒狀>片狀>塊狀。結(jié)合圖3～5可知,長寬比是孔隙半徑離散性主導(dǎo)因素,長寬比越大,離散性越大。

(2) 喉道半徑。由喉道半徑頻率分布曲線(圖10)可知,喉道半徑:塊狀>片狀>棒狀。結(jié)合圖3～5各個參數(shù)的大小排序關(guān)系可知,長寬比是3種顆粒喉道半徑的主導(dǎo)因素,長寬比越大,喉道半徑越小。計算3種顆粒介質(zhì)內(nèi)喉道半徑的標(biāo)準(zhǔn)差為:91.69(塊狀),69.57(片狀),48.86(棒狀)。離散性為塊狀>片狀>棒狀。結(jié)合圖3～5可知,長寬比是喉道半徑離散性主導(dǎo)因素,長寬比越小,離散性越大。

2.2.3 整體連通性

由配位數(shù)頻率分布曲線(圖11)可知,配位數(shù):片狀>棒狀>塊狀。結(jié)合圖3～5各個參數(shù)的大小排序關(guān)系可知,偏差度是3種顆粒配位數(shù)的主導(dǎo)因素,偏差度越大,配位數(shù)越大。計算3種顆粒介質(zhì)內(nèi)配位數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差為:18.95(塊狀),18.54(片狀),15.68(棒狀)。離散性為塊狀>片狀>棒狀。結(jié)合圖3～5可知,長寬比是配位數(shù)離散性主導(dǎo)因素,長寬比越小,配位數(shù)離散性越大。

2.3 綜合孔隙特征分析

由混合砂顆粒與孔隙的三維重組模型得到混合砂孔隙形狀、孔喉尺寸和介質(zhì)連通性如表5所示。結(jié)合圖8～11的3種顆?？紫秴?shù)數(shù)值,得到塊狀、片狀和棒狀顆粒對珊瑚砂綜合孔隙特征影響規(guī)律如表6所示。在混合砂、片狀砂、塊狀砂和棒狀砂各項孔隙性質(zhì)(或離散性性質(zhì))大小排序中,當(dāng)混合砂某一側(cè)只有某一種顆粒組成的砂時,認(rèn)為該顆粒為影響對應(yīng)孔隙性質(zhì)(或離散性性質(zhì))的關(guān)鍵顆粒種類;當(dāng)3種顆粒種類均位于混合砂同一側(cè)時,認(rèn)為對應(yīng)孔隙性質(zhì)(或離散性性質(zhì))由3種顆粒共同決定。

表5 混合砂孔隙微觀試驗參數(shù)

表6 3種顆粒對綜合孔隙特征的影響規(guī)律

3 結(jié) 論

根據(jù)本文研究成果,得出以下3個結(jié)論。

(1) 珊瑚砂顆粒分為塊狀、片狀和棒狀3種。研究發(fā)現(xiàn)通過長寬比、長厚比、寬厚比和偏差度描述3種顆粒形貌特征最為合理。本文利用以上參數(shù)得到了珊瑚砂3種顆粒數(shù)字識別方法,且驗證了該方法具備較高的識別率。

(2) 在3種顆粒的多個微觀形貌參數(shù)中,顆粒偏差度和長寬比是決定珊瑚砂介質(zhì)三維孔隙性質(zhì)的主導(dǎo)因素。其中,偏差度主要影響介質(zhì)孔隙的性質(zhì)和介質(zhì)整體連通性,長寬比主要影響介質(zhì)喉道的性質(zhì);在介質(zhì)離散性方面,偏差度主要影響孔隙形狀離散性,長寬比影響孔喉尺寸和介質(zhì)連通性質(zhì)的離散性。

(3) 珊瑚砂塊狀、片狀和棒狀顆粒對于珊瑚砂介質(zhì)的三維孔隙性質(zhì)有著不同的影響規(guī)律:其中片狀顆粒主要影響介質(zhì)孔隙的性質(zhì)和介質(zhì)整體連通性,棒狀顆粒主要影響喉道性質(zhì);3種顆粒共同決定了連通孔隙的分布情況。

本文從顆粒種類的角度出發(fā),對3種顆粒的微觀性質(zhì)及其對珊瑚砂介質(zhì)三維孔隙性質(zhì)的影響規(guī)律進(jìn)行了細(xì)致的研究,建立了顆粒種類與三維孔隙的關(guān)系,填補了珊瑚砂介質(zhì)微觀研究中,關(guān)于顆粒種類方面的部分研究空白,具有重要的理論研究意義。未來學(xué)者在珊瑚砂介質(zhì)本構(gòu)模型研究中,可以根據(jù)本文研究成果適當(dāng)加入顆粒種類的參數(shù)影響。在工程中,對于珊瑚砂地工程地質(zhì)參數(shù)方面,可以結(jié)合成島歷史,分析珊瑚島地層具體組分特征,根據(jù)顆粒組成特性及本文研究成果,對工程地質(zhì)參數(shù)與水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行修正。本文僅架起了顆粒種類與三維孔隙的橋梁,從三維孔隙到宏觀工程地質(zhì)及水文地質(zhì)參數(shù)的研究將在未來進(jìn)一步展開。