CT技術(shù)在巖土試驗(yàn)中的應(yīng)用研究

程展林，左永振，丁紅順

CT技術(shù)在巖土試驗(yàn)中的應(yīng)用研究

程展林，左永振，丁紅順

（長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010）

簡要介紹了長江科學(xué)院巖土試驗(yàn)CT工作站以及與之配套的CT三軸儀、滲透儀研制情況。闡述了近年來利用CT技術(shù)在粗粒土組構(gòu)、礫石土浸潤試驗(yàn)、膨脹土干濕循環(huán)試驗(yàn)、水力劈裂試驗(yàn)、加筋土試驗(yàn)研究等方面研究的初步成果，展示了不同巖土試驗(yàn)CT圖像的效果，顯示了CT技術(shù)在巖土試驗(yàn)中的作用，以期引起巖土工作者的關(guān)注，推動巖土試驗(yàn)的發(fā)展。

CT技術(shù)；巖土試驗(yàn)；組構(gòu)；浸潤；干濕循環(huán)；水力劈裂；土工織物

1 概 述

巖土試驗(yàn)是認(rèn)識巖土材料特性和揭示巖土工程問題的重要手段，傳統(tǒng)的巖土試驗(yàn)是建立在材料均質(zhì)假設(shè)基礎(chǔ)上的宏觀應(yīng)力和應(yīng)變的測試。近年來，在巖土試驗(yàn)中，觀測巖土材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的試驗(yàn)方法研究已成為了巖土力學(xué)領(lǐng)域的熱門課題之一，最突出的是在巖土試驗(yàn)中引入計算機(jī)斷面成相技術(shù)（CT技術(shù)）。只要具備與CT機(jī)配套的巖土試驗(yàn)設(shè)備，就可以無損、動態(tài)、定量和實(shí)時地量測巖土材料在受力過程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化過程。

1972年英國EMI公司首先制成由工程師G．N．Hounsfiel設(shè)計的第一臺CT掃描機(jī)［1］。我國最早建立巖土試驗(yàn)CT工作站的是中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所，于1990年購買美國GE8800型CT機(jī)，1998年又購買德國西門子SOMATOM PLUS型CT機(jī)，1999年開發(fā)出巖土試驗(yàn)CT專用加載設(shè)備。文獻(xiàn)［2］反映了圍繞該CT工作站的早期研究成果，是一本很好的巖土試驗(yàn)CT技術(shù)教科書。陳正漢教授為研究特殊土于2001年開發(fā)了與CT機(jī)配套的非飽和土三軸儀［3］，結(jié)合陜西省南鄭縣醫(yī)院GE公司prospeed AI型CT機(jī)（后勤工程學(xué)院漢中CT－三軸科研工作站），并取得系列研究成果［4，5］。但由于所用CT機(jī)檔次較低，CT圖像清晰度偏低，也不能進(jìn)行圖像的三維重建，限制了巖土試驗(yàn)中CT技術(shù)的應(yīng)用。

長江科學(xué)院于2008年建立了巖土試驗(yàn)CT工作站，采用德國西門子Somatom Sensation 40型CT機(jī)，該機(jī)主要特點(diǎn)是具備比較高的空間和時間分辨率，以及高質(zhì)量的多維重建圖像，可以實(shí)現(xiàn)用三維的圖像來觀察三維的試件。工作站還開發(fā)了一系列與之配套的試驗(yàn)設(shè)備，如：CT三軸儀、滲透儀、荷載試驗(yàn)儀等，并開展了多種巖土試驗(yàn)工作。本文就筆者利用CT技術(shù)進(jìn)行的巖土試驗(yàn)研究進(jìn)行綜述。

2 配套設(shè)備的研制

CT技術(shù)是利用x射線穿透物體斷面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描，收集x射線經(jīng)此層面不同物質(zhì)衰減后的信息，進(jìn)行放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，由計算機(jī)在CT的探測空間范圍內(nèi)，與空間某點(diǎn)相關(guān)的各個方向射線進(jìn)行空間解算，得出與該點(diǎn)x射線吸收系數(shù)μ直接關(guān)聯(lián)的CT數(shù)，從而形成一幅物體層面的μ數(shù)字圖像。物質(zhì)的密度越大，CT數(shù)越大。

圖1是長江科學(xué)院巖土試驗(yàn)CT工作站。該CT工作站由德國西門子Somatom Sensation 40型CT機(jī)及與之配套的試驗(yàn)設(shè)備組成。配套的設(shè)備可根據(jù)研究問題的需要進(jìn)行研制，但需遵循以下原則：

（1）設(shè)備宜采用分離結(jié)構(gòu)，置于CT機(jī)檢查床上的試驗(yàn)裝置盡可能的簡單，設(shè)備的加載系統(tǒng)和測試系統(tǒng)盡可能置于CT機(jī)外；

圖1 長江科學(xué)院巖土試驗(yàn)CT工作站Fig．1 Geotechnical testing CT workstation of Yangtze River Scientific Research Institute

（2）試驗(yàn)裝置的尺寸和形狀要與CT機(jī)相配，置于CT機(jī)檢查床上的試驗(yàn)裝置可在掃描架孔徑內(nèi)自由移動；

（3）被測物體（試樣）置于無金屬可掃描范圍，避免高密度金屬產(chǎn)生偽影；

（4）因x射線穿透能力較差，試驗(yàn)中x射線將要穿透的被測物體周圍的物質(zhì)盡可能地量小且密度低。

下面介紹2種典型的配套試驗(yàn)設(shè)備。

圖2 CT三軸儀Fig．2 CT triaxial apparatus

圖2 是本文作者相繼研制的CT三軸儀，工作原理同常規(guī)三軸儀，軸向應(yīng)力由液壓千斤頂提供，加載控制系統(tǒng)和測試系統(tǒng)置于CT機(jī)外。控制千斤頂進(jìn)油速率一定，既可進(jìn)行應(yīng)變控制式三軸試驗(yàn)，也可進(jìn)行應(yīng)力控制式三軸試驗(yàn)，即分級進(jìn)行加載，每級加載控制千斤頂油壓一定至試驗(yàn)變形穩(wěn)定。試樣尺寸直徑為100 mm，高200 mm，壓力室拉桿為特種鋁合金。2種三軸儀差別在于：①第一代三軸儀（圖2（a））千斤頂和壓力室均為非金屬，可直接進(jìn)行試樣的軸向或橫向掃描，小主應(yīng)力最大值為1．0 MPa；②第二代三軸儀（圖2（b））千斤頂為金屬構(gòu)件，在千斤頂與壓力室之間增加了荷重傳感器和位移傳感器，可準(zhǔn)確測量大主應(yīng)力和豎向應(yīng)變，但只能進(jìn)行橫向掃描，小主應(yīng)力最大值為2．0 MPa。

圖3為CT滲透儀，滲透試驗(yàn)用水、水壓控制和滲水量由CT機(jī)外設(shè)備控制和測量。

圖3 CT滲透儀Fig．3 CT infiltrate apparatus

3 CT技術(shù)在巖土試驗(yàn)中的應(yīng)用

3．1 粗粒土組構(gòu)研究

沈珠江院士［6］認(rèn)為，土體結(jié)構(gòu)性的本構(gòu)模型建立將成為21世紀(jì)土力學(xué)的核心工作。目前，國內(nèi)外在描述土的微觀結(jié)構(gòu)變化與宏觀應(yīng)力應(yīng)變之間關(guān)系仍然是比較粗糙的，并沒有深入探究微觀結(jié)構(gòu)的具體變化過程。其根本的原因在于試驗(yàn)過程中對土的微觀結(jié)構(gòu)變化難以動態(tài)定量觀測。

本文作者經(jīng)過一段時間的探索認(rèn)為，土體微觀結(jié)構(gòu)力學(xué)研究可以從粗粒土研究入手［7］，因?yàn)榇至Ｍ恋念w粒尺度相對較大，結(jié)構(gòu)特征相對簡單，主要體現(xiàn)在顆粒本身及顆粒間幾何排列方面，即粗粒土的組構(gòu)，可以利用CT技術(shù)觀測粗粒土受力變形過程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化。只有建立了高效、便捷、精確的組構(gòu)測試方法，獲得了粗粒土的組構(gòu)信息及變化，其它工作如力學(xué)效應(yīng)分析和組構(gòu)力學(xué)模型建立才成為可能。

為此，系統(tǒng)地進(jìn)行了粗粒土CT三軸試驗(yàn)，圖4為典型粗粒土三軸試驗(yàn)CT圖像。可以看出粗粒土的CT圖像非常清晰可靠，可根據(jù)不同應(yīng)力狀態(tài)下CT圖像分析粗粒土的組構(gòu)信息及變化。

圖4 典型粗粒土三軸試驗(yàn)CT圖像Fig．4 Typical CT triaxial test images for coarse-grained soil

圖5 為某一粗粒土三軸試驗(yàn)（σ3＝0．2 MPa）軸向應(yīng)變εa從0～14．4%時一剖面上顆粒的位移矢量，圖6為不同應(yīng)力和應(yīng)變條件下不同高度位置上顆粒的轉(zhuǎn)角變化。

圖5 顆粒位移矢量圖［8］Fig．5 Displacement vector picture of particle

圖6 顆粒轉(zhuǎn)動Δφ－y關(guān)系Fig．6 Relationship between particle rotationΔφ－y

初步試驗(yàn)分析可得出以下結(jié)論：①粗粒土三軸試樣的變形源于顆粒的位置調(diào)整（相鄰顆粒的位置變化），顆粒自身的形變很??；②這種位置調(diào)整自試樣變形的初期就隨之產(chǎn)生；③在某一宏觀應(yīng)變下，試樣中顆粒的平動和轉(zhuǎn)動有很強(qiáng)的規(guī)律性，試樣中各部位的顆粒位置調(diào)整的幅度差異較大；④相鄰顆粒間的錯動明顯，并伴有一定的轉(zhuǎn)動；⑤顆粒的轉(zhuǎn)動方向與顆粒長軸的隨機(jī)分布有關(guān)，轉(zhuǎn)動量與相鄰顆粒的錯動大小有關(guān)。

3．2 礫石土浸潤試驗(yàn)

為了研究心墻壩蓄水后心墻浸潤峰的發(fā)展過程，反演非飽和心墻料導(dǎo)水系數(shù)與含水率間的關(guān)系，開展了礫石土浸潤C(jī)T試驗(yàn)。

試驗(yàn)儀器采用水平滲透儀，見圖3。浸潤試驗(yàn)時從側(cè)部加水，并保持常水頭，采用CT技術(shù)觀測土體的浸潤過程。試樣為150 mm×150 mm×150 mm的方塊體。

圖7是利用CT技術(shù)得到的浸潤試驗(yàn)不同時刻的CT圖像，左右2幅圖像為同一掃描成果的2種顯示方式，圖像反映了試樣某一縱斷面水從左側(cè)向右側(cè)的浸潤過程。圖7（a）是浸潤開始后70 min時的浸潤峰位置，圖7（b）浸潤開始后423 min時的浸潤峰位置。

圖7 浸潤試驗(yàn)CT圖像Fig．7 CT images of infiltration test

通過試驗(yàn)可以看出以下規(guī)律：①利用CT技術(shù)監(jiān)測非飽和心墻料浸潤峰的發(fā)展是行之有效的方法；②浸潤試驗(yàn)形成的飽和部分與非飽和部分之間的界面非常明顯，不存在漸變過渡帶；③分層擊實(shí)形成的試樣具有明顯的成層性，可以推斷實(shí)際工程碾壓形成的心墻具有滲透不均勻性；④可通過系統(tǒng)浸潤C(jī)T試驗(yàn)，研究心墻料導(dǎo)水系數(shù)與水壓、不同土料、不同密度、不同起始含水率等因素間的關(guān)系。

3．3 膨脹土干濕循環(huán)裂隙發(fā)展過程研究

大量試驗(yàn)表明，膨脹土的天然強(qiáng)度與其裂隙性密切相關(guān)，包括裂隙自身特征（充填物、光滑度等）、裂隙分布密度、裂隙方向等，為了研究裂隙與強(qiáng)度的關(guān)系，常采用干濕循環(huán)的方法形成裂隙，測試不同裂隙條件下土的強(qiáng)度。在該研究過程中，觀察和測定干濕循環(huán)中土的裂隙形態(tài)和發(fā)展過程是十分必要的。

下文給出了采用南陽中膨脹土原狀樣進(jìn)行的干濕循環(huán)條件下三軸固結(jié)排水剪切試驗(yàn)成果。三軸試樣尺寸為直徑61．8 mm，高125 mm。將飽和樣烘干至縮限含水量，然后抽氣飽和即所謂一次干濕循環(huán)，為避免高溫對試樣造成破壞作用，烘干溫度控制為70℃。對每次烘干的試樣進(jìn)行CT掃描，測定試樣內(nèi)部的裂隙分布。

圖8為某一試樣5次干濕循環(huán)過程中同一斷面的CT圖像。從圖8可以看出，CT圖像能夠清晰地反映土中裂隙，隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，試樣中的裂隙不斷發(fā)展，干濕循環(huán)產(chǎn)生很多微裂隙，試樣愈來愈“破碎”，尤其是首次干濕循環(huán)變化明顯。

圖8 試樣5次干濕循環(huán)過程中裂隙發(fā)展規(guī)律圖Fig．8 The law of crack development of the sample during five wetting-drying cycles

圖9 為強(qiáng)度指標(biāo)隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化曲線。由圖9可以看出，南陽原狀膨脹土的強(qiáng)度指標(biāo)隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加而不斷減小。粘聚力c值首次干濕循環(huán)顯著衰減，2～5次循環(huán)中膨脹土粘聚力隨干濕循環(huán)次數(shù)增加衰減趨勢減弱，趨于穩(wěn)定；內(nèi)摩擦角φ經(jīng)首次干濕循環(huán)后稍有衰減，此后的變化略有起伏，但總的數(shù)值變動不大。強(qiáng)度的試驗(yàn)成果與土中裂隙的狀態(tài)是十分吻合的。由此試驗(yàn)，不難導(dǎo)出一個推論，大氣影響范圍內(nèi)的膨脹土經(jīng)過長期的干濕變化，將引起不均勻的脹縮變形，從而引起土中裂隙的不斷發(fā)展，這正是膨脹土具有裂隙性的主要原因，土中裂隙狀態(tài)一定與土的膨脹性大小有關(guān)；裂隙不斷發(fā)展、強(qiáng)度不斷衰減的過程也是膨脹土邊坡失穩(wěn)具有時效性的根本原因。長江科學(xué)院結(jié)合有關(guān)課題正在研究天然原狀膨脹土的膨脹性、裂隙狀態(tài)、抗剪強(qiáng)度的關(guān)系，以及在一定邊界條件下干濕循環(huán)次數(shù)、裂隙發(fā)展、強(qiáng)度衰減的規(guī)律。

圖9 強(qiáng)度指標(biāo)與干濕循環(huán)次數(shù)變化曲線Fig．9 Strength index and wetting-drying cycle curve

3．4 水力劈裂試驗(yàn)研究

在心墻壩設(shè)計中，心墻水力劈裂問題是普遍關(guān)注又亟待解決的關(guān)鍵問題之一，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究工作，取得了豐富的研究成果，但對心墻水力劈裂問題的認(rèn)識仍然存在差異。隨著心墻土石壩高度增大，該問題愈加突出。長江科學(xué)院首次采用CT技術(shù)開展了心墻水力劈裂試驗(yàn)［9］，試驗(yàn)的概化模型如圖10所示，試驗(yàn)在CT三軸儀（圖2）上進(jìn)行。在試樣周邊和頂部施加一定應(yīng)力，模擬心墻土中應(yīng)力狀態(tài)；在試樣底部垂直開縫，在縫中施加水壓力模擬劈裂水壓，試樣底部外側(cè)與三軸儀底座膠結(jié)構(gòu)成止水。試驗(yàn)中逐漸增大劈裂水壓并進(jìn)行CT掃描，觀察裂隙開展情況。發(fā)現(xiàn)有貫穿性裂縫即認(rèn)為試驗(yàn)完成。

圖10 水力劈裂試驗(yàn)概化模型Fig．10 Generalized model of hydraulic fracture test

圖11 給出了其中典型的水力劈裂試驗(yàn)CT圖像，可以看出，劈裂縫從人工開縫（可視為心墻中存在的缺陷）的一端部向外擴(kuò)展至貫穿，劈裂現(xiàn)象明顯。圖12給出了一組水力劈裂試驗(yàn)成果。系列試驗(yàn)成果表明，劈裂水壓力uf與最小主應(yīng)力σ3的大小成線性關(guān)系，可以采用下式表達(dá)，即

式中：常數(shù)項(xiàng)s與土體的抗拉強(qiáng)度有關(guān)，比例系數(shù)m與縫的大小、水壓加荷速率等因素有關(guān)。

圖11 典型的水力劈裂試驗(yàn)CT圖像Fig．11 Typical CT images of hydraulic fracture test

圖12 水力劈裂試驗(yàn)成果Fig．12 Results of hydraulic fracture test

3．5 加筋土的試驗(yàn)研究

土中鋪設(shè)土工合成材料形成的加筋土，其力學(xué)特性十分復(fù)雜，目的不同，試驗(yàn)方式也不同。本文并不在于加筋土的性質(zhì)如何，只想說明CT技術(shù)可以用于加筋土的試驗(yàn)研究。

圖13 典型加筋土CT圖像Fig．13 Typical CT images of reinforced soil

圖13 為典型加筋土試驗(yàn)完成時的CT圖像。試驗(yàn)在CT三軸儀上進(jìn)行，在常規(guī)三軸試樣中鋪置若干層土工合成材料，施加圍壓固結(jié)、剪切。圖14是其中圍壓為200 kPa時不同加筋土的應(yīng)力應(yīng)變曲線。

圖14 不同加筋土層的應(yīng)力應(yīng)變曲線（σ3＝200 kPa）Fig．14 Stress-strain curves of different reinforced soil

從圖13可以看出，因筋材的密度與土體存在差異，CT圖像可以清楚顯示土中筋材的形態(tài)。水平布置的筋材對土體起到一定的約束作用，當(dāng)筋材間距較大時，在筋材斷面處出現(xiàn)明顯的縮頸現(xiàn)象（圖13（a））；當(dāng)筋材間距足夠小時，試樣的水平變形將更加均勻一致（圖13（b））。從圖14可以看出，當(dāng)其他試驗(yàn)條件一致時，隨筋材層數(shù)增加，加筋土的強(qiáng)度逐漸增大，這從另一個側(cè)面反映出筋材對土體的約束作用。

圖15是典型的加筋土載荷模型試驗(yàn)的CT圖像。地基表面下鋪設(shè)一層土工織物，試驗(yàn)中在地基表面施加了一定的正壓力，以便土工織物與土體間產(chǎn)生摩擦力。當(dāng)載荷板承受一定荷載后，隨著載荷板的下沉，土工織物逐漸彎曲，最終成鍋底狀，土工織物將承受一定的張力。地基承載力因土工織物的存在而大為增加。

圖15 典型加筋土載荷模型試驗(yàn)CT圖像Fig．15 Typical CT images of load model test of rein forced soil

4 結(jié) 語

2007年以來，本文作者一直致力于長江科學(xué)院巖土試驗(yàn)CT工作站建設(shè)，2008年底初步建成。自此之后利用CT技術(shù)探索性的開展了有關(guān)試驗(yàn)工作，取得一些初步成果。本文簡要地介紹了其中幾方面成果，旨在說明CT技術(shù)在巖土試驗(yàn)中的作用。實(shí)踐表明，CT技術(shù)的引入將為巖土試驗(yàn)帶來不可替代的作用，結(jié)合有關(guān)配套的巖土試驗(yàn)設(shè)備，其無損、動態(tài)、定量和實(shí)時量測巖土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的功能必將引起巖土試驗(yàn)技術(shù)的一次飛躍。

CT技術(shù)量測的成果是一組不同時空下的密度（CT數(shù)）分布圖像和數(shù)據(jù)，如何進(jìn)行CT巖土試驗(yàn)、如何充分利用CT試驗(yàn)成果都需要巖土工作者進(jìn)一步研究和開發(fā)，隨著一些物理量從不可測到可測，必將在很大程度上推動巖土力學(xué)的發(fā)展。

［1］ HOUNSFIELD G N．Computerized Transverse Axial Scan-ning（Tomography）［J］．British Journal of Radiology，1973，（46）：1016－1022．

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［3］ 陳正漢，盧再華，蒲毅彬．非飽和土三軸儀的CT機(jī)配套及其應(yīng)用［J］．巖土工程學(xué)報，2001，23（4）：387－392．

（CHEN Zheng-han，LU Zai-hua，PU Yi-bin．The Matc-hing of Computerized Tomograph with Triaxial Test Appara-tus for Unsaturated Soils［J］．Chinese Journal of Geotech-nical Engineering，2001，23（4）：387－392．（in Chi-nese））

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（編輯：周曉雁）

Application of CT Technology in Geotechnical M echanics

CHENG Zhan-lin，ZUO Yong-zhen，DING Hong-shun
（Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry ofWater Resources，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

This paper briefly describes the geotechnical testing CTworkstations of Yangtze River Scientific Research Institute，aswell as the development of ancillary CT triaxial apparatus and infiltration instrument．By introducing the preliminary results of applying CT technology in fabric study of coarse-grained soil，infiltration tests of gravel soil，wetting-drying cycles study of expansive soil，and hydraulic fracture study，aswell as and reinforced soil，this paper displays CT image effects of different geotechnical tests，and demonstrates the role of CT technique in geotechnical tests in the hope of arousing the concern of geotechnical practitioners，and hence promotes the develop-ment of geotechnical testing．

CT technology；geotechnical testing；fabric；infiltration；wetting-drying cycle；hydraulic fracture；geotex-tile

TU411．92；TP274．51

A

1001－5485（2011）03－0033－06

2010-08-09

國家自然科學(xué)基金委員會、二灘水電開發(fā)有限責(zé)任公司雅礱江水電開發(fā)聯(lián)合研究基金項(xiàng)目（50639050）

程展林（1963-），男，湖北武穴人，教授級高級工程師，主要從事土力學(xué)研究，（電話）027-82926043（電子信箱）chengzl＠m(xù)ail．crsri．cn。