基于CT技术的砾石土浸润试验研究

左永振，程展林，丁红顺

（长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010）

基于CT技术的砾石土浸润试验研究

左永振，程展林，丁红顺

（长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010）

砾石土浸润峰位置对土石坝设计和安全运行有重要作用，但以前的技术手段不能进行试验验证。CT技术作为目前最先进的无损探测技术，在岩土力学试验中具有得天独厚的优势。将CT技术应用到砾石土浸润试验方面，得到的CT图片清晰可靠，可以准确地得到浸润峰的位置，因此是一种行之有效的方法。从CT浸润图片可以看出，浸润线分层比较明显，同时出现阶梯状浸润峰，这是毛细作用在浸润峰的发展过程中引起的现象。

CT技术；砾石土；浸润试验

1 概 述

在土石坝设计和运行中，准确地确定浸润面的位置至关重要。浸润面位置可以用于对坝体进行稳定性分析［1］；也可以用于反演非饱和土导水系数与含水率之间的关系，确定非饱和土导水系数与饱和度关系的模型参数。目前对于确定浸润面的位置，通常是采用数值模拟和解析解，然后根据经验粗略确定。限于试验技术手段，还没有学者对砾石土浸润进行试验研究。

1972年英国EMI公司首先制成由工程师G.N.Hounsfiel设计的第一台CT扫描机［2］，CT技术作为一项高精度的成像技术，已在医学上广泛用于对人体各种病理的透视检查。CT技术因具有无损、动态、定量检测且分层识别材料内部组成与结构信息变化、高分辨率数字图像显示等优点而倍受国内外工程领域及学术界的重视。国外已成功将CT技术运用于岩土工程领域，并取得了显著成果。国内对岩土体CT方面的研究始于20世纪90年代初期。目前，CT技术在岩土力学研究中的应用日臻广泛与深入，尤其是在岩土的结构及变形考察方面取得了许多长足的进展，并获得不少有益成果［3－7］。

长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室经过近3年的探索，引进西门子Sensation40层医用CT机，自主开发研制了系列适合CT试验的仪器，建设完成了岩土试验可视化系统，在粗粒料组构分析研究、膨胀土干湿循环裂隙发育研究、砾石土浸润试验研究、岩石样裂隙发育、粘性土水力劈裂等方面，均做了有益的尝试。现就笔者进行的利用CT技术开展的砾石土浸润试验综述分析。

2 CT扫描的检测原理

CT技术是利用x射线穿透物体断面进行旋转扫描，收集x射线经此层面不同物质衰减后的信息，进行放大和模数转换后，由计算机在CT的探测空间范围内，与空间某点相关的各个方向射线进行空间解算，得出与该点x射线吸收系数μ直接关联的数值CT，从而形成一幅物体层面的μ数字图像。物质的密度越大，CT数值越大。由于监测过程不破坏样品的整体性，整个试验过程可以多次对样品的不同层面重复监测、记录，进行图像分析和处理，也可以保存并与其它试验方法进行对比分析。因此，用此方法进行岩土材料的结构分析具有相当的优势。

图1是水利部岩土力学与工程重点实验室建设完成的岩土力学CT可视化系统。

3 试验设备、用料与试验方法

3.1 试验设备

试验仪器采用水平浸润仪，见图2。试验仪器为有机玻璃制造，在侧部加水，并保持常水头。试样尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的方块样。

为了后文描述方便，将试验仪器做三维示意，见图3（a）所示。图中阴影部分是试样，体BJ和体NG是2个空腔体，在体BJ内充水，在体NG监测浸润出水情况。图3（b）中按照装样层将试样分为层（1）、层（2）、层（3）、层（4），各层高度均为37.5 mm。

图2 水平浸润仪Fig.2 The horizontal infiltration Instrum ent

图3 水平浸润仪示意图Fig.3 The sketch of horizontal infiltration Instrument

3.2 试验材料

试验材料选取大渡河长河坝水电站心墙坝砾石土料，试验级配见图4。

砾石土的最大干密度为2.11 g／cm3，最优含水量为8.5%，试样的制样干密度为1.86 g／cm3，试验含水率为最优含水率。

3.3 试验方法

对浸润样，分4层进行填装，总高度控制为15 cm。浸润试验时在体BJ内加水，水高85 mm，并保持常水头，见图3（b），从侧部MJ对试样进行浸润，浸润方向从加水侧面MJ向另外一个侧面NK水平发展。当另一侧部NK出水时，认为浸润过程结束，浸润试验完成。

图4 砾石土试验级配Fig.4 Gradation curve of gravel soil test

4 浸润试验成果

图5是利用CT技术得到的浸润过程中的不同时刻的CT切片，切片位置为y＝75 mm平面，左右2幅图片是同一个断面2种显示方法。图5（a）是浸润初始时刻的图片；图5（b）至图5（g）是不同时刻的浸润峰位置。通过图5的图片可以看出，浸润峰位置清晰可见，利用CT技术监测浸润峰的发展是行之有效的方法。

为了得知浸润过程中浸润峰发展形式，对图5（d）浸润时间为276 min的试样进行切片，切片位置为平行于xy底面的不同高度的水平面，得到的CT切片见图6。图6（a）的切片高度z＝2.76 cm，位于层（1）；图6（b）的切片高度z＝6.46 cm，位于层（2）；图6（c）的切片高度z＝9.09 cm，位于层（3）。

5 试验成果分析

从CT浸润图片5中可以看出，浸润线分层比较明显，同时出现阶梯状浸润峰，这是毛细作用在浸润峰的发展过程中引起的现象。

浸润开始时候发展较快的位置是各分层接触面，这与试样制备条件有关，因为试样是分层击实制备。由于边壁摩擦阻力和击实功能传递原因，导致同一层试样的底部较顶部疏松，在初始浸润时候，自由水首先浸润到水头下的相对疏松位置。随着浸润的发展，进入土体的自由水与土料接触时，由于静电作用，自由水逐渐转变为表面结合水。表面结合水的特点是密度较大、粘滞度高、流动性差，因此浸润峰的发展将逐渐变缓。此后，毛细作用将占浸润峰发展的主要部分，土体压实紧密的位置，浸润峰将首先到达，而土体压实疏松的位置，浸润峰将迟后到达，使浸润峰出现明显的阶梯状。在浸润后期，由于毛细作用，试验水头上部的试验也浸润饱和。

图5 浸润试验CT切片Fig.5 Slice of CT on infiltration test sam ple

对照图5中不同时刻的CT切片，可以计算砾石土浸润峰发展速率。假定左下角为坐标原点。图7是估算的浸润样层（1）的浸润峰与时间关系曲线。

通过图7可以看出，起始时刻的浸润峰发展较迅速，随着时间的推移，浸润峰发展速率逐渐降低，表现在浸润峰发展位置与时间关系曲线上，即为浸润前期的曲线较陡，后期的曲线逐渐平缓至水平方向。

图6是同一时刻不同高度下的CT切片，可以看出，在试样浸润过程中，底部的浸润峰明显快于顶部，而浸润水头只有试样高度的一半，出现这样的试验现象，是低水压力对浸润峰发展的影响，还是毛细作用的影响，需要做进一步的试验研究。另外，从单一CT图片看，浸润峰的形态呈现凹型，同一时间同一高度下的中间部位的浸润峰迟于两侧位置，这估计和试样边壁处理有关，仍需要试验验证。

图7 浸润峰位置与时间关系曲线Fig.7 The curve of infiltration location vs time

图6 浸润试验CT切片Fig.6 Slice of CT on infiltration test sam ple

6 结 语

本文重点介绍了将CT技术应用到砾石土浸润试验研究取得的成果，旨在说明这是一种行之有效的研究方法，试验密度、浸润水头、试验尺寸等对浸润峰发展的影响，将另文介绍。

由本次砾石土浸润试验的CT图片可以看出：

（1）CT图片清晰可靠，结合自行开发的软件，可以较准确地得到浸润峰的位置。

（2）浸润线分层比较明显，同时出现阶梯状浸润峰，这是毛细作用在浸润峰发展过程中引起的现象。

（3）浸润峰在起始时刻发展较迅速，随着时间的推移，浸润峰发展速率逐渐降低。

（4）同一时刻不同高度的条件下，试样底部的浸润峰快于试样顶部，其影响因素需要作进一步的试验研究。

［1］ 唐晓松，郑颖人，林成功.浸润面位置的确定方法对涉水边坡稳定性分析的影响［J］.岩石力学与工程学报，2008，27（增刊）：2814－2819.（TANG Xiao-song，ZHENG Ying-ren，LIN Cheng-gong.Influence of Ap-proach on Locating Phreatic Surface Hydrous Slope Stabil-ity Analysis［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27（s）：2814－2819.（in Chinese））

［2］ HOUNSFIELD G N.Computerized Transverse Axial Scanning（Tomography）［J］.British Journal of Radiolo-gy，1973，46：1016－1022.

［3］ 程展林，丁红顺，吴良平.粗粒土试验研究［J］.岩土工程学报，2007，27（8）：1151－1158.（CHENG Zhan-lin，DING Hong-shun，WU Liang-pin.Experimental Study on Mechanical Behaviour of Granular Material［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2007，27（8）：1151－1158.（in Chinese））

［4］ 孙 红，葛修润，牛富俊，等.上海粉质粘土的三轴CT实时细观试验［J］.岩石力学与工程学报，2005，24（24）：4559－4564.（SUN Hong，GE Xiu-run，NIU Fu-jun，et al.Real Time CTMeso-Testing on Shanghai Silty Clay Subjected to Triaxial Loading［J］.Chinese journalof Rock Mechanics and Engineering，2005，24（24）：4559－4564.（in Chinese））

［5］ 施 斌，姜洪涛.在外力作用下土体内部裂隙发育过程的CT研究［J］.岩土工程学报，2000，22（5）：537－541.（SHIBin，JIANG Hong-tao.A Study on the Devel-opment of Failures Inside Soil under the External Force Using CT Technique［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2000，22（5）：537－541.（in Chinese））

［6］ 卢再华，陈正汉，蒲毅彬.膨胀土干湿循环胀缩裂隙演化的CT试验研究［J］.岩土力学，2002，23（4）：417－422.（A CT Study on the Crack Evolution of Expansive Soil During Drying and Wetting Cycles［J］.Rock and Soil Mechanics，2002，23（4）：417－422.（in Chinese））

［7］ 程展林，吴良平，丁红顺.粗粒土组构之颗粒运动研究［J］.岩土力学，2007，28（增刊1）：29－33.（CHENG Zhan-lin，WU Liang-ping，DING Hong-shun.Research on Movement of Particle of Fabric of Granular Material［J］.Rock and Soil Mechanics，2007，28（S1）：29－33.（in Chinese） ）

（编辑：王 慰）

Gravel Soil Infiltration Study Based on CT Technology

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

The position of gravel soil infiltration peaks plays an important role to the design and safe operation of dam，but it can not be experimentally verified by the previous techniques.CT technology，as the most advanced non-destructive detection technology，has a unique advantage in the rock mechanics experiments.CT technology was applied to the gravel soil infiltration tests，the obtained CT images are clear and reliable.It can accurately indi-cate the position of infiltration peak，therefore，it’s an effective approach.From the CT infiltration imageswe can see themore obvious stratification line，meanwhile peak appears ladder-like，which is the phenomenon caused by capillarity in the development process of the infiltration peak invasion.

CT technology；gravel soil；infiltration test

TV641.2

A

1001－5485（2011）02－0028－04

2010-03-18

国家自然科学基金委员会、二滩水电开发有限责任公司雅砻江水电开发联合研究基金项目（50639050）

左永振（1980-），男，山东临沂人，助理工程师，主要从事粗粒土力学性质研究，（电话）027-82820026（电子信箱）zuoyongzh＠163.com。