花崗巖殘積土顆粒及水分形態三維微觀結構

李中森，湯連生，桑海濤

(中山大學地球科學與工程學院，廣東 廣州 510275)

花崗巖殘積土顆粒及水分形態三維微觀結構

李中森，湯連生，桑海濤

(中山大學地球科學與工程學院，廣東 廣州 510275)

采用高分辨率X射線計算機斷層掃描技術(X-ray μ-CT)對花崗巖殘積土三維微觀結構進行重構并在以下方面取得新進展：① 通過在試樣液相中添加顯影物質(CsCl)，成功獲取土中水分形態及空間分布；② 利用X射線在不同物質中的衰減率差異，進一步區分固體顆粒中高嶺石與石英并確定各自空間分布；③ 通過三維重構圖像，對顆?？臻g接觸關系進行初步概化與分類，同時對X射線計算機斷層掃描技術在非飽和土力學中的進一步應用做了前瞻。這些初步探索將有助于對土體三維真實結構的全面認識，促進計算機斷層掃描技術在巖土/地質工程領域的新開拓。

花崗巖殘積土；計算機斷層掃描；三維微觀結構重構；水分形態；顆粒接觸關系

土體，作為人類活動的載體，是現代文明發展的重要“基石”。在對土體的利用與改造過程中，人類積累了豐富的實踐經驗，例如，對土體的夯實可以在一定程度上防止路基邊坡失穩[1]、對土體成分的改良可以促進農作物的健康生長[2]等，而土對人類發展的影響也已滲透到各個重要學科，包括地球科學、農業工程學、石油科學、巖土與地質工程等。

在巖土/地質工程領域，土體通常作為受荷單元，其應力、應變關系受到了極大關注，作為土體體變特性的本質因素，其內部微觀結構的變化則是這一領域的研究重點。在過去近50年歷史中，對土體微觀結構的研究主要采用掃描電鏡[3-6]和壓汞試驗[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相對含量。盡管，二者結合使用可以定性、定量耦合地分析土體微觀結構，但是，上述方法仍具有一些無法避免的缺陷：1)試樣須干燥脫水，對土體結構產生擾動甚至破壞；2) 實驗結果只能獲取二維圖像，無法表征土顆?？臻g接觸關系；3)難以識別試樣中不同礦物成分。

近年來，科學技術的日新月異極大地促進了測試方法的進步。始于 20 世紀 80 年代初的計算機斷層掃描(micro-computed tomography)技術先后在醫學、生物、材料、地球科學等領域得以廣泛應用，為材料微觀結構的無損檢測提供了極為有效的手段[11]；如今，這一進展引起了巖土與地質工程學者們的關注并逐漸將它應用于土力學學科的相關研究[12-14]。相比于土力學中常見的壓汞、掃描電鏡法，計算機斷層掃描技術不僅可以重構土體真實三維結構，還可進一步分析土體微觀顆粒空間接觸關系及孔隙變化情況等[15-18]，能夠同時從“量”和“質”兩方面對土體微觀結構進行深入研究，而這正是眾多巖土與地質工作者期盼已久的想法。

本文通過室內試驗、以廣州地鐵21號線路基土為例，應用計算機斷層掃描技術對工程實際中的花崗巖殘積土三維微觀結構進行了重構和表征，在以下方面取得了進展：

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

根據不同礦物成分對X光譜的吸收差異，較好地區分土顆粒中二氧化硅與高嶺石；

結合三維重構圖像，對土顆粒空間接觸關系進行初步概化與分類。

1 材料與方法

本次實驗土樣(約500 kg)取自廣州地鐵21號線位于增城市燕崗橋附近的一處裸露邊坡，作為華南地區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。

試樣在運往實驗室之后，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，這些細小顆粒大部分為高嶺石粘土礦物，CT掃描精度難以準確地觀測其空間結構，因此，原狀土在烘干之后先后通過1、0.5 mm鐵篩，取直徑0.5～1 mm細土粒作為本次試驗的土顆粒。如圖1陰影部分所示，相比于原狀土，本次試驗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較小，可以初步認為試驗的土樣具有較好代表性、能夠反應原狀土的重要結構特征。

圖1 原狀土顆粒級配曲線及本次試驗選取土顆粒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質量分數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48 h，使其內部水分均勻分布。隨后，將土樣置于直徑約為12 mm的剛性塑料管內并施加100 kPa軸向荷載壓實，壓實之后將試樣取出并利用膠帶對其進行仔細密封以防止在實驗過程中水分因吸收X射線能量而發生蒸發，圖2a為本次實驗制備土樣外觀圖片。

土樣制備完成之后，將其轉移至X射線顯微鏡物品臺并固定，本次實驗采用上海光源BL13W1線站X射線三維顯微鏡，其主要設備組成如圖2b所示，關于該線站詳細介紹及工作原理見文獻[19]。待試樣安裝就緒，設置X射線能量、完成中心軸矯正等基本步驟之后即可進行掃描，土樣在旋轉180°過程中，每隔0.25°掃描一張，每個土樣將得到720張如圖2c所示的投影圖。隨后，將試驗獲得數據帶回并進行如下處理：① 利用PETRE軟件對投影圖進行相位恢復并獲得包含灰度信息的重建切片；② 利用Avizo Fire 8.0軟件對上述重建切片進行初步切割、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構。

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 試驗結果

2.1 三維結構重構

圖3a為試樣經過相位恢復后所構建的切片圖，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成分時的能量衰減率，其中，黑暗區域表示X射線穿透物質時能量衰減較少，一般對應原子序數或者密度較小的物質，如空氣、水等；相反，明亮區域表示X射線能量衰減程度較高，對應原子序數或者密度較大物質。表1為本次土樣中主要物質成分對X射線的線性衰減系數(μ)，表中信息顯示在10～50 keV的能量范圍內，X射線在水、空氣中的衰減系數極為相近，較難通過切片圖像中的灰度信息直接進行區分；因此，本次實驗通過在水中添加顯影物質CsCl，顯著增加X射線在水中的衰減系數，從而有利于在重建切片圖像中更加清晰地區分水、空氣和固體顆粒。

圖3b為經過閾值處理的切片圖，根據圖3a中的灰度信息并結合表1中X射線在不同物質成分中的穿透率并利用Avizo軟件設置不同物質成分之間的灰度閾值，可以對試樣中主要物質成分進行區分。對比圖3a、3b，盡管此方法會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成分的平面分布，這也是進一步獲取不同物質三維空間分布的基礎。

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

物質成分成分化學式密度/(g·cm-3)X射線衰減系數/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CsI的X射線吸收系數及相對分子質量進行估算，μ(CsCl) =[μ(CsI)×168]/ 260

圖4為試樣三維微觀結構重構圖，根據上述步驟中獲取的、經過閾值處理的切片圖(約720張)，利用Avizo軟件進行三維重構。如圖所示，4a為試樣整體三維結構圖，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。根據圖4中不同物質在空間的像元大小可計算各礦物成分所占體積分數，結合各自密度可進一步計算其質量分數。試驗結果表明，利用三維圖像處理(灰度識別)所獲得的質量含水率為21.80%，與試樣初始含水率20%相比，相對誤差為1.80%，其主要原因來自于計算機在利用灰度值對不同礦物成分進行自動識別時存在一定誤差，目前，利用顯微CT技術對多孔介質中不同礦物成分進行精確區分、量化仍需進一步深入研究和改進。

需要說明的是，本次試驗試樣初始含水量相對較高且水分主要以粒間自由水形式存在，這導致圖4b、4e中水分與顆粒的三維重構圖像存在一定的相似性。為了較好地區分三維重構圖像中土顆粒與水分形態三維微觀結構的差異，我們從試樣中提取邊長為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分石英顆粒、水分，這為土顆粒各物質成分量化、大小統計提供了條件。

2.2 顆粒大小統計

為了對三維圖像處理所得到的石英顆粒大小與實際情況進行對比，我們從重構圖像中選取了另一單元體(圖6a)，提取試樣內部石英顆粒，利用計算機軟件對每一顆粒進行顏色標記并按順序編號(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行統計、對比(圖6c)。試驗結果表明，相比于實際情況(土顆粒直徑介于0.5～1 mm)，利用圖像識別技術獲得的顆粒大小與實際情況存在較大誤差： 在試樣總計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構重構及各物質成分空間分布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三維微觀結構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 在進行顆粒標記時，計算機難以精確識別相互接觸的顆粒，軟件通常將緊密接觸的兩個甚至多個顆粒識別為單一顆粒，從而導致部分通過軟件識別的顆粒粒徑大于正常值；② 在制備壓實試樣時，軸向荷載會使部分顆粒破裂，導致粒徑小于0.5 mm。

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

2.3 顆粒接觸關系概化

作為多孔、離散介質，土顆粒的相互接觸關系是研究其力學行為的重要手段，在以往關于土顆粒接觸關系的概化、分類中，一般基于二維平面圖像將土體大致分為層絮狀和發散狀結構[20-21]，而實際情況下，土顆粒的相互接觸關系遠復雜于此，因此有必要結合理論概化與實際三維微觀結構對土顆?？臻g接觸關系進行劃分。

圖7a為土顆?？臻g接觸關系的10種常見概化模型，本次試驗選取土樣為經過篩分、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，顆粒接觸關系還涉及到面-面、面-球、面-棱等形式。圖7b為土顆粒三維重構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，本文中顆粒接觸關系的概化是針對于廣州地區花崗巖殘積土結構而進行的初步劃分，當涉及到其它土質(如我國西北地區黃土、華東地區膨脹土)，其顆?？臻g接觸關系的概化形式將更加豐富，具體可見文獻[19]；此外，文中的顆粒接觸關系是通過人工識別的，效率較低、主觀因素影響較大，在將來大規模土顆粒接觸關系判定中，需要尋找合適的計算方法、借助大型計算機自動確定土顆粒之間非常復雜的空間接觸關系。

圖7 土顆?？臻g結構接觸關系概化(a)及其與三維重構圖像關系(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/地質工程領域，對土體真實三維結構的認識仍處于起步階段，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，具有較大理論與現實意義：① 水分形態的精確表征可以確定試樣液體收縮膜曲率半徑，利用Jurin-Laplace方程可進一步分析土中吸力的大小與格局；② 根據不同物質成分對X射線能量吸收率的差異，可以無損檢測土樣中主要物質成分，為定性、定量分析提供輔助手段；③ 結合不同水力、力學荷載條件，可建立“力-時間-空間三維結構”的五維數字體系，為復雜力學、工程問題的分析提供有效方法。

盡管如此，計算機斷層掃描技術在巖土/地質工程學科的應用仍存在一些問題和需要改進的地方，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題是制約計算機斷層掃描技術進一步發展的重要因素；② 精度，目前實驗室條件下能夠對微米級顆粒進行三維表征，然而，對于粘性土壤，需要發展精度為納米級的X射線顯微鏡才足以滿足對粘粒微觀結構的分析需求；③ 力學加載，實際條件下土體顆粒往往受到各類荷載，因此，理論上需要將X射線顯微鏡與力學加載系統相互結合以模擬自然或者工程條件下土體的受荷情況；④顆粒空間接觸關系識別，目前，顆粒接觸關系的識別主要依靠人工判斷，具有較大主觀性且誤差較大，因此，有必要根據土顆粒的空間幾何坐標、利用計算機自動識別并判定不同接觸關系。

4 結 論

通過在試樣液相中添加顯影物質(CsCl)，利用計算機斷層掃描技術成功獲得水分三維空間形態與分布；根據X射線在不同物質成分的穿透率，可進一步區分固體顆粒中高嶺石與二氧化硅成分；結合電鏡掃描圖像，對土顆?？臻g接觸關系進行概化；同時，對計算機斷層掃描技術在巖土/地質工程的進一步應用做了前瞻、對存在的問題做了總結。這些初步探索將有助于對土體三維真實結構的全面認識，促進計算機斷層掃描技術在巖土/地質工程領域的新開拓。

致謝:澳大利亞聯邦科學與工業研究組織CHEN Miao教授對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三維圖像重構分析做了大量工作；上海光源BL13W1線站付亞楠博士對本文實驗提供了技術指導。

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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

國家自然科學基金(41572277)；廣東省自然科學基金(2015A030313118，2017A030310426)

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

湯連生(1963年生)，男；研究方向巖土力學；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