花崗巖殘積土顆粒及水分形態(tài)三維微觀結(jié)構(gòu)

李中森，湯連生，桑海濤

(中山大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510275)

花崗巖殘積土顆粒及水分形態(tài)三維微觀結(jié)構(gòu)

李中森，湯連生，桑海濤

(中山大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510275)

采用高分辨率X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)(X-ray μ-CT)對(duì)花崗巖殘積土三維微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行重構(gòu)并在以下方面取得新進(jìn)展：① 通過(guò)在試樣液相中添加顯影物質(zhì)(CsCl)，成功獲取土中水分形態(tài)及空間分布；② 利用X射線在不同物質(zhì)中的衰減率差異，進(jìn)一步區(qū)分固體顆粒中高嶺石與石英并確定各自空間分布；③ 通過(guò)三維重構(gòu)圖像，對(duì)顆?？臻g接觸關(guān)系進(jìn)行初步概化與分類(lèi)，同時(shí)對(duì)X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)在非飽和土力學(xué)中的進(jìn)一步應(yīng)用做了前瞻。這些初步探索將有助于對(duì)土體三維真實(shí)結(jié)構(gòu)的全面認(rèn)識(shí)，促進(jìn)計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)在巖土/地質(zhì)工程領(lǐng)域的新開(kāi)拓。

花崗巖殘積土；計(jì)算機(jī)斷層掃描；三維微觀結(jié)構(gòu)重構(gòu)；水分形態(tài)；顆粒接觸關(guān)系

土體，作為人類(lèi)活動(dòng)的載體，是現(xiàn)代文明發(fā)展的重要“基石”。在對(duì)土體的利用與改造過(guò)程中，人類(lèi)積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，例如，對(duì)土體的夯實(shí)可以在一定程度上防止路基邊坡失穩(wěn)[1]、對(duì)土體成分的改良可以促進(jìn)農(nóng)作物的健康生長(zhǎng)[2]等，而土對(duì)人類(lèi)發(fā)展的影響也已滲透到各個(gè)重要學(xué)科，包括地球科學(xué)、農(nóng)業(yè)工程學(xué)、石油科學(xué)、巖土與地質(zhì)工程等。

在巖土/地質(zhì)工程領(lǐng)域，土體通常作為受荷單元，其應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系受到了極大關(guān)注，作為土體體變特性的本質(zhì)因素，其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的變化則是這一領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。在過(guò)去近50年歷史中，對(duì)土體微觀結(jié)構(gòu)的研究主要采用掃描電鏡[3-6]和壓汞試驗(yàn)[7-10]，前者可以從微納米尺度定性觀察土顆粒大小、排列以及分布情況，而后者可以從定量層面表征土顆?？紫冻叽缗c相對(duì)含量。盡管，二者結(jié)合使用可以定性、定量耦合地分析土體微觀結(jié)構(gòu)，但是，上述方法仍具有一些無(wú)法避免的缺陷：1)試樣須干燥脫水，對(duì)土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動(dòng)甚至破壞；2) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果只能獲取二維圖像，無(wú)法表征土顆?？臻g接觸關(guān)系；3)難以識(shí)別試樣中不同礦物成分。

近年來(lái)，科學(xué)技術(shù)的日新月異極大地促進(jìn)了測(cè)試方法的進(jìn)步。始于 20 世紀(jì) 80 年代初的計(jì)算機(jī)斷層掃描(micro-computed tomography)技術(shù)先后在醫(yī)學(xué)、生物、材料、地球科學(xué)等領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用，為材料微觀結(jié)構(gòu)的無(wú)損檢測(cè)提供了極為有效的手段[11]；如今，這一進(jìn)展引起了巖土與地質(zhì)工程學(xué)者們的關(guān)注并逐漸將它應(yīng)用于土力學(xué)學(xué)科的相關(guān)研究[12-14]。相比于土力學(xué)中常見(jiàn)的壓汞、掃描電鏡法，計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)不僅可以重構(gòu)土體真實(shí)三維結(jié)構(gòu)，還可進(jìn)一步分析土體微觀顆?？臻g接觸關(guān)系及孔隙變化情況等[15-18]，能夠同時(shí)從“量”和“質(zhì)”兩方面對(duì)土體微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，而這正是眾多巖土與地質(zhì)工作者期盼已久的想法。

本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)、以廣州地鐵21號(hào)線路基土為例，應(yīng)用計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)對(duì)工程實(shí)際中的花崗巖殘積土三維微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重構(gòu)和表征，在以下方面取得了進(jìn)展：

通過(guò)在試樣液相中添加顯影物質(zhì)(CsCl)，成功獲得土中水相的三維空間分布及形態(tài)；

根據(jù)不同礦物成分對(duì)X光譜的吸收差異，較好地區(qū)分土顆粒中二氧化硅與高嶺石；

結(jié)合三維重構(gòu)圖像，對(duì)土顆?？臻g接觸關(guān)系進(jìn)行初步概化與分類(lèi)。

1 材料與方法

本次實(shí)驗(yàn)土樣(約500 kg)取自廣州地鐵21號(hào)線位于增城市燕崗橋附近的一處裸露邊坡，作為華南地區(qū)典型的花崗巖殘積土(wL=43%,IP=17)，其主要礦物成分為石英(SiO2)和高嶺石[Al2Si2O5(OH)4]，除此之外，試樣中還含有少量游離氧化鐵，如針鐵礦(α-FeOOH)、赤鐵礦(α-Fe2O3)等。

試樣在運(yùn)往實(shí)驗(yàn)室之后，靜置約2周并自然干燥，取約1 000 g自然干燥土樣放置在105 °C 烘箱內(nèi)48 h以保證土樣充分干燥。由于原狀土含有少量(w=8.6%)粒徑小于0.075 mm顆粒，這些細(xì)小顆粒大部分為高嶺石粘土礦物，CT掃描精度難以準(zhǔn)確地觀測(cè)其空間結(jié)構(gòu)，因此，原狀土在烘干之后先后通過(guò)1、0.5 mm鐵篩，取直徑0.5～1 mm細(xì)土粒作為本次試驗(yàn)的土顆粒。如圖1陰影部分所示，相比于原狀土，本次試驗(yàn)土樣高嶺石含量偏低；但是，由于高嶺石在原狀土中所占比例相對(duì)較小，可以初步認(rèn)為試驗(yàn)的土樣具有較好代表性、能夠反應(yīng)原狀土的重要結(jié)構(gòu)特征。

圖1 原狀土顆粒級(jí)配曲線及本次試驗(yàn)選取土顆粒Fig.1 Grading curve of the intact soil and the particles selected for this study

土樣篩分之后，取100 g粒徑0.5～1 mm土顆粒與20 g質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的CsCl溶液混合、均勻攪拌以配置成含水率w=20%試樣，將試樣放在黑色密封袋內(nèi)48 h，使其內(nèi)部水分均勻分布。隨后，將土樣置于直徑約為12 mm的剛性塑料管內(nèi)并施加100 kPa軸向荷載壓實(shí)，壓實(shí)之后將試樣取出并利用膠帶對(duì)其進(jìn)行仔細(xì)密封以防止在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中水分因吸收X射線能量而發(fā)生蒸發(fā)，圖2a為本次實(shí)驗(yàn)制備土樣外觀圖片。

土樣制備完成之后，將其轉(zhuǎn)移至X射線顯微鏡物品臺(tái)并固定，本次實(shí)驗(yàn)采用上海光源BL13W1線站X射線三維顯微鏡，其主要設(shè)備組成如圖2b所示，關(guān)于該線站詳細(xì)介紹及工作原理見(jiàn)文獻(xiàn)[19]。待試樣安裝就緒，設(shè)置X射線能量、完成中心軸矯正等基本步驟之后即可進(jìn)行掃描，土樣在旋轉(zhuǎn)180°過(guò)程中，每隔0.25°掃描一張，每個(gè)土樣將得到720張如圖2c所示的投影圖。隨后，將試驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)帶回并進(jìn)行如下處理：① 利用PETRE軟件對(duì)投影圖進(jìn)行相位恢復(fù)并獲得包含灰度信息的重建切片；② 利用Avizo Fire 8.0軟件對(duì)上述重建切片進(jìn)行初步切割、二值化/閾值處理以獲取包含水、空氣、固體顆粒的土體三維結(jié)構(gòu)。

圖2 X射線三維顯微鏡操作步驟Fig.2 Experimental operations of the X-ray μ-CT

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 三維結(jié)構(gòu)重構(gòu)

圖3a為試樣經(jīng)過(guò)相位恢復(fù)后所構(gòu)建的切片圖，圖中不同灰度信息(明暗程度)反映X射線在穿透試樣不同物質(zhì)成分時(shí)的能量衰減率，其中，黑暗區(qū)域表示X射線穿透物質(zhì)時(shí)能量衰減較少，一般對(duì)應(yīng)原子序數(shù)或者密度較小的物質(zhì)，如空氣、水等；相反，明亮區(qū)域表示X射線能量衰減程度較高，對(duì)應(yīng)原子序數(shù)或者密度較大物質(zhì)。表1為本次土樣中主要物質(zhì)成分對(duì)X射線的線性衰減系數(shù)(μ)，表中信息顯示在10～50 keV的能量范圍內(nèi)，X射線在水、空氣中的衰減系數(shù)極為相近，較難通過(guò)切片圖像中的灰度信息直接進(jìn)行區(qū)分；因此，本次實(shí)驗(yàn)通過(guò)在水中添加顯影物質(zhì)CsCl，顯著增加X(jué)射線在水中的衰減系數(shù)，從而有利于在重建切片圖像中更加清晰地區(qū)分水、空氣和固體顆粒。

圖3b為經(jīng)過(guò)閾值處理的切片圖，根據(jù)圖3a中的灰度信息并結(jié)合表1中X射線在不同物質(zhì)成分中的穿透率并利用Avizo軟件設(shè)置不同物質(zhì)成分之間的灰度閾值，可以對(duì)試樣中主要物質(zhì)成分進(jìn)行區(qū)分。對(duì)比圖3a、3b，盡管此方法會(huì)忽略試樣中含量較少的成分(如針鐵礦、赤鐵礦)，但是，利用灰度閾值分割能夠較好、較合理的表征土中主要物質(zhì)成分的平面分布，這也是進(jìn)一步獲取不同物質(zhì)三維空間分布的基礎(chǔ)。

圖3 廣州花崗巖殘積土試樣切片圖Fig.3 Sectional image of the specimen

物質(zhì)成分成分化學(xué)式密度/(g·cm-3)X射線衰減系數(shù)/cm-110keV30keV50keV石英SiO226549022084高嶺石Al2Si2O5(OH)426341920078水H2O10053038023空氣N2，O2等0001351035021氯化銫CsCl398107a58a83a

1)a根據(jù)CsI的X射線吸收系數(shù)及相對(duì)分子質(zhì)量進(jìn)行估算，μ(CsCl) =[μ(CsI)×168]/ 260

圖4為試樣三維微觀結(jié)構(gòu)重構(gòu)圖，根據(jù)上述步驟中獲取的、經(jīng)過(guò)閾值處理的切片圖(約720張)，利用Avizo軟件進(jìn)行三維重構(gòu)。如圖所示，4a為試樣整體三維結(jié)構(gòu)圖，圖4(b-e)分別為水、空氣、高嶺石以及石英顆粒的空間分布圖。根據(jù)圖4中不同物質(zhì)在空間的像元大小可計(jì)算各礦物成分所占體積分?jǐn)?shù)，結(jié)合各自密度可進(jìn)一步計(jì)算其質(zhì)量分?jǐn)?shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，利用三維圖像處理(灰度識(shí)別)所獲得的質(zhì)量含水率為21.80%，與試樣初始含水率20%相比，相對(duì)誤差為1.80%，其主要原因來(lái)自于計(jì)算機(jī)在利用灰度值對(duì)不同礦物成分進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別時(shí)存在一定誤差，目前，利用顯微CT技術(shù)對(duì)多孔介質(zhì)中不同礦物成分進(jìn)行精確區(qū)分、量化仍需進(jìn)一步深入研究和改進(jìn)。

需要說(shuō)明的是，本次試驗(yàn)試樣初始含水量相對(duì)較高且水分主要以粒間自由水形式存在，這導(dǎo)致圖4b、4e中水分與顆粒的三維重構(gòu)圖像存在一定的相似性。為了較好地區(qū)分三維重構(gòu)圖像中土顆粒與水分形態(tài)三維微觀結(jié)構(gòu)的差異，我們從試樣中提取邊長(zhǎng)為0.45 mm、具有代表性的正方體單元(圖5)，利用所提取的單元體可比較清晰地區(qū)分石英顆粒、水分，這為土顆粒各物質(zhì)成分量化、大小統(tǒng)計(jì)提供了條件。

2.2 顆粒大小統(tǒng)計(jì)

為了對(duì)三維圖像處理所得到的石英顆粒大小與實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比，我們從重構(gòu)圖像中選取了另一單元體(圖6a)，提取試樣內(nèi)部石英顆粒，利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)每一顆粒進(jìn)行顏色標(biāo)記并按順序編號(hào)(圖6b)，按照等效圓球擬合所有顆粒并將石英顆粒等效直徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、對(duì)比(圖6c)。試驗(yàn)結(jié)果表明，相比于實(shí)際情況(土顆粒直徑介于0.5～1 mm)，利用圖像識(shí)別技術(shù)獲得的顆粒大小與實(shí)際情況存在較大誤差： 在試樣總計(jì)125顆粒中，68顆粒粒徑介于0.5～1 mm之間，29顆粒粒徑大于1 mm，剩余28顆粒則小于0.5 mm。

圖4 廣州花崗巖殘積土試樣三維微觀結(jié)構(gòu)重構(gòu)及各物質(zhì)成分空間分布Fig. 4 3-D micro structure reconstruction and the spatial distribution of the different materials

圖5 石英顆粒與水分形態(tài)三維微觀結(jié)構(gòu)Fig. 5 3-D micro-structure of the quartz and water in the specimen

造成上述偏差的主要原因有：① 在進(jìn)行顆粒標(biāo)記時(shí)，計(jì)算機(jī)難以精確識(shí)別相互接觸的顆粒，軟件通常將緊密接觸的兩個(gè)甚至多個(gè)顆粒識(shí)別為單一顆粒，從而導(dǎo)致部分通過(guò)軟件識(shí)別的顆粒粒徑大于正常值；② 在制備壓實(shí)試樣時(shí)，軸向荷載會(huì)使部分顆粒破裂，導(dǎo)致粒徑小于0.5 mm。

圖6 石英顆粒等效直徑及其與實(shí)際情況對(duì)比Fig.6 Equivalent diameter of the quartz and comparison with the practical condition

2.3 顆粒接觸關(guān)系概化

作為多孔、離散介質(zhì)，土顆粒的相互接觸關(guān)系是研究其力學(xué)行為的重要手段，在以往關(guān)于土顆粒接觸關(guān)系的概化、分類(lèi)中，一般基于二維平面圖像將土體大致分為層絮狀和發(fā)散狀結(jié)構(gòu)[20-21]，而實(shí)際情況下，土顆粒的相互接觸關(guān)系遠(yuǎn)復(fù)雜于此，因此有必要結(jié)合理論概化與實(shí)際三維微觀結(jié)構(gòu)對(duì)土顆?？臻g接觸關(guān)系進(jìn)行劃分。

圖7a為土顆粒空間接觸關(guān)系的10種常見(jiàn)概化模型，本次試驗(yàn)選取土樣為經(jīng)過(guò)篩分、粒徑介于0.5～1 mm的石英顆粒，理論上其主要空間接觸方式為球-球模式，由于少量高嶺石片狀粘土礦物存在，顆粒接觸關(guān)系還涉及到面-面、面-球、面-棱等形式。圖7b為土顆粒三維重構(gòu)圖像中具有代表性單元體，它們分別反映石英顆粒三種典型接觸：球-球、面-面以及面-球接觸方式。

值得注意的是，本文中顆粒接觸關(guān)系的概化是針對(duì)于廣州地區(qū)花崗巖殘積土結(jié)構(gòu)而進(jìn)行的初步劃分，當(dāng)涉及到其它土質(zhì)(如我國(guó)西北地區(qū)黃土、華東地區(qū)膨脹土)，其顆?？臻g接觸關(guān)系的概化形式將更加豐富，具體可見(jiàn)文獻(xiàn)[19]；此外，文中的顆粒接觸關(guān)系是通過(guò)人工識(shí)別的，效率較低、主觀因素影響較大，在將來(lái)大規(guī)模土顆粒接觸關(guān)系判定中，需要尋找合適的計(jì)算方法、借助大型計(jì)算機(jī)自動(dòng)確定土顆粒之間非常復(fù)雜的空間接觸關(guān)系。

圖7 土顆粒空間結(jié)構(gòu)接觸關(guān)系概化(a)及其與三維重構(gòu)圖像關(guān)系(b)Fig.7 Spatial contact of the soil particles and its relationship with the 3-D reconstructed images

3 討論與展望

目前，在巖土/地質(zhì)工程領(lǐng)域，對(duì)土體真實(shí)三維結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)仍處于起步階段，作為初步探索，本次研究選擇具有工程代表性的濕土樣，成功獲取土中水分的空間分布與形態(tài)，具有較大理論與現(xiàn)實(shí)意義：① 水分形態(tài)的精確表征可以確定試樣液體收縮膜曲率半徑，利用Jurin-Laplace方程可進(jìn)一步分析土中吸力的大小與格局；② 根據(jù)不同物質(zhì)成分對(duì)X射線能量吸收率的差異，可以無(wú)損檢測(cè)土樣中主要物質(zhì)成分，為定性、定量分析提供輔助手段；③ 結(jié)合不同水力、力學(xué)荷載條件，可建立“力-時(shí)間-空間三維結(jié)構(gòu)”的五維數(shù)字體系，為復(fù)雜力學(xué)、工程問(wèn)題的分析提供有效方法。

盡管如此，計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)在巖土/地質(zhì)工程學(xué)科的應(yīng)用仍存在一些問(wèn)題和需要改進(jìn)的地方，如：① 試樣代表性，高精度X射線顯微鏡要求試樣尺度足夠小，直徑往往小于1 cm，微/小尺度試樣的工程代表性問(wèn)題是制約計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的重要因素；② 精度，目前實(shí)驗(yàn)室條件下能夠?qū)ξ⒚准?jí)顆粒進(jìn)行三維表征，然而，對(duì)于粘性土壤，需要發(fā)展精度為納米級(jí)的X射線顯微鏡才足以滿足對(duì)粘粒微觀結(jié)構(gòu)的分析需求；③ 力學(xué)加載，實(shí)際條件下土體顆粒往往受到各類(lèi)荷載，因此，理論上需要將X射線顯微鏡與力學(xué)加載系統(tǒng)相互結(jié)合以模擬自然或者工程條件下土體的受荷情況；④顆?？臻g接觸關(guān)系識(shí)別，目前，顆粒接觸關(guān)系的識(shí)別主要依靠人工判斷，具有較大主觀性且誤差較大，因此，有必要根據(jù)土顆粒的空間幾何坐標(biāo)、利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別并判定不同接觸關(guān)系。

4 結(jié) 論

通過(guò)在試樣液相中添加顯影物質(zhì)(CsCl)，利用計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)成功獲得水分三維空間形態(tài)與分布；根據(jù)X射線在不同物質(zhì)成分的穿透率，可進(jìn)一步區(qū)分固體顆粒中高嶺石與二氧化硅成分；結(jié)合電鏡掃描圖像，對(duì)土顆?？臻g接觸關(guān)系進(jìn)行概化；同時(shí)，對(duì)計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)在巖土/地質(zhì)工程的進(jìn)一步應(yīng)用做了前瞻、對(duì)存在的問(wèn)題做了總結(jié)。這些初步探索將有助于對(duì)土體三維真實(shí)結(jié)構(gòu)的全面認(rèn)識(shí)，促進(jìn)計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)在巖土/地質(zhì)工程領(lǐng)域的新開(kāi)拓。

致謝:澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織CHEN Miao教授對(duì)本文顯影材料篩選給予了幫助；三英精密儀器股份有限公司張宗和張玉芳工程師對(duì)三維圖像重構(gòu)分析做了大量工作；上海光源BL13W1線站付亞楠博士對(duì)本文實(shí)驗(yàn)提供了技術(shù)指導(dǎo)。

[1] PROCTOR R R. Fundamental principles of soil compaction[J]. Journal of the Royal Aeronautical Society, 1933, 111 (9): 245-248.

[2] 王金滿, 楊培嶺, 石懿,等. 脫硫副產(chǎn)物對(duì)改良?jí)A化土壤的理化性質(zhì)與作物生長(zhǎng)的影響[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2005, 19(3): 34-37.

WANG J M, YANG P L, SHI Y, REN S M. Effect on physical and chemical properties of soil and sunflower growth when sodic soils reclaimed with by-product from flue gas desulphurization[J]. Journal of Soil and Water conservation, 2005, 19(3): 34-37.

[3] AHMED S, LOVELL C W, DIAMOND S. Pore size and strength of compacted clay[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 1974, 100: 407-425.

[4] DELAGE P, AUDIGUIER M, CUI Y J,et al. Microstructure of a compacted silt[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1996, 33(1):150-158.

[5] 蔣明鏡, 沈珠江. 人工制備濕陷性黃土的微結(jié)構(gòu)分析[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 1999, 21(4):486-491.

JIANG M J, SHEN Z J. Microscopic analysis on artificially-prepared structured collapsible loess[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 1999, 21(4): 486-491.

[6] 葉為民, 賴(lài)小玲, 劉毅,等. 高廟子膨潤(rùn)土微觀結(jié)構(gòu)時(shí)效性試驗(yàn)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2013, 35(12):2255-2261.

YE W M, LAI X L, LIU Y, et al. Experimental study on ageing effects on microstructure of unsaturated GMZ01 bentonite[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2013, 35(12): 2255-2261.

[7] LEFEBVRE G, DELAGE P. The use of mercury intrusion porosimetry for the analysis of soft clay microstructure[C]∥International symposium on recent developments in laboratory and field tests and analysis of geotechnical problems, 1986: 31-43.

[8] SIMMS P H, YANFUL E K. A discussion of the application of mercury intrusion porosimetry for the investigation of soils, including an evaluation of its use to estimate volume change in compacted clayey soils[J]. Géotechnique, 2004, 54(54):421-426.

[9] ROMERO E, SIMMS P H. Microstructure Investigation in unsaturated soils: A review with special attention to contribution of mercury intrusion porosimetry and environmental scanning electron microscopy[J]. Geotechnical & Geological Engineering, 2008, 26(6):705-727.

[10] 孫德安, 高游. 不同制樣方法非飽和土的持水特性研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2015, 37(1):91-97.

SUN D A, GAO Y. Water retention behaviour of soils with different preparations[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2015, 37(1): 91-97.

[11] PETROVIC A M, SIEBERT J E, RIEKE P E. Soil bulk density analysis in three dimensions by computed tomographic scanning[J]. Soil Sci Soc Am J, 1982, 46: 445-450.

[12] SABA S, DELAGE P, LENOIR N, et al. Further insight into the microstructure of compacted bentonite-sand mixture[J]. Engineering Geology, 2014, 168: 141-148.

[13] KIM F H, PENUMADU D, GREGOR J, et al. Characterizing partially saturated compacted-Sand specimen using 3D image registration of high-resolution neutron and X-ray tomography[J]. Journal of Computing in Civil Engineering, 2014, 29(6):040140961-0401409611.

[14] MASSAT L, CUISINIER O, BIHANNIC I, et al. Swelling pressure development and inter-aggregate porosity evolution upon hydration of a compacted swelling clay[J]. Applied Clay Science, 2016, 124/125:197-210.

[16] 劉潔, KLAUS R L, REEM F A. 微觀層析成像技術(shù)在地球科學(xué)中的應(yīng)用—幾何結(jié)構(gòu)特征、巖石物性模擬及尺度升級(jí)[C]//中國(guó)地球科學(xué)聯(lián)合學(xué)術(shù)年會(huì),2014.

[17] CNUDDE V, BOONE M N. High-resolution X-ray computed tomography in geosciences: A review of the current technology and applications[J]. Earth Science Reviews, 2013, 123(4):1-17.

[18] MAIRE E, WITHERS P J. Quantitative X-ray tomography[J]. International Materials Reviews, 2014, 59(1):1-43.

[19] 桑海濤. 非飽和土粒間吸力測(cè)試及其與抗拉強(qiáng)度的內(nèi)在聯(lián)系[D].廣州：中山大學(xué),2015.

SANG H T. The test of interparticle suction of unsaturated soils and its internal relationship with tensile strength[D]. Guangzhou: Sun Yat-sen University, 2015.

[20] SIDES G, BARDEN L. The microstructure of dispersed and flocculated samples of kaolinite[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1970, 8(3):391-399.

[21] WANG Y H, SIU W K. Structure characteristics and mechanical properties of kaolinite soils. I. Surface charges and structural characterizations[J].Canadian Geotechnical Journal, 2006, 43(3): 587-600.

3-Dmicro-structureoftheparticleandwatermorphologyofthegraniteresidualsoil

LIZhongsen,TANGLiansheng,SANGHaitao

(School of Earth Science and Engineering, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China)

The high-resolution X-ray micro-computed tomography (μ-CT) is used to investigate 3-D micro-structure of granitic residual soils. The results showed that: ① The water phase and their spatial distribution in soils can be determined by mixing the dried soil sample with CsCl solution. ② X-ray attenuation coefficient differentiation in different materials leads to easily distinguishing kaolinite and quartz in soils. ③ The spatial contact and orientation of soil particles are generalized and classified by using the reconstructed 3-D images. In addition, some further applications of the X-ray μ-CT to the study of unsaturated soil mechanics are predicted. These preliminary findings will contribute to the better understanding of the 3-D real structure of soil and to fostering new progresses of the X-ray μ-CT in geotechnical/geological engineering.

granite residual soil; X-ray micro-computed tomography; 3-D micro-structure reconstruction; water morphology; soil particle’s spatial contact

10.13471/j.cnki.acta.snus.2017.06.002

2016-09-11

國(guó)家自然科學(xué)基金(41572277)；廣東省自然科學(xué)基金(2015A030313118，2017A030310426)

李中森(1988年生)，男；研究方向非飽和土力學(xué)；E-mail: lizhongsen@mail.sysu.edu.cn

湯連生(1963年生)，男；研究方向巖土力學(xué)；E-mail: eestls@mail.sysu.edu.cn

TU411.92

A

0529-6579(2017)06-0015-07

DOI:10.13471/j.cnki.acta.snus.2017.06.003