CT技术在岩土工程研究中的应用

李晓宁， 向铭铭， 朱宝龙

(西南科技大学 土木工程与建筑学院, 四川 绵阳 621010)



CT技术在岩土工程研究中的应用

李晓宁， 向铭铭， 朱宝龙

(西南科技大学 土木工程与建筑学院, 四川 绵阳 621010)

利用CT技术进行岩土体损伤特性的研究是当前岩土工程的重要研究方向之一。介绍了CT技术的技术优势、发展现状、检测原理，简述了CT技术在岩石常规加载下对损伤特性、特殊环境下岩石结构细观损伤特性以及土体结构性等岩土工程研究中的应用现状,并提出该领域研究面临的主要问题。

岩土工程； CT技术； 无损检测； 损伤力学

1 CT技术

1.1 CT技术的优势与发展

CT技术作为一种细观力学实验手段,在物质内部结构检测方面可实现实时、无损检测,检测结果可为细观损伤模型的研究提供可靠的图形基础。利用该技术进行岩土体裂纹演化过程的观察和描述,提高了岩石室内力学试验的价值,对建立岩土体损伤本构关系具有重要意义。

与常规的岩土室内细观检测手段SEM(扫描电子显微镜)、AE(声发射)相比,CT技术的主要技术优势在于:

(1) 在裂纹观测方面,CT技术将细观损伤可视化,可实时观测到常规SEM尺度和肉眼可见的宏观裂纹之间的区间。

(2) 裂纹扩展直接与试件的宏观应力应变曲线相联系。CT技术可实现在任意应力阶段观测内部任意部位细观结构，可分别实现同一应力阶段不同断面以及同一断面不同应力阶段的CT图像的组合,为细观损伤的研究提供可靠的图形基础。

(3) CT技术通过密度损伤增量可以将细观结构演化引起的损伤定量化,而AE技术由于频率、振幅等指标与岩石裂纹参数难以建立定量联系,目前对损伤定量化问题的处理尚有困难。

CT 技术的发展主要在于扫描部位及扫描对象的延伸。随着 CT 技术和各专业学科的发展需要,该技术在冻土、冰、岩石和各类复合材料的检测分析领域得以应用。上世纪80年代, Teda等首次将医用CT 装置应用于岩石损伤特性的研究中,证明CT技术在检测岩石内部裂纹结构方面优势明显。国内,于上世纪90年代中后期将CT技术应用于岩土工程研究中。中科院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室葛修润院士等自行设计、研制成功了与医用CT配套的专用实时力学加载试验装置,可进行不卸载扫描,实现了岩石受载过程中的无损、多层面的实时扫描,克服了该方法在卸载后微小裂纹闭合、重新扫描定位等方面存在的问题,开创了我国岩土体破裂过程CT实时扫描试验的先河。此后,基于室内岩土材料试件CT扫描试验的一系列研究相继开展。

目前, CT技术在岩土工程研究中的应用日益深入并取得许多成果,但相关成果总结很少。本文在对国内外相关文献进行分类、归纳和总结的基础上,阐述了CT技术的定义与原理；分析了CT技术在岩石常规工程环境下以及在寒区、腐蚀性等特殊环境下岩石细观结构损伤特性研究、土体结构性研究、混凝土质量检测等岩土工程相关领域研究中的应用现状和存在的问题。

1.2 CT技术的工作原理

CT扫描设备主要由X射线源和探测器组成(见图1),CT技术的基本原理是由物体对于X射线的衰减系数来体现物体的密度。利用X射线管发射出的X射线穿透待测物体截面,通过探测器收集并测定经过某个层截面衰减后的X射线量,根据所获得的X射线量的投影数据,运用数学方法,通过计算机处理,重建特定层面上的CT图像。

图1 CT工作原理流程图

2 CT技术在岩石细观损伤特性研究中的应用

2.1 常规加载卸载条件下的CT损伤检测及分析

岩石材料内部缺陷(损伤),主要是细观尺度上的各种微孔洞、孔隙以及微裂纹。在损伤力学的研究中,岩体损伤破坏本质上是由于外部作用的影响而导致内部微裂纹、微孔隙的扩展演化,从而导致力学性能劣化。因此,细观层面上损伤力学的关键在于对材料细观损伤的识别。CT技术的应用,实现了岩石内部结构和裂纹演化过程的观察，为岩土体破坏机理的研究提供可靠的试验手段,有效推动了岩石损伤扩展和破坏的本质特性的研究。国内外学者所做的代表性工作有: Martin R J.等[1]利用CT技术,得到了岩石微观结构与其强度特性、弹性模量之间的关系。Kawakata等[2]基于CT数重建了岩石三维 CT 图像,获得了岩石内部裂纹的发展形态和空间分布特征；Ruiz de Argandona V. G.等[3]在 CT 扫描试验的基础上,重建了岩石的三维孔隙结构图像,揭示了岩石内部孔隙分布特征；葛修润等[4-5]进行了煤岩、裂隙岩体等试件在各种荷载条件下的单轴与三轴CT实时扫描试验,获得了单轴、三轴压缩条件下岩体内部微微裂纹萌生到试样破坏、卸载全过程的CT图像,在细观尺度上证实了岩石疲劳破坏的门槛值；杨更社[6]、丁卫华等[7-8]、党发宁[9]等利用CT技术,针对不同类型岩石的破损机制,对初始细观损伤特性、裂纹演化、扩展进行了CT实时动态观测；简浩等[10]进行了单轴压缩荷载作用下的含单裂纹岩样的CT 扫描试验,观测到了岩样从压密、裂纹产生、扩展到破坏的损伤破坏全过程,从细观、三维空间尺度上研究了节理岩石的损伤演化规律；刘京红等[11]利用CT扫描试验,揭示了岩石内部孔洞及裂纹区域的大小分布随应力的变化过程。

在CT扫描的基础上,基于CT图像、CT数定义内部损伤方面的研究成果,推动了岩石损伤定量化的研究。杨更社等[6]对单轴受力状态下的损伤扩展进行了CT定量分析和本构关系的建立，对岩石的初始损伤进行了研究,并引入了初始损伤影响因子,定义了基于CT数表示的岩石损伤变量公式,并探讨了单轴压缩作用下砂岩的损伤扩展机理。丁卫华、仵彦卿等[7-8]提出了密度损伤增量新概念,推导出了CT数与密度损伤增量的定量关系,分析了岩石细观损伤演化过程和机理。党发宁等[9]依据集合论和测度论,提出了岩土介质空间某一点的完整度、破损度的概念,定义了基于CT数表示的破损产生的位置和破损判定依据。陈蕴生等[12]基于CT图像的灰度值均值以及灰度分布特点随着应力的变化规律,揭示了岩样细观损伤演化机理。

综上所述,CT实时扫描技术作为一种动态无损伤检测技术,近年来主要应用于岩石细观损伤演化特性的试验研究,是揭示岩石破裂过程中内部或表面损伤演化规律的一种有效手段。利用CT技术,研究者在配套加载设备的研发、加载条件多样化、岩石损伤实时检测、损伤演化规律及三维图像重建、裂隙宽度的定量分析、损伤变量分析等方面取得了一系列进展。研究成果对于建立正确的损伤演化方程和岩石介质宏观本构关系具有重要意义,有效推动了细观力学的发展。

2.2 特殊环境岩石细观损伤检测及分析

随着工程活动范围的扩大,工程环境越来越复杂,如高海拔寒区工程建设遇到冻结土、岩石问题。由于强流变性的冰相的存在,在外荷载及温度作用下,冻土和冻结岩石内部结构变化非常复杂,CT技术的应用为进行冻结土、冻结岩石物理性质变化过程的动态监测及破坏机理的细观研究提供了一种新的途径。

杨更社等[13]利用CT 扫描技术进行了冻结岩石的试验,获得了冻融循环条件下岩石的损伤扩展特性。刘增利等[14]进行了冻结黄土在单轴压缩下的动态CT扫描试验,对冻土的损伤进行识别,并基于连续介质力学和热学的方法,建立了单轴压缩作用下的冻土的细观损伤本构模型。郑剑锋等[15]对以不同冻结方式冻结的两种粉质黏土试样CT扫描,通过冻结前后的实测CT数的分析,讨论了轴向冻结方式与径向冻结方式对冻土试样内部含水量的变化影响。赵淑萍等[16]利用改进后的与CT试验机配套使用的三轴试验仪,对不同温度条件下的冻结黄土的单轴压缩过程进行了CT动态扫描,获得了冻结重塑兰州黄土的损伤演化规律和损伤耗散势函数。孙星亮等[17]进行了冻结粉质黏土在三轴剪切过程中CT试验,得到冻土受载前的初始缺陷。李洪升等[18]推导出了基于冻土附加损伤概念的冻土在受载荷作用下产生的微裂纹、冻土密度、冻土内部损伤量与CT数之间的关系模型。以上研究对于认识高海拔及寒区岩土体冻融破坏过程具有重要意义。

除了寒区冻融环境外,受污染的地下水、酸雨等化学腐蚀环境引起的岩土体力学特性的劣化问题已引起广泛关注。目前,CT技术已成为研究腐蚀环境下岩土体力学特性劣化的重要研究手段之一。陈四利等[19]进行了酸性、碱性化学溶液和三轴压缩作用下砂岩破裂过程的CT实时扫描试验,得到了砂岩从微裂隙被压密到微裂隙发生、扩展到贯通各阶段的CT图像、CT数和CT数方差数以及应力差与应变曲线。冯夏庭等[20]进行了化学溶液水压力、三轴压缩作用下预制裂纹圆柱体砂岩破裂过程的CT实时扫描试验,获得了化学溶液水压力对裂纹砂岩三轴破裂过程的影响特征。李宁等[21]对化学腐蚀下的钙质胶结长石砂岩进行了单轴抗压下的CT扫描试验,在CT数的基础上,讨论了化学侵蚀下砂岩密度降低的机理,认为化学作用产生的损伤超过了岩石初始裂纹、孔洞等损伤。

以上试验结果验证了化学腐蚀对岩石力学特性的影响,并得出了不同的化学腐蚀溶液对岩石力学特性的影响的差异。

3 CT技术在土体结构性变化研究中的应用

利用CT技术在细观层次上,相关学者针对黄土、膨胀土、黏土等土体,测定了土体中的大孔隙、土体受载过程中的结构变化和裂隙演化过程，以及土体动三轴试验前后的变化等,在土体的微细结构研究方面取得了一系列研究成果。图2为我们的试验所获得黏性土受荷后裂隙发展图像。

图2 黏性土受荷后裂隙发展图

蒲毅彬等[22]率先将CT技术应用于原状黄土内部结构的观测。利用CT机与简易压力室结合的装置对在单轴有侧限压力、三轴压缩以及加荷条件下浸水过程等条件下的原状黄土进行了实时扫描。

利用CT技术进行土体细观结构研究,陈正汉团队利用自行研制的CT扫描设备系统研究了膨胀土和黄土(Q2和Q3)在荷载及水分变化条件下的细观结构演化规律和损伤机理，对土试样在多种应力路径、干湿循环等试验过程中的细观损伤演化进行了动态、实时追踪,将细观试验结果与宏观力学试验结果相结合,分析了细观结构变化与宏观力学特性之间的关系,揭示了土样的结构损伤演化和变形规律,提出了损伤演化方程,为掌握膨胀土、黄土的工程特性提供了重要支撑。在非饱和土研究领域内,陈正汉等[23]将CT机与非饱和土三轴仪连接,在三轴试验过程中对土样内部结构进行动态、定量和无损地量测,揭示了原状土的结构损伤演化和变形强度规律,为深入探讨原状土和非饱和土的力学特性提供了有力工具。汪时机等[24]通过对三轴压缩条件下8 组不同孔径破损膨胀土的CT扫描试验,揭示了圆柱孔破损重塑膨胀土的破损结构的损伤演化规律。

CT技术应用于土体细观结构研究,从细观层面上为土力学试验提供了一种新思路,揭示土的细观损伤的扩展演化规律和机理,使土的细观结构研究达到了定量阶段,为建立土的损伤演化方程和本构模型提供了试验基础。

4 基于CT数的土体结构损伤演化分析

CT试验表明,试验过程中CT数的变化可反映土体结构损伤过程。因此,为将CT试验结果应用于工程分析,相关学者提出了基于CT数不同形式的损伤变量。 杨更社、谢定义利用CT数的空间分布规律研究岩石的损伤演化情况,提出损伤变量D为

式中:ρ0为试样的初始密度,E(ρ)为试样某时刻的密度,m0为CT试验机的空间分辨率。

任建喜等[5]引入了初始损伤影响因子和闭合影响系数,提出了分段损伤演化方程和本构方程:

式中:αe、αc分别为初始损伤影响因子和闭合影响因数；m0为CT机的空间分辨率；Hrm为某一应力阶段的岩石CT数；Hrm0为岩石初始状态的CT数。

由于岩土体是多种矿物组成的非均质体,其密度值并不一定与试验获得的CT数均值存在绝对的对应关系。为解决这一问题,仵彦卿、丁卫华等提出了关于密度损伤增量的概念,推导出了密度损伤增量ΔD与体应变εv的关系如下:

式中:ρ0、ρi分别为试件初始状态和任意应力状态时的密度；H0、Hi为某区域在初始状态和任意应力状态时的CT数。

陈正汉等[23]提出了裂纹损伤增量的概念,并推导出其与累计干缩体应变εs的关系式:

方祥位基于相应的CT数提出了Q2黄土的结构性参数m，并定义了结构演化变量D，分别为

式中,MEi和MEf分别为结构性相对完整的土体和剪切后完全调整的土体；m0为土样初始状态结构性参数。

5 结语

(1) CT技术将岩土体的细观损伤结构可视化,并通过图像分析进行量化,将细观损伤与宏观力学特性建立联系,有效推动了岩土试验的发展已成为研究岩土体内部细观结构演化规律的一种有效手段,对岩土体损伤特性的研究起重要推动作用。

(2) 目前CT技术在岩土工程研究中的应用已经由研究较多的岩石、特殊土领域,扩展到粗粒料、普通黏性土、加筋土等岩土工程研究领域。

(3) 由于成像技术存在伪影无法消除的问题,对CT图像的质量造成了一定影响,从而影响了描述岩石损伤特性的准确性。

(4) 随着CT技术在岩土工程研究领域的广泛应用,CT技术将向可模拟复杂应力路径、工程环境的加载设备的研发以及CT数据的分析方法的研究等方向发展。

References)

[1] Martin R J, Price R H, Boyd P J,et al. The influence of strain rate and sample inhomogeneity on the moduli and strength of welded luff[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences&Geomechanics Abstracts[J].1993,30(7):1507-1510.

[2] Kawakata H,Cho A,Yanagidani T. The Observations of Faulting in Westerly Granite under Triaxial Compression by X-ray CT Scan[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining,1997,34 (3/4):151-162.

[3] Ruiz de Argandona V G, Rodriguez Rey A,Celorio C, et al. Characterrization by computed X-ray tomography of the evolution of the pore structure of a dolomite rock during freeze-thaw cyclic tests[J].Physics and Chemistry of the Earth Part A:Solid Earth and Geodesy,1999,24(7):633-637.

[4] 葛修润,任建喜,蒲毅彬,等.岩石疲劳损伤扩展规律 CT 细观分析初探[J].岩土工程学报,2001,23(2):191-195.

[5] 任建喜,葛修润.单轴压缩岩石损伤演化细观机理及其本构模型研究[J].岩石力学与工程学报,2001,20(4):425-431.

[6] 杨更社,谢定义,张长庆，等.岩石损伤扩展力学特性的 CT分析[J].岩石力学与工程学报,1999,18(3):250-254.

[7] 仵彦卿,丁卫华,蒲毅彬.压缩条件下岩石密度损伤增量的 CT 动态观测[J].自然科学进展,2000,10(9):830-835.

[8] 丁卫华,仵彦卿,蒲毅彬.受力岩石密度损伤增量及其数字图象[J].西安理工大学学报,2000,16(1):45-48.

[9] 党发宁,尹小涛,丁卫华，等.基于CT试验的岩体分区破损本构模型[J].岩石力学与工程学报,2005,24(22):4003-4010.

[10] 简浩,朱维申，李术才，等.类节理岩体单轴压缩损伤演化的 CT 试验研究[J].岩石力学与工程学报,2002,21(6):2115-2120.

[11] 刘京红,姜耀东,赵毅鑫.基于 CT 图像的岩石破裂过程裂纹分形特征分析[J].河北农业大学学报,2011,34(4):1104-1107.

[12] 陈蕴生,李宁,李爱国,等.非贯通节理介质细观损伤演化的CT分析[J].岩石力学与工程学报,2000,19(6):702-706.

[13] 杨更社,张全胜,任建喜.冻结速度对铜川砂岩损伤CT数变化规律研究[J].岩石力学与工程学报,2004,23(24):4099-4104.

[14] 刘增利,张小鹏,李洪升.基于动态 CT识别的冻土单轴压缩损伤本构模型[J].岩土力学,2005,26(4):542-546.

[15] 郑剑锋,赵淑萍,马巍,等.CT检测技术在土样初始损伤研究中的应用[J].兰州大学学报：自然科学版,2009,45(2):20-25.

[16] 赵淑萍,马巍,郑剑锋,等.不同温度条件下冻结兰州黄土单轴试验的CT实时动态监测[J].岩土力学,2010,31(增刊2):92-97.

[17] 孙星亮,汪稔,胡明鉴.冻土三轴剪切过程中细观损伤演化CT动态试验[J]. 岩土力学,2005,26(8):1298-1311.

[18] 李洪升,朱元林. 冻土初始与附加细观损伤的CT识别模型[J].冰川冻土,2002,24(5):676-680.

[19] 陈四利,冯夏庭,周辉. 化学腐蚀下砂岩三轴细观损伤机理及损伤变量分析[J]. 岩土力学,2004，25(9)：1363-1367.

[20] 冯夏庭,丁梧秀. 应力-水流-化学耦合下岩石破裂全过程的细观力学试验[J]. 岩石力学与工程学报,2005,24(9):1465-1473.

[21] 李宁,朱运明,张平,等.酸性环境中钙质胶结砂岩的化学损伤模型[J].岩土工程学报,2003,25(4):395-399.

[22] 蒲毅彬,陈万业,廖全荣. 陇东黄土湿陷过程的CT结构变化研究[J].岩土工程学报,2000,22(1):49-54.

[23] 陈正汉,卢再华,蒲毅彬.非饱和土三轴仪的CT机配套及其应用[J],岩土工程学报, 2001, 23(4):387-392.

[24] 汪时机,韩毅,李贤,等.圆柱孔破损膨胀土强度和变形特性的CT -三轴试验研究[J].岩土力学,2013,34(10):2763-2768

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

国家自然科学基金项目(51348003)；四川省科技支撑计划项目(2015GZ0348)

李晓宁(1980—)，女，山西忻州，硕士，副教授，主要从事岩土体工程特性相关研究.

E-mail：swustlxn@126.com

TU452

A

1002-4956(2016)11-0080-04