CT技術在巖土工程研究中的應用

李曉寧， 向銘銘， 朱寶龍

(西南科技大學 土木工程與建筑學院, 四川 綿陽 621010)

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CT技術在巖土工程研究中的應用

李曉寧， 向銘銘， 朱寶龍

(西南科技大學 土木工程與建筑學院, 四川 綿陽 621010)

利用CT技術進行巖土體損傷特性的研究是當前巖土工程的重要研究方向之一。介紹了CT技術的技術優勢、發展現狀、檢測原理，簡述了CT技術在巖石常規加載下對損傷特性、特殊環境下巖石結構細觀損傷特性以及土體結構性等巖土工程研究中的應用現狀,并提出該領域研究面臨的主要問題。

巖土工程； CT技術； 無損檢測； 損傷力學

1 CT技術

1.1 CT技術的優勢與發展

CT技術作為一種細觀力學實驗手段,在物質內部結構檢測方面可實現實時、無損檢測,檢測結果可為細觀損傷模型的研究提供可靠的圖形基礎。利用該技術進行巖土體裂紋演化過程的觀察和描述,提高了巖石室內力學試驗的價值,對建立巖土體損傷本構關系具有重要意義。

與常規的巖土室內細觀檢測手段SEM(掃描電子顯微鏡)、AE(聲發射)相比,CT技術的主要技術優勢在于:

(1) 在裂紋觀測方面,CT技術將細觀損傷可視化,可實時觀測到常規SEM尺度和肉眼可見的宏觀裂紋之間的區間。

(2) 裂紋擴展直接與試件的宏觀應力應變曲線相聯系。CT技術可實現在任意應力階段觀測內部任意部位細觀結構，可分別實現同一應力階段不同斷面以及同一斷面不同應力階段的CT圖像的組合,為細觀損傷的研究提供可靠的圖形基礎。

(3) CT技術通過密度損傷增量可以將細觀結構演化引起的損傷定量化,而AE技術由于頻率、振幅等指標與巖石裂紋參數難以建立定量聯系,目前對損傷定量化問題的處理尚有困難。

CT 技術的發展主要在于掃描部位及掃描對象的延伸。隨著 CT 技術和各專業學科的發展需要,該技術在凍土、冰、巖石和各類復合材料的檢測分析領域得以應用。上世紀80年代, Teda等首次將醫用CT 裝置應用于巖石損傷特性的研究中,證明CT技術在檢測巖石內部裂紋結構方面優勢明顯。國內,于上世紀90年代中后期將CT技術應用于巖土工程研究中。中科院寒區旱區環境與工程研究所凍土工程國家重點實驗室葛修潤院士等自行設計、研制成功了與醫用CT配套的專用實時力學加載試驗裝置,可進行不卸載掃描,實現了巖石受載過程中的無損、多層面的實時掃描,克服了該方法在卸載后微小裂紋閉合、重新掃描定位等方面存在的問題,開創了我國巖土體破裂過程CT實時掃描試驗的先河。此后,基于室內巖土材料試件CT掃描試驗的一系列研究相繼開展。

目前, CT技術在巖土工程研究中的應用日益深入并取得許多成果,但相關成果總結很少。本文在對國內外相關文獻進行分類、歸納和總結的基礎上,闡述了CT技術的定義與原理；分析了CT技術在巖石常規工程環境下以及在寒區、腐蝕性等特殊環境下巖石細觀結構損傷特性研究、土體結構性研究、混凝土質量檢測等巖土工程相關領域研究中的應用現狀和存在的問題。

1.2 CT技術的工作原理

CT掃描設備主要由X射線源和探測器組成(見圖1),CT技術的基本原理是由物體對于X射線的衰減系數來體現物體的密度。利用X射線管發射出的X射線穿透待測物體截面,通過探測器收集并測定經過某個層截面衰減后的X射線量,根據所獲得的X射線量的投影數據,運用數學方法,通過計算機處理,重建特定層面上的CT圖像。

圖1 CT工作原理流程圖

2 CT技術在巖石細觀損傷特性研究中的應用

2.1 常規加載卸載條件下的CT損傷檢測及分析

巖石材料內部缺陷(損傷),主要是細觀尺度上的各種微孔洞、孔隙以及微裂紋。在損傷力學的研究中,巖體損傷破壞本質上是由于外部作用的影響而導致內部微裂紋、微孔隙的擴展演化,從而導致力學性能劣化。因此,細觀層面上損傷力學的關鍵在于對材料細觀損傷的識別。CT技術的應用,實現了巖石內部結構和裂紋演化過程的觀察，為巖土體破壞機理的研究提供可靠的試驗手段,有效推動了巖石損傷擴展和破壞的本質特性的研究。國內外學者所做的代表性工作有: Martin R J.等[1]利用CT技術,得到了巖石微觀結構與其強度特性、彈性模量之間的關系。Kawakata等[2]基于CT數重建了巖石三維 CT 圖像,獲得了巖石內部裂紋的發展形態和空間分布特征；Ruiz de Argandona V. G.等[3]在 CT 掃描試驗的基礎上,重建了巖石的三維孔隙結構圖像,揭示了巖石內部孔隙分布特征；葛修潤等[4-5]進行了煤巖、裂隙巖體等試件在各種荷載條件下的單軸與三軸CT實時掃描試驗,獲得了單軸、三軸壓縮條件下巖體內部微微裂紋萌生到試樣破壞、卸載全過程的CT圖像,在細觀尺度上證實了巖石疲勞破壞的門檻值；楊更社[6]、丁衛華等[7-8]、黨發寧[9]等利用CT技術,針對不同類型巖石的破損機制,對初始細觀損傷特性、裂紋演化、擴展進行了CT實時動態觀測；簡浩等[10]進行了單軸壓縮荷載作用下的含單裂紋巖樣的CT 掃描試驗,觀測到了巖樣從壓密、裂紋產生、擴展到破壞的損傷破壞全過程,從細觀、三維空間尺度上研究了節理巖石的損傷演化規律；劉京紅等[11]利用CT掃描試驗,揭示了巖石內部孔洞及裂紋區域的大小分布隨應力的變化過程。

在CT掃描的基礎上,基于CT圖像、CT數定義內部損傷方面的研究成果,推動了巖石損傷定量化的研究。楊更社等[6]對單軸受力狀態下的損傷擴展進行了CT定量分析和本構關系的建立，對巖石的初始損傷進行了研究,并引入了初始損傷影響因子,定義了基于CT數表示的巖石損傷變量公式,并探討了單軸壓縮作用下砂巖的損傷擴展機理。丁衛華、仵彥卿等[7-8]提出了密度損傷增量新概念,推導出了CT數與密度損傷增量的定量關系,分析了巖石細觀損傷演化過程和機理。黨發寧等[9]依據集合論和測度論,提出了巖土介質空間某一點的完整度、破損度的概念,定義了基于CT數表示的破損產生的位置和破損判定依據。陳蘊生等[12]基于CT圖像的灰度值均值以及灰度分布特點隨著應力的變化規律,揭示了巖樣細觀損傷演化機理。

綜上所述,CT實時掃描技術作為一種動態無損傷檢測技術,近年來主要應用于巖石細觀損傷演化特性的試驗研究,是揭示巖石破裂過程中內部或表面損傷演化規律的一種有效手段。利用CT技術,研究者在配套加載設備的研發、加載條件多樣化、巖石損傷實時檢測、損傷演化規律及三維圖像重建、裂隙寬度的定量分析、損傷變量分析等方面取得了一系列進展。研究成果對于建立正確的損傷演化方程和巖石介質宏觀本構關系具有重要意義,有效推動了細觀力學的發展。

2.2 特殊環境巖石細觀損傷檢測及分析

隨著工程活動范圍的擴大,工程環境越來越復雜,如高海拔寒區工程建設遇到凍結土、巖石問題。由于強流變性的冰相的存在,在外荷載及溫度作用下,凍土和凍結巖石內部結構變化非常復雜,CT技術的應用為進行凍結土、凍結巖石物理性質變化過程的動態監測及破壞機理的細觀研究提供了一種新的途徑。

楊更社等[13]利用CT 掃描技術進行了凍結巖石的試驗,獲得了凍融循環條件下巖石的損傷擴展特性。劉增利等[14]進行了凍結黃土在單軸壓縮下的動態CT掃描試驗,對凍土的損傷進行識別,并基于連續介質力學和熱學的方法,建立了單軸壓縮作用下的凍土的細觀損傷本構模型。鄭劍鋒等[15]對以不同凍結方式凍結的兩種粉質黏土試樣CT掃描,通過凍結前后的實測CT數的分析,討論了軸向凍結方式與徑向凍結方式對凍土試樣內部含水量的變化影響。趙淑萍等[16]利用改進后的與CT試驗機配套使用的三軸試驗儀,對不同溫度條件下的凍結黃土的單軸壓縮過程進行了CT動態掃描,獲得了凍結重塑蘭州黃土的損傷演化規律和損傷耗散勢函數。孫星亮等[17]進行了凍結粉質黏土在三軸剪切過程中CT試驗,得到凍土受載前的初始缺陷。李洪升等[18]推導出了基于凍土附加損傷概念的凍土在受載荷作用下產生的微裂紋、凍土密度、凍土內部損傷量與CT數之間的關系模型。以上研究對于認識高海拔及寒區巖土體凍融破壞過程具有重要意義。

除了寒區凍融環境外,受污染的地下水、酸雨等化學腐蝕環境引起的巖土體力學特性的劣化問題已引起廣泛關注。目前,CT技術已成為研究腐蝕環境下巖土體力學特性劣化的重要研究手段之一。陳四利等[19]進行了酸性、堿性化學溶液和三軸壓縮作用下砂巖破裂過程的CT實時掃描試驗,得到了砂巖從微裂隙被壓密到微裂隙發生、擴展到貫通各階段的CT圖像、CT數和CT數方差數以及應力差與應變曲線。馮夏庭等[20]進行了化學溶液水壓力、三軸壓縮作用下預制裂紋圓柱體砂巖破裂過程的CT實時掃描試驗,獲得了化學溶液水壓力對裂紋砂巖三軸破裂過程的影響特征。李寧等[21]對化學腐蝕下的鈣質膠結長石砂巖進行了單軸抗壓下的CT掃描試驗,在CT數的基礎上,討論了化學侵蝕下砂巖密度降低的機理,認為化學作用產生的損傷超過了巖石初始裂紋、孔洞等損傷。

以上試驗結果驗證了化學腐蝕對巖石力學特性的影響,并得出了不同的化學腐蝕溶液對巖石力學特性的影響的差異。

3 CT技術在土體結構性變化研究中的應用

利用CT技術在細觀層次上,相關學者針對黃土、膨脹土、黏土等土體,測定了土體中的大孔隙、土體受載過程中的結構變化和裂隙演化過程，以及土體動三軸試驗前后的變化等,在土體的微細結構研究方面取得了一系列研究成果。圖2為我們的試驗所獲得黏性土受荷后裂隙發展圖像。

圖2 黏性土受荷后裂隙發展圖

蒲毅彬等[22]率先將CT技術應用于原狀黃土內部結構的觀測。利用CT機與簡易壓力室結合的裝置對在單軸有側限壓力、三軸壓縮以及加荷條件下浸水過程等條件下的原狀黃土進行了實時掃描。

利用CT技術進行土體細觀結構研究,陳正漢團隊利用自行研制的CT掃描設備系統研究了膨脹土和黃土(Q2和Q3)在荷載及水分變化條件下的細觀結構演化規律和損傷機理，對土試樣在多種應力路徑、干濕循環等試驗過程中的細觀損傷演化進行了動態、實時追蹤,將細觀試驗結果與宏觀力學試驗結果相結合,分析了細觀結構變化與宏觀力學特性之間的關系,揭示了土樣的結構損傷演化和變形規律,提出了損傷演化方程,為掌握膨脹土、黃土的工程特性提供了重要支撐。在非飽和土研究領域內,陳正漢等[23]將CT機與非飽和土三軸儀連接,在三軸試驗過程中對土樣內部結構進行動態、定量和無損地量測,揭示了原狀土的結構損傷演化和變形強度規律,為深入探討原狀土和非飽和土的力學特性提供了有力工具。汪時機等[24]通過對三軸壓縮條件下8 組不同孔徑破損膨脹土的CT掃描試驗,揭示了圓柱孔破損重塑膨脹土的破損結構的損傷演化規律。

CT技術應用于土體細觀結構研究,從細觀層面上為土力學試驗提供了一種新思路,揭示土的細觀損傷的擴展演化規律和機理,使土的細觀結構研究達到了定量階段,為建立土的損傷演化方程和本構模型提供了試驗基礎。

4 基于CT數的土體結構損傷演化分析

CT試驗表明,試驗過程中CT數的變化可反映土體結構損傷過程。因此,為將CT試驗結果應用于工程分析,相關學者提出了基于CT數不同形式的損傷變量。 楊更社、謝定義利用CT數的空間分布規律研究巖石的損傷演化情況,提出損傷變量D為

式中:ρ0為試樣的初始密度,E(ρ)為試樣某時刻的密度,m0為CT試驗機的空間分辨率。

任建喜等[5]引入了初始損傷影響因子和閉合影響系數,提出了分段損傷演化方程和本構方程:

式中:αe、αc分別為初始損傷影響因子和閉合影響因數；m0為CT機的空間分辨率；Hrm為某一應力階段的巖石CT數；Hrm0為巖石初始狀態的CT數。

由于巖土體是多種礦物組成的非均質體,其密度值并不一定與試驗獲得的CT數均值存在絕對的對應關系。為解決這一問題,仵彥卿、丁衛華等提出了關于密度損傷增量的概念,推導出了密度損傷增量ΔD與體應變εv的關系如下:

式中:ρ0、ρi分別為試件初始狀態和任意應力狀態時的密度；H0、Hi為某區域在初始狀態和任意應力狀態時的CT數。

陳正漢等[23]提出了裂紋損傷增量的概念,并推導出其與累計干縮體應變εs的關系式:

方祥位基于相應的CT數提出了Q2黃土的結構性參數m，并定義了結構演化變量D，分別為

式中,MEi和MEf分別為結構性相對完整的土體和剪切后完全調整的土體；m0為土樣初始狀態結構性參數。

5 結語

(1) CT技術將巖土體的細觀損傷結構可視化,并通過圖像分析進行量化,將細觀損傷與宏觀力學特性建立聯系,有效推動了巖土試驗的發展已成為研究巖土體內部細觀結構演化規律的一種有效手段,對巖土體損傷特性的研究起重要推動作用。

(2) 目前CT技術在巖土工程研究中的應用已經由研究較多的巖石、特殊土領域,擴展到粗粒料、普通黏性土、加筋土等巖土工程研究領域。

(3) 由于成像技術存在偽影無法消除的問題,對CT圖像的質量造成了一定影響,從而影響了描述巖石損傷特性的準確性。

(4) 隨著CT技術在巖土工程研究領域的廣泛應用,CT技術將向可模擬復雜應力路徑、工程環境的加載設備的研發以及CT數據的分析方法的研究等方向發展。

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Application of CT technology to geotechnical engineering

Li Xiaoning, Xiang Mingming, Zhu Baolong

(School of Civil Engineering and Architecture, Southwest University of Science and Technology, Mianyang 621010, China)

The application of CT technology to rock damage measurement becomes an important field of rock damage mechanics. Based on classification and summary of the domestic and foreign literature, the measurement principle,technical specifications and development of the CT machine are described. The application of CT technology to rock damage measurement,rock damage measurement in frozen and corrosion environment,soil structure,detecting concrete quality and other special engineering are reviewed. This article puts forward the main problems that need to be investigated in the future.

geotechnical engineering; CT technology; nondestructive examination; rock damage mechanics

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.020

2016-05-31

國家自然科學基金項目(51348003)；四川省科技支撐計劃項目(2015GZ0348)

李曉寧(1980—)，女，山西忻州，碩士，副教授，主要從事巖土體工程特性相關研究.

E-mail：swustlxn@126.com

TU452

A

1002-4956(2016)11-0080-04