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，都与其内部微结构的形态和变化 有关。因而，揭示岩土体工程特性与其微结构形态 及变化之间的内在规律性，建立具有微结构变化特 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 岩土材料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，对岩土材料微结构研究已由单纯的定性 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结构变 化与工程性质的定量分析上，C. A. Moore 和 C. F. Donaldson[1]利用数字摄影技术，根据分形理论定量 分析了土的孔隙率和孔隙分布；吴义祥[2]应用计算 机图像分析技术从信息熵角度对工程黏性土结构排 列状态进行了定量研究；刘松玉等[3，4]推出了粒度 分维分析方法等，提出了大量的微结构量化参数。 这些微结构量化参数的提出，为建立具有微观背景 的岩土材料本构模型奠定了基础。
关键词：岩石力学；红砂岩；微结构；关联性分析；演化特性
中图分类号：TU 45
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2007)10–2141–07
EXPERIMENTAL STUDY ON MICROSTRUCTURE OF STRENGTH PROPERTY OF RED SANDSTONE
HU Xin1，2，HONG Baoning1，2，WANG Wei3，MENG Yunmei3 (1. Key Laboratory for Geotechnical Engineering of Ministry of Water Resources，Hohai University，Nanjing，Jiangsu 210098，
Abstract：In order to discuss the microstructural mechanism of strength property of red sandstones，the microstructural changes of red sandstone under load are tracked by using optical testing systems；the unconfined
2.31
1.78
2.75
2.68
0.38
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
compressive strength of corresponding rock specimen is measured and the comparable quantitative parameters are extracted. By using multilinear regression method，the correlations between unconfined compressive strength and
第 26 卷 第 10 期 2007 年 10 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.26 No.10 Oct.，2007
红砂岩强度特性的微结构试验研究
胡 昕 1，2，洪宝宁 1，2，王 伟 3，孟云梅 3
(1. 河海大学 岩土工程水利部重点实验室，江苏 南京 210098；2. 河海大学 岩土工程研究所，江苏 南京 210098； 3. 南京工程学院 建筑工程学院，江苏 南京 211167)
摘要：为探讨红砂岩强度特性的微观机制，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结构
的演化进行全程观测，并测定对应岩样的无侧限抗压强度和提取相应的微结构量化参数。运用多元线性回归分析
法对微结构量化参数和无侧限抗压强度进行关联性分析，筛选出对红砂岩无侧限抗压强度有显著影响的微结构要
素，并对荷载作用下显著性微结构要素的演化特性进行分析。研究结果表明：在单轴压缩条件下，红砂岩先结构
强化，后结构劣化，直至最终破坏；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矿物颗
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；伴随荷
载的增加，红砂岩的矿物颗粒面积比例及欧拉数总体上趋于减小，孔隙向着集中化和集团化的趋势发展，红砂岩
抗变形能力逐步丧失。
3 风化程度对红砂岩微结构的影响
岩石的结构是指岩石矿物(及岩屑)颗粒相互之 间的关系，包括矿物颗粒及岩石中孔隙(即孔隙、裂 隙及微结构面等内部缺陷)的形态、分布和结构联结 特点[11]。风化作用普遍增加了岩石的微孔隙体积和 孔隙表面积，特别是增大了大孔径孔隙在总孔隙中 所占的比例[12]。从微结构角度看，随着风化程度的
microstructural parameters are analyzed. Then the microstructural elements closely linked with unconfined
compressive strength of red sandstone are filtered and the evolutionary characteristics of prominent microstructural elements are analyzed. The findings indicate that under uniaxial compression，the red sandstones at first experience structural intensification and then structural degradation until they are failed；the unconfined compressive strength of red sandstone is mainly related with compaction rate，pore distribution and connecting condition of mineral grains；and the above factors have a more notable impact on the unconfined compressive strength of red sandstone with the increase of weathering；with the increase of load，the grains area ratio and Euler number decrease，the pore develops towards centralization or collectivization，and the red sandstones gradually lose their resistance to
由于岩土材料的物理力学性质是微结构状态的 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[5]。因此，为准确地反映土体某种物理力学性质 同微细结构状态之间的关系，必须确定主要影响因 素，从定义的微结构量化参数中筛选出对岩土材料 物理力学性质具有显著影响的参数。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，这种变化通过其结构状态的调整来实现[6～8]。 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结构相应的变化情况。 综上所述，本文从筛选对岩土材料物理力学性质具 有显著影响的微结构量化参数着手，研究岩土材料
收稿日期：2007–06–01；修回日期：2007–06–21 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50279008) 作者简介：胡 昕(1979–)，男，2003 年毕业于南京林业大学土木工程学院道路与桥梁工程专业，现为博士研究生，主要从事岩土材料微结构 力学及其测试方法和软土地基处理方面的研究工作。E-mail：moyuan@
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岩石力学与工程学报
2007 年
deformation. Key words：rock mechanics；red sandstone；microstructure；relevance analysis；evolutionary characteristics
1引言
工程特性与其微结构变化之间的内在规律性，对建 立具有微结构变化背景的本构关系具有重要意义。
第 26 卷 第 10 期
胡 昕， 等. 红砂岩强度特性的微结构试验研究
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表 1 岩样初始状态的微结构量化参数均值与单轴抗压强度统计表 Table 1 Statistical table of quantative microstructural parameters under initial state and uniaxial compressive strength
China；2. Institute of Geotechnical Engineering，Hohai University，Nanjing，Jiangsu 210098，China；3. College of Architectural Engineering，Nanjing Institute of Technology，Nanjing，Jiangsu 211167，China)