基于工业X-CT的人工冻结软黏土细观变形特征试验研究

王升福， 戴道文， 闫乐琛， 刘光炎， 薛凯喜， 李明东

(东华理工大学 土木与建筑工程学院，江西 南昌 330013)

人工地层冻结法在富水软土地层的城市地铁隧道联络通道及其他地下工程地层加固中已被广泛应用 (陈瑞杰等, 2000; 郝明强等, 2014; 岳丰田等, 2006)，由此带来的软土地层冻胀融沉变形问题日益突出 (石荣剑等, 2017; 岳丰田等, 2008; 郑波等, 2007)。软黏土人工冻结后各相成分空间分布状态及孔隙形态发生改变，细观尺度上表现为内部结构的改变 (方丽莉等, 2012; 王升福等, 2016; 郑郧等, 2015)。原状软黏土经过人工冻结后，其内部细观结构改变后的非均匀性，决定了冻融后土体的热学性质及力学性质在空间分布的非连续性，最终导致宏观力学行为的非线性。因此，冻结过程对软黏土内部结构的改变对宏观表现起到决定性作用，软黏土内部细观结构特征是影响其冻融特性的主要因素。

工业CT是指应用于工业中的核成像技术，其基本原理是依据射线在被检测物体中的减弱和吸收特性 (Liu et al., 2012; 王增勇等, 2010)。通过记录射线束在不同透射方向上的衰减系数，利用图像重物算法绘制其断面扫描图像，能在对检测物体无损伤条件下，以二维断层图像或三维立体图像的形式，清晰、准确、直观地展示被检测物体的内部结构、组成、材质及缺损状况 (Périard et al., 2016; Tian et al., 2018; 肖慧等, 2013)。

CT图像的灰度变化反映射线穿透不同物质的衰减强度不同，利用图像上像素点的亮暗表示密度的高低，可说明土体内部各相成分及其密实度的分布情况 (Li et al., 2017)。因此可以借助CT扫描技术研究土体冻融前后细观结构改变、试验土样冻融前后结构形态的改变及沿冻结方向不同位置各相组分分布情况 (Minabe et al., 2016; 刘波等, 2013)。

本次运用三维X射线CT断层扫描(3D X-CT)及层析技术，进行不同冻结温度条件下软黏土细观结构的CT扫描，获得冻融前后土样内部结构CT图像；运用三维重构软件，获得三维CT数字模型，观察土样在不同冻结条件下结构形态、各相介质的分布及内部细观结构变化情况，为表征土体冻融前后的结构形态变化以及建立土体内部真实的细观结构定量分析模型提供基础图像资料，为研究土体冻结特征提供数据依据。

1 试验仪器、材料与方法

1.1 试样制备

本次试验用土取自宁波地铁5号线勘察段典型的软黏土土层，取④2层粉质黏土进行研究，其属海相软黏土，现场初勘呈软塑状态，层底标高-35.99～-33.05 m。其颗粒分布曲线如图1所示。

根据《土工试验方法标准》(国家住房和城乡建设部，2019)中有关土样和试样制备的要求，将现场通过薄壁取土器取得的原状土样切削，进行力学试验及后续冻融试验和CT扫描。土的基本物理性质如表1所示，定名为粉质黏土。

表1 试验土样基本物理指标

1.2 冻融试验系统

本次试验采用封闭系统下单向恒温冻结，图2为冻融试验系统示意图，每个冻融条件设置两组平行试验。

为研究不同冻结条件下冻融过程试样竖向温度随时间的变化规律，试验时沿高度方向每隔2 cm安设热电偶，实时监测试样内部各点温度变化。冻融试验分别进行4种冷端温度(-5 ℃、-7 ℃、-10 ℃、-15 ℃)冻结，冻结试验暖端和试验环境箱温度设置为恒温1 ℃，融化阶段模拟自然环境融化设置解冻温度为20 ℃。

1.3 工业CT扫描系统

(1)CT试验设备及图像的形成。本次X-CT扫描试验采用Y.CT precision S型X-Ray CT扫描系统(工业用CT系统)(图3)。现行工业CT射线源通常采用锥体X线束，相较于扇形线束，其可以一次性获取该角度下所有断层在此角度下的X射线衰减系数，扫描完成后试样自旋一定角度进行再次扫描，直至试样自旋一周，通过配套的图像重构算法即可获得试样的3D图像，提高空间分辨率和射线利用率，并且在采集相同3D图像时速度远快于扇形束CT (王宝明, 2012)。扫描时样品在X射线球管和探测器之间自旋，扫描速度相对较快，射线剂量大，空间分辨率高。

本次利用VGStudio MAX对数据进行提取、处理以及分析，并重建三维CT可视化模型(张于北等，2011)。

(2)试验内容及试验过程。对置于试样筒中的试样在冻融前后各进行一次CT扫描，试样正放于旋转载物台上，扫描电压设置为195 kV，扫描电流0.36 mA，扫描分析时间为750 ms。整个扫描过程样品共旋转360°，每旋转一定角度完成一次成像，投影数目为1 024张，横、纵断面每层间隔0.11 mm，统计时选取其中具有代表性的图像。

本次通过上述设定的扫描参数，CT图像每个体像素点表征0.001 2 mm3单元体土样的密度信息。通过VGStudio MAX 2.2 三维可视化软件，利用各体素CT图像灰度值对其进行三维数字模型重构，试样CT扫描三维重构模型及横断面和纵断面CT图像如图4所示。

2 CT图像的特征分析

2.1 CT成像技术与特征

土体CT图像实质是由于土体内部密度有关的X射线衰减强度而形成的数字矩阵灰度图像(图4)。可见CT图像是体素点的CT数按矩阵排列而组成，在图像中显示为由黑到白具有不同灰度的体素点，反映各体素对X射线的吸收系数。CT图像以不同CTI数反映物质对X射线的吸收程度，黑影表示低吸收区，即低密度区，如孔隙、裂隙等；白影表示高吸收区，即高密度区，如土颗粒。X射线CT图像密度分辨力较高，CT图像中每一像素点对应特定的CTI数，表现为从黑到白不同的灰度值，每个体素点都有相对应的灰度值(刘慧, 2013)。被测层面内物质密度越大，CTI数值就越大，在CT图像上就越亮，灰度值就大。反之，亮度就越低，灰度值也低。因此，在土体CT扫描图像中，不同密度的介质，如水、孔隙和颗粒，有不同的CTI数值，在图像中表现为灰度值的不同。在土体CT图像中，黑色区域代表的是低密度区，白色区域代表的是高密度区。岩石矿物颗粒的密度最大，相应的CTI数最大，在图像中显示为灰白色或白色；裂隙、孔隙的密度小，CTI数也小，在图像中显示为黑色。CT识别技术的密度分辨力较高，很好地显示出软黏土内部细观结构及各相组分分布情况。

2.2 冻融前后CT图像特征

分别对4种不同冷端温度(-5 ℃、-7 ℃、-10 ℃、-15 ℃)冻融前后的软黏土试样进行X-CT扫描，并获得其3D图像，测量土样整体结构形态及孔隙结构形状的变化情况，能够准确测量其精确的尺寸变化。图4a和图4b分别为冻结试验前的原状土样纵截面和横截面CT图像，图4c和图4d分别为冷端温度为-5 ℃冻融后土样的纵截面和横截面CT图像。如前所述，外圈灰度稍深的为有机玻璃试样筒，在土样内部，亮色代表土颗粒，深色代表孔隙或低密度的物质。值得注意的是，CT图像非常有效地揭示了软黏土内的微小裂隙。这些裂隙可能是由于土层的沉积原因在自然状态下地层中就已经存在，也可能是由于在取样过程中，随着上覆土层压力的释放，土体回弹所致。通过对比冻融前后土样的纵截面和横截面CT图像，可以看出冻融后裂隙明显减少。冻融后土样上部的裂隙几乎看不出来，表明试样上部变得更加密实，密度增大。

冻融前后纵截面CT图像局部放大图(图4左小图)，显示土样冻结前，裂隙分布杂乱，且走向很随机，经冻融后，裂隙主要以水平走向为主。原因是由于软黏土在单向冻融条件下，冻结过程水分逐渐向冷端迁移，在冻结锋面移动过程中，形成水平向的冰透镜体，使得原本杂乱的裂隙变得有序。这种软黏土细观结构上的改变能够有效解释冻融后黏土中水平向渗透系数较冻结前增加2个数量级的原因 (Chamberlain, 1981)。

3 冻融前后土样细观变形特性

3.1 冻融前后土样结构形态变化

冻融试验时，将土样切削成直径为79.8 mm、高度为100 mm的圆柱状土样，使其与试样筒内壁贴合，并进行封闭系统单向冻融试验。试验结果显示，冻融后土样上部均出现不同程度的径向收缩，即上端直径减小较下端明显(图5)。分析可知，软黏土在单向冻融试验条件下，试样下部为冻结冷端，冻结过程中冻结锋面从试样下部逐渐向上推移，在此过程中，试样上部未冻区的孔隙水向下方冻结缘迁移，根据上述分析，该动态过程中，试样上部存在一负压区，在负孔隙水压力作用下，试样上部必然产生应变。

3.2 冻融颈缩现象的CT定量观测

针对上述冻融后试样上部靠近暖端处出现的径向收缩，称其为冻融颈缩现象。图6为4种冷端温度条件下，冻融土样的CT扫描轴向纵截面图。利用VGStudio MAX软件缺陷分析模块对三维CT模型发生颈缩段进行测量，可准确获得在不同冷端温度条件下冻融后土样的最终高度、颈缩段深度和轴向颈缩量。在-5 ℃、-7 ℃、-10 ℃和-15 ℃4种冷端温度条件下，试样高度较冻融前原状土分别降低0.7 mm、0.5 mm、0.4 mm和0.4 mm。由此可见冻融后试样高度减小量随冷端温度的降低而减小，即随温度梯度的增加而减小。此外，4种条件下试样靠近暖端位置均出现了收缩现象，并且沿试样高度方向轴向收缩并不均匀，这与Hamilton (1966)早期对冻结压实黏土的观测正好相反。

在-5 ℃、-7 ℃、-10 ℃和-15 ℃4种冷端温度下冻融土样的颈缩段长度分别为38.8 mm、33.7 mm、25.9 mm和16.1 mm。随着冷端温度降低，土样冻融颈缩段长度值减小，即颈缩段长度随冻结温度梯度增大而减小。对比冻融前后靠近暖端位置处土样的直径，可以发现4种条件下土样半径的变化量从1.7 mm到1.2 mm，与冻融颈缩段长度的变化规律相似，冷端温度越低，土样直径变化量越小，即冻结温度梯度越大，土样发生颈缩处直径变化量越小。

4 基于CT的冻融土体积收缩率

冻融颈缩现象的观测结果表明冻融后土样会发生体积收缩。通过对冻融前后土样进行CT扫描，获得三维CT重建模型。利用土样、试样筒和空气之间较大的CT图像灰度差异(X射线衰减程度不同)，可以简便地通过设置阈值进行识别土样，进而精确测量出土样的体积。因此，冻融前后土样的体积变化，可以通过对比土样冻融前后体积变化量进行定量描述。由前述对冻融过程水分迁移和冻结锋面处吸力的机理解释可知，冻融后土样体积收缩是冻结缘的吸力作用下产生的水分迁移而导致。假设土体融化过程没有外力作用下，土样除了冰水之间的相变外不产生附加变形，那么冻融过程试样上部收缩应变主要是由冻结过程负孔压作用下吸力引起的。

基于此，定义冻融过程体积变化率，即以土样冻融过程产生的体积变化量除以土样实际冻结的体积，其为一无量纲的量，能够用以表述无附加荷载条件下封闭系统单向冻融土样，温度梯度作用下产生内部水分重分布而导致的短期体积收缩的程度。

(1)

VF=HF×A

(2)

(3)

式中，Tf为冻结冷端温度。

5 冻融体积收缩率与冻结完成时间关系

上述结果表明，冻融前后水分迁移导致的沿试样高度水分重分布与试样土体结构的改变程度密切相关，其中最明显的体现在孔隙率和干密度的变化及冻融体积收缩方面。

对于本次试验所用的非饱和软黏土，冻结锋面附近产生的负孔隙水压力引起真空，会从上部的孔隙中迁移孔隙水至冻结缘附近，形成冰透镜体。在冻结锋面逐渐向暖端发展过程中，靠近暖端位置的土体内部孔隙水压力降低而有效应力增加，最终导致上部土样压密收缩。冻结过程中，在冻结锋面附近孔隙水冻结，由于产生水冰相变导致体积增大，并有可能扩大土孔隙。然而，由于孔隙冰压力对土中空气的压缩和来自试样筒侧向压力的限制，这种发生水冰相变带来的土孔隙扩大的趋势将受到一定限制。随冻结过程中冻结锋面不断向暖端移动，整体试样表现为上部出现土体被挤密，越靠近暖端这种挤密现象越明显。而土样下部冻结过程有相变产生的体积膨胀量，随着融化过程而消失，迁移来的水分完全填充了土样下部，靠近土样边缘处将伴随部分水分的排出，最终冻融结束后表现为土样体积的收缩。

基于该机制，可以认为冻融体积收缩直接与冻结完成时间(冻结过程达到动态平衡的时间)相关。因为当冻结结束时，冻结锋面将动态稳定于某一固定位置，此时处于水热平衡的动态过程，整个试样的温度和水分不再发生变化，即土样结构处于稳定状态。4种冷端温度条件下的土样冻融体积收缩率与冻结完成时间呈较好的线性关系，即冻结完成时间越短，冷端温度越低，冻结温度梯度值越大，冻融体积收缩率也越低(图8)。这也佐证了上述非饱和软黏土冻结过程产生体积变化的机制。

6 结论

(1)利用工业CT扫描及三维数据模型重构，能够较好地展示软黏土冻融前后细观变形特征。

(2)4种冷端温度条件下原状软黏土冻融后试样形态均发生了不同程度的体积收缩，工业CT扫描能有效地揭示土体冻融变形体积变化量。

(3)基于软黏土三维CT模型的精准测量，提出并精确计算得到冻融后土体的体积收缩率。

(4)软黏土冻融体积收缩率与冻结冷端温度呈指数衰减关系，冻融体积收缩率与冻结完成时间呈线性正相关。