李曉寧， 向銘銘， 朱寶龍

(西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院, 四川 綿陽 621010)

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CT技術(shù)在巖土工程研究中的應(yīng)用

李曉寧， 向銘銘， 朱寶龍

(西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院, 四川 綿陽 621010)

利用CT技術(shù)進(jìn)行巖土體損傷特性的研究是當(dāng)前巖土工程的重要研究方向之一。介紹了CT技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)、發(fā)展現(xiàn)狀、檢測(cè)原理，簡(jiǎn)述了CT技術(shù)在巖石常規(guī)加載下對(duì)損傷特性、特殊環(huán)境下巖石結(jié)構(gòu)細(xì)觀損傷特性以及土體結(jié)構(gòu)性等巖土工程研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀,并提出該領(lǐng)域研究面臨的主要問題。

巖土工程； CT技術(shù)； 無損檢測(cè)； 損傷力學(xué)

1 CT技術(shù)

1.1 CT技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與發(fā)展

CT技術(shù)作為一種細(xì)觀力學(xué)實(shí)驗(yàn)手段,在物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)檢測(cè)方面可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、無損檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果可為細(xì)觀損傷模型的研究提供可靠的圖形基礎(chǔ)。利用該技術(shù)進(jìn)行巖土體裂紋演化過程的觀察和描述,提高了巖石室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)的價(jià)值,對(duì)建立巖土體損傷本構(gòu)關(guān)系具有重要意義。

與常規(guī)的巖土室內(nèi)細(xì)觀檢測(cè)手段SEM(掃描電子顯微鏡)、AE(聲發(fā)射)相比,CT技術(shù)的主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于:

(1) 在裂紋觀測(cè)方面,CT技術(shù)將細(xì)觀損傷可視化,可實(shí)時(shí)觀測(cè)到常規(guī)SEM尺度和肉眼可見的宏觀裂紋之間的區(qū)間。

(2) 裂紋擴(kuò)展直接與試件的宏觀應(yīng)力應(yīng)變曲線相聯(lián)系。CT技術(shù)可實(shí)現(xiàn)在任意應(yīng)力階段觀測(cè)內(nèi)部任意部位細(xì)觀結(jié)構(gòu)，可分別實(shí)現(xiàn)同一應(yīng)力階段不同斷面以及同一斷面不同應(yīng)力階段的CT圖像的組合,為細(xì)觀損傷的研究提供可靠的圖形基礎(chǔ)。

(3) CT技術(shù)通過密度損傷增量可以將細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化引起的損傷定量化,而AE技術(shù)由于頻率、振幅等指標(biāo)與巖石裂紋參數(shù)難以建立定量聯(lián)系,目前對(duì)損傷定量化問題的處理尚有困難。

CT 技術(shù)的發(fā)展主要在于掃描部位及掃描對(duì)象的延伸。隨著 CT 技術(shù)和各專業(yè)學(xué)科的發(fā)展需要,該技術(shù)在凍土、冰、巖石和各類復(fù)合材料的檢測(cè)分析領(lǐng)域得以應(yīng)用。上世紀(jì)80年代, Teda等首次將醫(yī)用CT 裝置應(yīng)用于巖石損傷特性的研究中,證明CT技術(shù)在檢測(cè)巖石內(nèi)部裂紋結(jié)構(gòu)方面優(yōu)勢(shì)明顯。國(guó)內(nèi),于上世紀(jì)90年代中后期將CT技術(shù)應(yīng)用于巖土工程研究中。中科院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室葛修潤(rùn)院士等自行設(shè)計(jì)、研制成功了與醫(yī)用CT配套的專用實(shí)時(shí)力學(xué)加載試驗(yàn)裝置,可進(jìn)行不卸載掃描,實(shí)現(xiàn)了巖石受載過程中的無損、多層面的實(shí)時(shí)掃描,克服了該方法在卸載后微小裂紋閉合、重新掃描定位等方面存在的問題,開創(chuàng)了我國(guó)巖土體破裂過程CT實(shí)時(shí)掃描試驗(yàn)的先河。此后,基于室內(nèi)巖土材料試件CT掃描試驗(yàn)的一系列研究相繼開展。

目前, CT技術(shù)在巖土工程研究中的應(yīng)用日益深入并取得許多成果,但相關(guān)成果總結(jié)很少。本文在對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行分類、歸納和總結(jié)的基礎(chǔ)上,闡述了CT技術(shù)的定義與原理；分析了CT技術(shù)在巖石常規(guī)工程環(huán)境下以及在寒區(qū)、腐蝕性等特殊環(huán)境下巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷特性研究、土體結(jié)構(gòu)性研究、混凝土質(zhì)量檢測(cè)等巖土工程相關(guān)領(lǐng)域研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀和存在的問題。

1.2 CT技術(shù)的工作原理

CT掃描設(shè)備主要由X射線源和探測(cè)器組成(見圖1),CT技術(shù)的基本原理是由物體對(duì)于X射線的衰減系數(shù)來體現(xiàn)物體的密度。利用X射線管發(fā)射出的X射線穿透待測(cè)物體截面,通過探測(cè)器收集并測(cè)定經(jīng)過某個(gè)層截面衰減后的X射線量,根據(jù)所獲得的X射線量的投影數(shù)據(jù),運(yùn)用數(shù)學(xué)方法,通過計(jì)算機(jī)處理,重建特定層面上的CT圖像。

圖1 CT工作原理流程圖

2 CT技術(shù)在巖石細(xì)觀損傷特性研究中的應(yīng)用

2.1 常規(guī)加載卸載條件下的CT損傷檢測(cè)及分析

巖石材料內(nèi)部缺陷(損傷),主要是細(xì)觀尺度上的各種微孔洞、孔隙以及微裂紋。在損傷力學(xué)的研究中,巖體損傷破壞本質(zhì)上是由于外部作用的影響而導(dǎo)致內(nèi)部微裂紋、微孔隙的擴(kuò)展演化,從而導(dǎo)致力學(xué)性能劣化。因此,細(xì)觀層面上損傷力學(xué)的關(guān)鍵在于對(duì)材料細(xì)觀損傷的識(shí)別。CT技術(shù)的應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)和裂紋演化過程的觀察，為巖土體破壞機(jī)理的研究提供可靠的試驗(yàn)手段,有效推動(dòng)了巖石損傷擴(kuò)展和破壞的本質(zhì)特性的研究。國(guó)內(nèi)外學(xué)者所做的代表性工作有: Martin R J.等[1]利用CT技術(shù),得到了巖石微觀結(jié)構(gòu)與其強(qiáng)度特性、彈性模量之間的關(guān)系。Kawakata等[2]基于CT數(shù)重建了巖石三維 CT 圖像,獲得了巖石內(nèi)部裂紋的發(fā)展形態(tài)和空間分布特征；Ruiz de Argandona V. G.等[3]在 CT 掃描試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,重建了巖石的三維孔隙結(jié)構(gòu)圖像,揭示了巖石內(nèi)部孔隙分布特征；葛修潤(rùn)等[4-5]進(jìn)行了煤巖、裂隙巖體等試件在各種荷載條件下的單軸與三軸CT實(shí)時(shí)掃描試驗(yàn),獲得了單軸、三軸壓縮條件下巖體內(nèi)部微微裂紋萌生到試樣破壞、卸載全過程的CT圖像,在細(xì)觀尺度上證實(shí)了巖石疲勞破壞的門檻值；楊更社[6]、丁衛(wèi)華等[7-8]、黨發(fā)寧[9]等利用CT技術(shù),針對(duì)不同類型巖石的破損機(jī)制,對(duì)初始細(xì)觀損傷特性、裂紋演化、擴(kuò)展進(jìn)行了CT實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀測(cè)；簡(jiǎn)浩等[10]進(jìn)行了單軸壓縮荷載作用下的含單裂紋巖樣的CT 掃描試驗(yàn),觀測(cè)到了巖樣從壓密、裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展到破壞的損傷破壞全過程,從細(xì)觀、三維空間尺度上研究了節(jié)理巖石的損傷演化規(guī)律；劉京紅等[11]利用CT掃描試驗(yàn),揭示了巖石內(nèi)部孔洞及裂紋區(qū)域的大小分布隨應(yīng)力的變化過程。

在CT掃描的基礎(chǔ)上,基于CT圖像、CT數(shù)定義內(nèi)部損傷方面的研究成果,推動(dòng)了巖石損傷定量化的研究。楊更社等[6]對(duì)單軸受力狀態(tài)下的損傷擴(kuò)展進(jìn)行了CT定量分析和本構(gòu)關(guān)系的建立，對(duì)巖石的初始損傷進(jìn)行了研究,并引入了初始損傷影響因子,定義了基于CT數(shù)表示的巖石損傷變量公式,并探討了單軸壓縮作用下砂巖的損傷擴(kuò)展機(jī)理。丁衛(wèi)華、仵彥卿等[7-8]提出了密度損傷增量新概念,推導(dǎo)出了CT數(shù)與密度損傷增量的定量關(guān)系,分析了巖石細(xì)觀損傷演化過程和機(jī)理。黨發(fā)寧等[9]依據(jù)集合論和測(cè)度論,提出了巖土介質(zhì)空間某一點(diǎn)的完整度、破損度的概念,定義了基于CT數(shù)表示的破損產(chǎn)生的位置和破損判定依據(jù)。陳蘊(yùn)生等[12]基于CT圖像的灰度值均值以及灰度分布特點(diǎn)隨著應(yīng)力的變化規(guī)律,揭示了巖樣細(xì)觀損傷演化機(jī)理。

綜上所述,CT實(shí)時(shí)掃描技術(shù)作為一種動(dòng)態(tài)無損傷檢測(cè)技術(shù),近年來主要應(yīng)用于巖石細(xì)觀損傷演化特性的試驗(yàn)研究,是揭示巖石破裂過程中內(nèi)部或表面損傷演化規(guī)律的一種有效手段。利用CT技術(shù),研究者在配套加載設(shè)備的研發(fā)、加載條件多樣化、巖石損傷實(shí)時(shí)檢測(cè)、損傷演化規(guī)律及三維圖像重建、裂隙寬度的定量分析、損傷變量分析等方面取得了一系列進(jìn)展。研究成果對(duì)于建立正確的損傷演化方程和巖石介質(zhì)宏觀本構(gòu)關(guān)系具有重要意義,有效推動(dòng)了細(xì)觀力學(xué)的發(fā)展。

2.2 特殊環(huán)境巖石細(xì)觀損傷檢測(cè)及分析

隨著工程活動(dòng)范圍的擴(kuò)大,工程環(huán)境越來越復(fù)雜,如高海拔寒區(qū)工程建設(shè)遇到凍結(jié)土、巖石問題。由于強(qiáng)流變性的冰相的存在,在外荷載及溫度作用下,凍土和凍結(jié)巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化非常復(fù)雜,CT技術(shù)的應(yīng)用為進(jìn)行凍結(jié)土、凍結(jié)巖石物理性質(zhì)變化過程的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及破壞機(jī)理的細(xì)觀研究提供了一種新的途徑。

楊更社等[13]利用CT 掃描技術(shù)進(jìn)行了凍結(jié)巖石的試驗(yàn),獲得了凍融循環(huán)條件下巖石的損傷擴(kuò)展特性。劉增利等[14]進(jìn)行了凍結(jié)黃土在單軸壓縮下的動(dòng)態(tài)CT掃描試驗(yàn),對(duì)凍土的損傷進(jìn)行識(shí)別,并基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和熱學(xué)的方法,建立了單軸壓縮作用下的凍土的細(xì)觀損傷本構(gòu)模型。鄭劍鋒等[15]對(duì)以不同凍結(jié)方式凍結(jié)的兩種粉質(zhì)黏土試樣CT掃描,通過凍結(jié)前后的實(shí)測(cè)CT數(shù)的分析,討論了軸向凍結(jié)方式與徑向凍結(jié)方式對(duì)凍土試樣內(nèi)部含水量的變化影響。趙淑萍等[16]利用改進(jìn)后的與CT試驗(yàn)機(jī)配套使用的三軸試驗(yàn)儀,對(duì)不同溫度條件下的凍結(jié)黃土的單軸壓縮過程進(jìn)行了CT動(dòng)態(tài)掃描,獲得了凍結(jié)重塑蘭州黃土的損傷演化規(guī)律和損傷耗散勢(shì)函數(shù)。孫星亮等[17]進(jìn)行了凍結(jié)粉質(zhì)黏土在三軸剪切過程中CT試驗(yàn),得到凍土受載前的初始缺陷。李洪升等[18]推導(dǎo)出了基于凍土附加損傷概念的凍土在受載荷作用下產(chǎn)生的微裂紋、凍土密度、凍土內(nèi)部損傷量與CT數(shù)之間的關(guān)系模型。以上研究對(duì)于認(rèn)識(shí)高海拔及寒區(qū)巖土體凍融破壞過程具有重要意義。

除了寒區(qū)凍融環(huán)境外,受污染的地下水、酸雨等化學(xué)腐蝕環(huán)境引起的巖土體力學(xué)特性的劣化問題已引起廣泛關(guān)注。目前,CT技術(shù)已成為研究腐蝕環(huán)境下巖土體力學(xué)特性劣化的重要研究手段之一。陳四利等[19]進(jìn)行了酸性、堿性化學(xué)溶液和三軸壓縮作用下砂巖破裂過程的CT實(shí)時(shí)掃描試驗(yàn),得到了砂巖從微裂隙被壓密到微裂隙發(fā)生、擴(kuò)展到貫通各階段的CT圖像、CT數(shù)和CT數(shù)方差數(shù)以及應(yīng)力差與應(yīng)變曲線。馮夏庭等[20]進(jìn)行了化學(xué)溶液水壓力、三軸壓縮作用下預(yù)制裂紋圓柱體砂巖破裂過程的CT實(shí)時(shí)掃描試驗(yàn),獲得了化學(xué)溶液水壓力對(duì)裂紋砂巖三軸破裂過程的影響特征。李寧等[21]對(duì)化學(xué)腐蝕下的鈣質(zhì)膠結(jié)長(zhǎng)石砂巖進(jìn)行了單軸抗壓下的CT掃描試驗(yàn),在CT數(shù)的基礎(chǔ)上,討論了化學(xué)侵蝕下砂巖密度降低的機(jī)理,認(rèn)為化學(xué)作用產(chǎn)生的損傷超過了巖石初始裂紋、孔洞等損傷。

以上試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了化學(xué)腐蝕對(duì)巖石力學(xué)特性的影響,并得出了不同的化學(xué)腐蝕溶液對(duì)巖石力學(xué)特性的影響的差異。

3 CT技術(shù)在土體結(jié)構(gòu)性變化研究中的應(yīng)用

利用CT技術(shù)在細(xì)觀層次上,相關(guān)學(xué)者針對(duì)黃土、膨脹土、黏土等土體,測(cè)定了土體中的大孔隙、土體受載過程中的結(jié)構(gòu)變化和裂隙演化過程，以及土體動(dòng)三軸試驗(yàn)前后的變化等,在土體的微細(xì)結(jié)構(gòu)研究方面取得了一系列研究成果。圖2為我們的試驗(yàn)所獲得黏性土受荷后裂隙發(fā)展圖像。

圖2 黏性土受荷后裂隙發(fā)展圖

蒲毅彬等[22]率先將CT技術(shù)應(yīng)用于原狀黃土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的觀測(cè)。利用CT機(jī)與簡(jiǎn)易壓力室結(jié)合的裝置對(duì)在單軸有側(cè)限壓力、三軸壓縮以及加荷條件下浸水過程等條件下的原狀黃土進(jìn)行了實(shí)時(shí)掃描。

利用CT技術(shù)進(jìn)行土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)研究,陳正漢團(tuán)隊(duì)利用自行研制的CT掃描設(shè)備系統(tǒng)研究了膨脹土和黃土(Q2和Q3)在荷載及水分變化條件下的細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化規(guī)律和損傷機(jī)理，對(duì)土試樣在多種應(yīng)力路徑、干濕循環(huán)等試驗(yàn)過程中的細(xì)觀損傷演化進(jìn)行了動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)追蹤,將細(xì)觀試驗(yàn)結(jié)果與宏觀力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合,分析了細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化與宏觀力學(xué)特性之間的關(guān)系,揭示了土樣的結(jié)構(gòu)損傷演化和變形規(guī)律,提出了損傷演化方程,為掌握膨脹土、黃土的工程特性提供了重要支撐。在非飽和土研究領(lǐng)域內(nèi),陳正漢等[23]將CT機(jī)與非飽和土三軸儀連接,在三軸試驗(yàn)過程中對(duì)土樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)、定量和無損地量測(cè),揭示了原狀土的結(jié)構(gòu)損傷演化和變形強(qiáng)度規(guī)律,為深入探討原狀土和非飽和土的力學(xué)特性提供了有力工具。汪時(shí)機(jī)等[24]通過對(duì)三軸壓縮條件下8 組不同孔徑破損膨脹土的CT掃描試驗(yàn),揭示了圓柱孔破損重塑膨脹土的破損結(jié)構(gòu)的損傷演化規(guī)律。

CT技術(shù)應(yīng)用于土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)研究,從細(xì)觀層面上為土力學(xué)試驗(yàn)提供了一種新思路,揭示土的細(xì)觀損傷的擴(kuò)展演化規(guī)律和機(jī)理,使土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)研究達(dá)到了定量階段,為建立土的損傷演化方程和本構(gòu)模型提供了試驗(yàn)基礎(chǔ)。

4 基于CT數(shù)的土體結(jié)構(gòu)損傷演化分析

CT試驗(yàn)表明,試驗(yàn)過程中CT數(shù)的變化可反映土體結(jié)構(gòu)損傷過程。因此,為將CT試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用于工程分析,相關(guān)學(xué)者提出了基于CT數(shù)不同形式的損傷變量。 楊更社、謝定義利用CT數(shù)的空間分布規(guī)律研究巖石的損傷演化情況,提出損傷變量D為

式中:ρ0為試樣的初始密度,E(ρ)為試樣某時(shí)刻的密度,m0為CT試驗(yàn)機(jī)的空間分辨率。

任建喜等[5]引入了初始損傷影響因子和閉合影響系數(shù),提出了分段損傷演化方程和本構(gòu)方程:

式中:αe、αc分別為初始損傷影響因子和閉合影響因數(shù)；m0為CT機(jī)的空間分辨率；Hrm為某一應(yīng)力階段的巖石CT數(shù)；Hrm0為巖石初始狀態(tài)的CT數(shù)。

由于巖土體是多種礦物組成的非均質(zhì)體,其密度值并不一定與試驗(yàn)獲得的CT數(shù)均值存在絕對(duì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。為解決這一問題,仵彥卿、丁衛(wèi)華等提出了關(guān)于密度損傷增量的概念,推導(dǎo)出了密度損傷增量ΔD與體應(yīng)變?chǔ)舦的關(guān)系如下:

式中:ρ0、ρi分別為試件初始狀態(tài)和任意應(yīng)力狀態(tài)時(shí)的密度；H0、Hi為某區(qū)域在初始狀態(tài)和任意應(yīng)力狀態(tài)時(shí)的CT數(shù)。

陳正漢等[23]提出了裂紋損傷增量的概念,并推導(dǎo)出其與累計(jì)干縮體應(yīng)變?chǔ)舠的關(guān)系式:

方祥位基于相應(yīng)的CT數(shù)提出了Q2黃土的結(jié)構(gòu)性參數(shù)m，并定義了結(jié)構(gòu)演化變量D，分別為

式中,MEi和MEf分別為結(jié)構(gòu)性相對(duì)完整的土體和剪切后完全調(diào)整的土體；m0為土樣初始狀態(tài)結(jié)構(gòu)性參數(shù)。

5 結(jié)語

(1) CT技術(shù)將巖土體的細(xì)觀損傷結(jié)構(gòu)可視化,并通過圖像分析進(jìn)行量化,將細(xì)觀損傷與宏觀力學(xué)特性建立聯(lián)系,有效推動(dòng)了巖土試驗(yàn)的發(fā)展已成為研究巖土體內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)演化規(guī)律的一種有效手段,對(duì)巖土體損傷特性的研究起重要推動(dòng)作用。

(2) 目前CT技術(shù)在巖土工程研究中的應(yīng)用已經(jīng)由研究較多的巖石、特殊土領(lǐng)域,擴(kuò)展到粗粒料、普通黏性土、加筋土等巖土工程研究領(lǐng)域。

(3) 由于成像技術(shù)存在偽影無法消除的問題,對(duì)CT圖像的質(zhì)量造成了一定影響,從而影響了描述巖石損傷特性的準(zhǔn)確性。

(4) 隨著CT技術(shù)在巖土工程研究領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,CT技術(shù)將向可模擬復(fù)雜應(yīng)力路徑、工程環(huán)境的加載設(shè)備的研發(fā)以及CT數(shù)據(jù)的分析方法的研究等方向發(fā)展。

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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

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51348003)；四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015GZ0348)

李曉寧(1980—)，女，山西忻州，碩士，副教授，主要從事巖土體工程特性相關(guān)研究.

E-mail：swustlxn@126.com

TU452

A

1002-4956(2016)11-0080-04