CT掃描技術在我國土工試驗中的應用研究進展①

王艷麗，程展林

（長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，湖北 武漢 430010）

0 引言

土是由巖石經過風化后產生的松散物集合體，土體的宏觀工程性質受微細結構狀態和變化規律影響。土體微細結構的多樣性和易變性決定了土體工程性質在宏觀上的非連續性、不均勻性、各向異性和非確定性［1］。土體微細結構的變化規律及其對宏觀力學行為影響的研究是近年來巖土學術界和工程界的前沿課題，也是未來巖土工程研究的發展趨勢［2］。

土工試驗是認識土體材料特性和揭示土工問題的重要手段，傳統的土工試驗是建立在材料均質假設基礎上的宏觀應力和應變的測試。近年來許多學者開始重視土體的微細觀力學行為，認識到宏觀的變形破壞由微細結構變形的累積擴展而成，掌握微細結構變形破壞的規律可以為巖土工程出現的問題給出更科學的解釋。土體微細結構研究的試驗方法有多種，如壓汞法、氣體吸附法、X射線分析法、掃描電鏡法、計算機斷面成像技術（CT技術）等。其中CT技術因具有無損、動態、定量檢測且分層識別材料內部組成與結構信息、高分辨率數字圖像顯示等優點而倍受國內外工程領域及學術界的重視。近年來，CT技術在材料的無損檢測和內部結構及結構性演化方面取得了長足的進展，研究對象包括巖石、混凝土、瀝青、水泥、煤炭、黃土、膨脹土、凍土、粗粒土、紅黏土、根植土和加筋土等，研究方向涉及材料的細觀結構分析、物質的遷移和利用CT圖像建立巖土材料數值模型等方面。其中材料的細觀結構分析方面的成果較多，包括材料的初始結構觀測和單軸、三軸加載、凍融、流變、濕化和干濕循環過程中的細觀結構演化等。

本文首先介紹CT掃描技術的原理和特點及我國CT配套測試系統研發和購置情況，然后重點總結CT掃描技術在土工試驗中的應用情況，并對CT技術今后的發展方向進行展望。

1 CT掃描技術的原理和特點

CT是英文Computerized Tomography的簡稱，一般譯為“計算機斷面成像技術”或“計算機層面掃描技術”，是以計算機為基礎對被測體斷層中某種特性進行定量描述的專門技術。CT技術是利用X射線穿透物體斷面進行旋轉掃描，收集X射線經此層面不同物質衰減后的信息，進行放大和模數轉換后，由計算機在CT的探測空間范圍內與空間某點相關的各方向射線進行空間解算，得出與該點X射線吸收系數μ直接關聯的CT數 ，從而形成一幅物體層面的μ數字圖像［3］。物質密度與X射線吸收系數μ成反比，與CT數成正比。CT技術是分析土體的變形、裂隙擴展、液體的運輸能力和滲透性以及物理狀態的有力工具，并可無損、動態、定量地研究實驗過程中土體的細觀結構變化。

2 我國CT配套測試系統研發和購置情況

CT技術在國內巖土力學研究中的應用日臻廣泛與深入離不開巖土CT三維可視化系統的建立和完善。巖土CT三維可視化系統主要由3部分組成，包括CT掃描機、巖土專用加載設備和圖像處理系統。目前國內已有3家單位建立了巖土試驗CT工作站，最早的是中科院寒區旱區環境與工程研究所，他們于1990年引進美國GE8800型CT機，1998年引進德國西門子SOMATOM PLUS型CT機，并且研制了CT高壓三軸儀和CT溫控三軸儀，2010年又引進和開發了分辨率更高、測量更準確的荷蘭飛利浦多能量螺旋CT機和圖像處理工作站［4］。文獻［5］反映了圍繞該CT工作站的早期研究成果。后勤工程學院于2001年開發了與CT機配套的非飽和土三軸儀［6］，2004年開發了與CT機相匹配的專用三軸儀，2006年在陜西省漢中市建立了后勤工程學院（漢中）CT－三軸科研工作站。長江科學院于2008年建立了巖土試驗CT工作站，該工作站采用德國西門子Somatom Sensation 40型CT機，其主要特點是具備比較高的空間和時間分辨率，以及高質量的多維重建圖像，可以實現用三維的圖像來觀察三維的試件。在此基礎上開發了一系列與之配套的試驗設備，如：CT三軸儀、滲透儀、單軸壓縮儀等［3］。圖1是長江科學院巖土試驗CT工作站的照片。

圖1 長江科學院巖土試驗CT工作站Fig.1 Geotechnical test CT workstation of Yangtze River Scientific Research Institute

3 CT掃描技術在土工測試中的應用

沈珠江［7］指出：21世紀土力學的核心問題是土體結構性的力學數學模型。謝定義［8］認為“土結構性是決定各類土力學特性的一個最為根本的內在因素”。土體結構性研究已成為國內外土工界的研究熱點與前沿內容之一。CT技術的引入為巖土材料內部結構的無損實時監測和定量描述提供了可能。目前，國內外學者在利用CT技術觀測土體的初始結構與結構性演化方面開展了相關的研究，取得了一定的研究成果。

3.1 CT掃描技術在黃土研究中的應用

黃土是在半干旱氣候條件下形成的具有褐黃、灰黃或黃褐等顏色，并有針狀大孔、垂直節理的一種特殊性土，濕陷性是黃土的典型特點。在黃土的CT試驗研究方面，國內目前已有一定程度的研究。蒲毅彬等［9］通過對黃土在單軸、三軸、滲水及其綜合作用條件下進行的CT掃描和圖像分析，得到了隴東黃土濕陷過程的細觀結構變化規律。倪萬魁等［10］利用可同步進行CT掃描的三軸儀，對路基原狀黃土進行三軸剪切試驗，從CT數和CT圖像兩方面分析了不同受力過程中黃土細觀結構的變化，并對其機理進行解釋。王朝陽等［11］利用與CT機配套的專用加載設備，完成了在三軸壓縮荷載作用下黃土結構破壞全過程的細觀損傷擴展規律的實時CT檢測試驗，通過對試驗得到的CT數、CT圖像等試驗結果進行分析，得到了原狀黃土孔隙變化特性及原狀黃土的土體損傷擴展的初步規律。雷勝友等［12］進行了原狀黃土三軸剪切試驗過程中的CT掃描，結合CT數據與應力－應變曲線，利用損傷理論方法解釋土硬化屈服破壞過程，并提出了損傷應力和應變門檻值的確定方法，得出硬化屈服損傷過程中的損傷演化曲線和演化方程。朱元青等［13］開展了原狀Q3黃土在加載和濕陷過程中細觀結構動態演化的CT三軸試驗研究，確定了原狀濕陷性黃土的結構屈服應力，提出一個基于CT數均值的結構性參數，得到加載和濕陷過程中的結構損傷變量的演化規律，建立了結構損傷演化方程。

3.2 CT掃描技術在凍土研究中的應用

凍土是由土顆粒、未凍水、冰和氣體組成的復雜特殊土，在外部荷載或溫度梯度作用下其內部結構變化非常復雜。近年來CT掃描技術在凍土試驗中得到了較多的應用，包括蠕變、單軸和三軸壓縮、溫控三軸和動三軸試驗等。吳紫汪、馬巍等［14－15］利用CT技術觀測了凍土在單軸蠕變過程中的結構變化情況，認為凍土蠕變過程中所進行的微裂縫發育、顆粒集合體的破壞以及其他結構缺陷的增生與擴展，制約著凍土結構的強化與弱化作用，控制著蠕變過程中形態特征。劉增利等［16－17］對凍土單軸壓縮進行了CT動態測試，給出了凍土單軸壓縮過程中不同承載階段細觀結構損傷的演化特征；并采用凍土附加損傷的概念，給出了凍土在受載荷作用下產生的微裂紋與CT數之間的關系，凍土密度與CT數以及凍土內部損傷量與CT數間關系模型。孫星亮等［18］利用CT掃描技術對凍結粉質黏土在三軸剪切過程中結構損傷的變化進行動態觀測，分析了三軸剪切過程中的凍土細觀變形機理和結構損傷的演化機理。凌賢長等［19］基于對凍結哈爾濱粉質粘土動三軸試驗前后試件CT檢測結果，詳細研究了凍土的強度、微觀變形機制和結構損傷等變化特性及其與試驗的負溫和圍壓、土的含水量和容重、軸向荷載的振動頻率和振動次數等主要影響因素之間的關系。徐春華等［20］開展了不等幅值循環荷載下凍土殘余應變研究及其CT分析，根據凍土試樣震融沉前后CT測試數據及掃描圖像，定量地分析了土樣結構微裂紋發展、密度變化規律，并對凍土特有的震融沉形成機理給予解釋。鄭劍鋒等［21］利用兩種粉質黏土試樣分別以不同凍結方式進行凍結，并對試樣進行了無損CT掃描，通過凍結前后的實測CT數變化，得出軸向凍結方式對凍土試樣內部含水量的變化影響要小于徑向凍結方式。趙淑萍等［22］利用CT掃描系統配套使用的可控溫三軸試驗儀，對不同溫度條件下的凍結蘭州黃土進行了一系列的CT掃描試驗，研究了CT數的變化情況以及溫度對土體CT數的影響。

3.3 CT掃描技術在膨脹土研究中的應用

膨脹土是在自然地質過程中形成的一種多裂隙并具有顯著脹縮性質的地質體，是一種結構性明顯的特殊土，裂隙性是膨脹土的重要結構特性［23］。國內外學者利用CT技術對膨脹土裂隙性開展了大量研究。盧再華等［24］利用與CT機配套使用的非飽和土三軸儀，對非飽和原狀膨脹土在三軸剪切試驗過程中內部結構的變化進行了動態、定量和無損傷測量，得到了土樣內部損傷結構演化的清晰的CT圖像和相應的CT數據。盧再華等［25］對南陽重塑膨脹土在干濕循環過程中裂隙的演化進行了CT試驗研究，定義了基于CT數據的裂隙損傷變量，分析了裂隙損傷變量隨累計干縮體積變化的規律。汪時機等［26］以人工造孔的方式，對膨脹土試樣剪切全過程進行CT掃描，分析不同圍壓及吸力作用下造孔重塑膨脹土的宏細觀結構演化規律和不同破損程度的膨脹土強度及變形特性。胡波等［27］將計算機X射線斷層掃描技術引入裂隙面的強度試驗，通過測量裂隙面真實產狀，準確分析裂隙面上的破壞應力，提出了裂隙面強度參數的整理方法。

3.4 CT掃描技術在粗粒土研究中的應用

目前CT技術已成功用于粗粒土的組構研究，并取得了一定的研究進展。李文平等［28］用取自山東巨野礦區埋深近600m的深部砂土樣，在三軸試驗機上進行圍壓為12MPa的三軸卸載試驗，同時用CT裝置探測試樣在試驗全過程中內部結構變化，分析了深部砂土在高壓卸載條件變形和破壞結構性變化本質的特點。程展林等［29］采用自主研制CT三軸儀開展了一系列粗粒土應變式三軸試驗，實現了粗粒土受力過程中對試樣內部結構動態變化的實時檢測。針對CT三軸試驗得到的CT圖像，利用自行開發的“計算機圖像測量分析系統”對不同宏觀應變狀態下的顆粒位置及其變位進行量測，獲得三軸剪切過程中粗粒土顆粒的運動規律，實現了由三軸試驗的CT圖像取得粗粒土組構信息的研究方法，為粗粒土組構研究奠定了基礎。隨后他們又以某工程灰黑色千枚巖碎屑土為研究對象，開展了一系列礫石土應變式CT三軸試驗，通過對特征區域CT數平均值和CT標準差的統計分析，獲得了礫石土試樣在剪切過程中剪切帶的產生與擴展機制。左永振等［30］將CT技術應用到礫石土浸潤試驗，得到的CT圖片可以準確描述得到浸潤峰的位置，從CT浸潤圖片可以看出，浸潤線分層比較明顯，同時出現階梯狀浸潤峰，這是毛細作用在浸潤峰發展過程中引發的現象。姜景山，程展林等［31］開展了粗粒土CT三軸濕化變形試驗，研究粗粒土濕化變形過程中顆粒運動規律，并對粗粒土的細觀變形機理進行了初步探討。姜景山，程展林等［32］通過單級配礬石CT三軸流變試驗，研究粗粒土流變過程中顆粒運動規律，初步探討了粗粒土的流變機制。

3.5 CT掃描技術在其他土體研究中的應用

目前，CT掃描技術在土工測試研究中的應用主要集中于黃土、膨脹土、凍土和粗粒土等特殊土，在其他土類中也有相關研究，如紅黏土和根植土等。黃質宏等［33］采用CT技術研究了三軸應力條件下紅黏土的力學特性，并從細觀的角度分析了紅黏土在受到三向應力作用后土體內部結構、孔隙的變化、裂隙擴展等規律，獲得CT圖像、CT數與應力－應變的關系。周云艷等［34］利用長江科學院研制的CT三軸儀，分別對素土樣和含根土樣進行不固結不排水的CT實時三軸剪切試驗，并通過對含根土樣和素土樣受壓過程的CT演化圖片和斷面上統計的裂縫數據信息進行比較分析，對比說明了素土和含根土樣中裂紋擴展以及試樣破壞過程的差異，揭示了根系固土的細觀力學特征。

4 結語

CT掃描技術為土工試驗過程的無損實時監測和內部結構的定量描述提供了一種有效手段，研究對象由黃土、膨脹土、凍土、粗粒土等特殊土向一般性土轉變，研究對象向多樣化發展。研究方向主要集中在土體的細觀結構演化，且多數成果還僅僅是利用直觀的CT圖像和CT數的大小及其分布規律來對土體的細觀結構及其變形和力學機理進行分析和評價，亟需開發相應的數字圖像處理程序來定量描述土體細觀結構的演化規律。同時通過CT細觀結構圖像來建立土體數值模型的研究是未來研究的重要發展方向。另外，CT專用加載設備的研制方面也取得了較大進步，加載設備主要有單軸、三軸壓縮儀，溫控三軸儀，非飽和三軸儀，使土體細觀結構測試由試驗前后發展到試驗過程中的研究，然而土體的加載方式大多局限在靜力加載的范疇，無法實現動力加載過程中土樣的細觀結構觀測，因此開發研制動態試驗CT掃描設備以實現動力加載過程中土樣的細觀結構觀測是今后的重要研究方向。

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