CT技术在岩土试验中的应用研究

程展林，左永振，丁红顺

CT技术在岩土试验中的应用研究

程展林，左永振，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）

简要介绍了长江科学院岩土试验CT工作站以及与之配套的CT三轴仪、渗透仪研制情况。阐述了近年来利用CT技术在粗粒土组构、砾石土浸润试验、膨胀土干湿循环试验、水力劈裂试验、加筋土试验研究等方面研究的初步成果，展示了不同岩土试验CT图像的效果，显示了CT技术在岩土试验中的作用，以期引起岩土工作者的关注，推动岩土试验的发展。

CT技术；岩土试验；组构；浸润；干湿循环；水力劈裂；土工织物

1 概 述

岩土试验是认识岩土材料特性和揭示岩土工程问题的重要手段，传统的岩土试验是建立在材料均质假设基础上的宏观应力和应变的测试。近年来，在岩土试验中，观测岩土材料内部结构变化的试验方法研究已成为了岩土力学领域的热门课题之一，最突出的是在岩土试验中引入计算机断面成相技术（CT技术）。只要具备与CT机配套的岩土试验设备，就可以无损、动态、定量和实时地量测岩土材料在受力过程中内部结构的变化过程。

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［1］。我国最早建立岩土试验CT工作站的是中国科学院寒区旱区环境与工程研究所，于1990年购买美国GE8800型CT机，1998年又购买德国西门子SOMATOM PLUS型CT机，1999年开发出岩土试验CT专用加载设备。文献［2］反映了围绕该CT工作站的早期研究成果，是一本很好的岩土试验CT技术教科书。陈正汉教授为研究特殊土于2001年开发了与CT机配套的非饱和土三轴仪［3］，结合陕西省南郑县医院GE公司prospeed AI型CT机（后勤工程学院汉中CT－三轴科研工作站），并取得系列研究成果［4，5］。但由于所用CT机档次较低，CT图像清晰度偏低，也不能进行图像的三维重建，限制了岩土试验中CT技术的应用。

长江科学院于2008年建立了岩土试验CT工作站，采用德国西门子Somatom Sensation 40型CT机，该机主要特点是具备比较高的空间和时间分辨率，以及高质量的多维重建图像，可以实现用三维的图像来观察三维的试件。工作站还开发了一系列与之配套的试验设备，如：CT三轴仪、渗透仪、荷载试验仪等，并开展了多种岩土试验工作。本文就笔者利用CT技术进行的岩土试验研究进行综述。

2 配套设备的研制

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CT数，从而形成一幅物体层面的μ数字图像。物质的密度越大，CT数越大。

图1是长江科学院岩土试验CT工作站。该CT工作站由德国西门子Somatom Sensation 40型CT机及与之配套的试验设备组成。配套的设备可根据研究问题的需要进行研制，但需遵循以下原则：

（1）设备宜采用分离结构，置于CT机检查床上的试验装置尽可能的简单，设备的加载系统和测试系统尽可能置于CT机外；

图1 长江科学院岩土试验CT工作站Fig．1 Geotechnical testing CT workstation of Yangtze River Scientific Research Institute

（2）试验装置的尺寸和形状要与CT机相配，置于CT机检查床上的试验装置可在扫描架孔径内自由移动；

（3）被测物体（试样）置于无金属可扫描范围，避免高密度金属产生伪影；

（4）因x射线穿透能力较差，试验中x射线将要穿透的被测物体周围的物质尽可能地量小且密度低。

下面介绍2种典型的配套试验设备。

图2 CT三轴仪Fig．2 CT triaxial apparatus

图2 是本文作者相继研制的CT三轴仪，工作原理同常规三轴仪，轴向应力由液压千斤顶提供，加载控制系统和测试系统置于CT机外。控制千斤顶进油速率一定，既可进行应变控制式三轴试验，也可进行应力控制式三轴试验，即分级进行加载，每级加载控制千斤顶油压一定至试验变形稳定。试样尺寸直径为100 mm，高200 mm，压力室拉杆为特种铝合金。2种三轴仪差别在于：①第一代三轴仪（图2（a））千斤顶和压力室均为非金属，可直接进行试样的轴向或横向扫描，小主应力最大值为1．0 MPa；②第二代三轴仪（图2（b））千斤顶为金属构件，在千斤顶与压力室之间增加了荷重传感器和位移传感器，可准确测量大主应力和竖向应变，但只能进行横向扫描，小主应力最大值为2．0 MPa。

图3为CT渗透仪，渗透试验用水、水压控制和渗水量由CT机外设备控制和测量。

图3 CT渗透仪Fig．3 CT infiltrate apparatus

3 CT技术在岩土试验中的应用

3．1 粗粒土组构研究

沈珠江院士［6］认为，土体结构性的本构模型建立将成为21世纪土力学的核心工作。目前，国内外在描述土的微观结构变化与宏观应力应变之间关系仍然是比较粗糙的，并没有深入探究微观结构的具体变化过程。其根本的原因在于试验过程中对土的微观结构变化难以动态定量观测。

本文作者经过一段时间的探索认为，土体微观结构力学研究可以从粗粒土研究入手［7］，因为粗粒土的颗粒尺度相对较大，结构特征相对简单，主要体现在颗粒本身及颗粒间几何排列方面，即粗粒土的组构，可以利用CT技术观测粗粒土受力变形过程中内部结构的动态变化。只有建立了高效、便捷、精确的组构测试方法，获得了粗粒土的组构信息及变化，其它工作如力学效应分析和组构力学模型建立才成为可能。

为此，系统地进行了粗粒土CT三轴试验，图4为典型粗粒土三轴试验CT图像。可以看出粗粒土的CT图像非常清晰可靠，可根据不同应力状态下CT图像分析粗粒土的组构信息及变化。

图4 典型粗粒土三轴试验CT图像Fig．4 Typical CT triaxial test images for coarse-grained soil

图5 为某一粗粒土三轴试验（σ3＝0．2 MPa）轴向应变εa从0～14．4%时一剖面上颗粒的位移矢量，图6为不同应力和应变条件下不同高度位置上颗粒的转角变化。

图5 颗粒位移矢量图［8］Fig．5 Displacement vector picture of particle

图6 颗粒转动Δφ－y关系Fig．6 Relationship between particle rotationΔφ－y

初步试验分析可得出以下结论：①粗粒土三轴试样的变形源于颗粒的位置调整（相邻颗粒的位置变化），颗粒自身的形变很小；②这种位置调整自试样变形的初期就随之产生；③在某一宏观应变下，试样中颗粒的平动和转动有很强的规律性，试样中各部位的颗粒位置调整的幅度差异较大；④相邻颗粒间的错动明显，并伴有一定的转动；⑤颗粒的转动方向与颗粒长轴的随机分布有关，转动量与相邻颗粒的错动大小有关。

3．2 砾石土浸润试验

为了研究心墙坝蓄水后心墙浸润峰的发展过程，反演非饱和心墙料导水系数与含水率间的关系，开展了砾石土浸润CT试验。

试验仪器采用水平渗透仪，见图3。浸润试验时从侧部加水，并保持常水头，采用CT技术观测土体的浸润过程。试样为150 mm×150 mm×150 mm的方块体。

图7是利用CT技术得到的浸润试验不同时刻的CT图像，左右2幅图像为同一扫描成果的2种显示方式，图像反映了试样某一纵断面水从左侧向右侧的浸润过程。图7（a）是浸润开始后70 min时的浸润峰位置，图7（b）浸润开始后423 min时的浸润峰位置。

图7 浸润试验CT图像Fig．7 CT images of infiltration test

通过试验可以看出以下规律：①利用CT技术监测非饱和心墙料浸润峰的发展是行之有效的方法；②浸润试验形成的饱和部分与非饱和部分之间的界面非常明显，不存在渐变过渡带；③分层击实形成的试样具有明显的成层性，可以推断实际工程碾压形成的心墙具有渗透不均匀性；④可通过系统浸润CT试验，研究心墙料导水系数与水压、不同土料、不同密度、不同起始含水率等因素间的关系。

3．3 膨胀土干湿循环裂隙发展过程研究

大量试验表明，膨胀土的天然强度与其裂隙性密切相关，包括裂隙自身特征（充填物、光滑度等）、裂隙分布密度、裂隙方向等，为了研究裂隙与强度的关系，常采用干湿循环的方法形成裂隙，测试不同裂隙条件下土的强度。在该研究过程中，观察和测定干湿循环中土的裂隙形态和发展过程是十分必要的。

下文给出了采用南阳中膨胀土原状样进行的干湿循环条件下三轴固结排水剪切试验成果。三轴试样尺寸为直径61．8 mm，高125 mm。将饱和样烘干至缩限含水量，然后抽气饱和即所谓一次干湿循环，为避免高温对试样造成破坏作用，烘干温度控制为70℃。对每次烘干的试样进行CT扫描，测定试样内部的裂隙分布。

图8为某一试样5次干湿循环过程中同一断面的CT图像。从图8可以看出，CT图像能够清晰地反映土中裂隙，随着干湿循环次数的增加，试样中的裂隙不断发展，干湿循环产生很多微裂隙，试样愈来愈“破碎”，尤其是首次干湿循环变化明显。

图8 试样5次干湿循环过程中裂隙发展规律图Fig．8 The law of crack development of the sample during five wetting-drying cycles

图9 为强度指标随干湿循环次数的变化曲线。由图9可以看出，南阳原状膨胀土的强度指标随干湿循环次数的增加而不断减小。粘聚力c值首次干湿循环显著衰减，2～5次循环中膨胀土粘聚力随干湿循环次数增加衰减趋势减弱，趋于稳定；内摩擦角φ经首次干湿循环后稍有衰减，此后的变化略有起伏，但总的数值变动不大。强度的试验成果与土中裂隙的状态是十分吻合的。由此试验，不难导出一个推论，大气影响范围内的膨胀土经过长期的干湿变化，将引起不均匀的胀缩变形，从而引起土中裂隙的不断发展，这正是膨胀土具有裂隙性的主要原因，土中裂隙状态一定与土的膨胀性大小有关；裂隙不断发展、强度不断衰减的过程也是膨胀土边坡失稳具有时效性的根本原因。长江科学院结合有关课题正在研究天然原状膨胀土的膨胀性、裂隙状态、抗剪强度的关系，以及在一定边界条件下干湿循环次数、裂隙发展、强度衰减的规律。

图9 强度指标与干湿循环次数变化曲线Fig．9 Strength index and wetting-drying cycle curve

3．4 水力劈裂试验研究

在心墙坝设计中，心墙水力劈裂问题是普遍关注又亟待解决的关键问题之一，国内外学者做了大量的研究工作，取得了丰富的研究成果，但对心墙水力劈裂问题的认识仍然存在差异。随着心墙土石坝高度增大，该问题愈加突出。长江科学院首次采用CT技术开展了心墙水力劈裂试验［9］，试验的概化模型如图10所示，试验在CT三轴仪（图2）上进行。在试样周边和顶部施加一定应力，模拟心墙土中应力状态；在试样底部垂直开缝，在缝中施加水压力模拟劈裂水压，试样底部外侧与三轴仪底座胶结构成止水。试验中逐渐增大劈裂水压并进行CT扫描，观察裂隙开展情况。发现有贯穿性裂缝即认为试验完成。

图10 水力劈裂试验概化模型Fig．10 Generalized model of hydraulic fracture test

图11 给出了其中典型的水力劈裂试验CT图像，可以看出，劈裂缝从人工开缝（可视为心墙中存在的缺陷）的一端部向外扩展至贯穿，劈裂现象明显。图12给出了一组水力劈裂试验成果。系列试验成果表明，劈裂水压力uf与最小主应力σ3的大小成线性关系，可以采用下式表达，即

式中：常数项s与土体的抗拉强度有关，比例系数m与缝的大小、水压加荷速率等因素有关。

图11 典型的水力劈裂试验CT图像Fig．11 Typical CT images of hydraulic fracture test

图12 水力劈裂试验成果Fig．12 Results of hydraulic fracture test

3．5 加筋土的试验研究

土中铺设土工合成材料形成的加筋土，其力学特性十分复杂，目的不同，试验方式也不同。本文并不在于加筋土的性质如何，只想说明CT技术可以用于加筋土的试验研究。

图13 典型加筋土CT图像Fig．13 Typical CT images of reinforced soil

图13 为典型加筋土试验完成时的CT图像。试验在CT三轴仪上进行，在常规三轴试样中铺置若干层土工合成材料，施加围压固结、剪切。图14是其中围压为200 kPa时不同加筋土的应力应变曲线。

图14 不同加筋土层的应力应变曲线（σ3＝200 kPa）Fig．14 Stress-strain curves of different reinforced soil

从图13可以看出，因筋材的密度与土体存在差异，CT图像可以清楚显示土中筋材的形态。水平布置的筋材对土体起到一定的约束作用，当筋材间距较大时，在筋材断面处出现明显的缩颈现象（图13（a））；当筋材间距足够小时，试样的水平变形将更加均匀一致（图13（b））。从图14可以看出，当其他试验条件一致时，随筋材层数增加，加筋土的强度逐渐增大，这从另一个侧面反映出筋材对土体的约束作用。

图15是典型的加筋土载荷模型试验的CT图像。地基表面下铺设一层土工织物，试验中在地基表面施加了一定的正压力，以便土工织物与土体间产生摩擦力。当载荷板承受一定荷载后，随着载荷板的下沉，土工织物逐渐弯曲，最终成锅底状，土工织物将承受一定的张力。地基承载力因土工织物的存在而大为增加。

图15 典型加筋土载荷模型试验CT图像Fig．15 Typical CT images of load model test of rein forced soil

4 结 语

2007年以来，本文作者一直致力于长江科学院岩土试验CT工作站建设，2008年底初步建成。自此之后利用CT技术探索性的开展了有关试验工作，取得一些初步成果。本文简要地介绍了其中几方面成果，旨在说明CT技术在岩土试验中的作用。实践表明，CT技术的引入将为岩土试验带来不可替代的作用，结合有关配套的岩土试验设备，其无损、动态、定量和实时量测岩土体内部结构变化的功能必将引起岩土试验技术的一次飞跃。

CT技术量测的成果是一组不同时空下的密度（CT数）分布图像和数据，如何进行CT岩土试验、如何充分利用CT试验成果都需要岩土工作者进一步研究和开发，随着一些物理量从不可测到可测，必将在很大程度上推动岩土力学的发展。

［1］ HOUNSFIELD G N．Computerized Transverse Axial Scan-ning（Tomography）［J］．British Journal of Radiology，1973，（46）：1016－1022．

［2］ 葛修润，任建喜，蒲毅彬，等．岩土损伤力学宏细观试验研究［M］．北京：科学出版社，2004．（GE Xiu-run，REN Jian-xi，PU Yi-bin，etal．Macro-and-Micro Experimental Study of Geotechnicel Damage Mechanics［M］．Beijing：Science Press，2004．（in Chinese））

［3］ 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．

（CHEN Zheng-han，LU Zai-hua，PU Yi-bin．The Matc-hing of Computerized Tomograph with Triaxial Test Appara-tus for Unsaturated Soils［J］．Chinese Journal of Geotech-nical Engineering，2001，23（4）：387－392．（in Chi-nese））

［4］ 朱元青，陈正汉．原状Q3黄土在加载和湿陷过程中细观结构动态演化的CT－三轴试验研究［J］．岩土工程学报，2009，31（8）：1219－1228．（ZHU Yuan-qing，CHEN Zheng-han．Experimental Study on Dynamic Evolution of Meso-structure of Intact Q3 Loess During Loading and Col- lapse Using CT and Triaxial Apparatus［J］．Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2009，31（8）：1219－1228．（in Chinese））

［5］ 姚志华，陈正汉，朱元青，等．膨胀土在湿干循环和三轴浸水过程中细观结构变化的试验研究［J］．岩土工程学报，2010，32（1）：68－76．（YAO Zhi-hua，CHEN Zheng-han，ZHU Yuan-qing，etal．Meso-structural Change of Re-molded Expansive Soils during Wetting-drying Cycles and Triaxial Soaking Tests［J］．Chinese Journalof Geotechnical Engineering，2010，32（1）：68－76．（in Chinese））

［6］ 沈珠江．土体结构性的数学模型——21世纪土力学的核心问题［J］．岩土工程学报，1996，18（1）：95－97．（SHEN Zhu-jiang．The Mathematics Model of Soil Struc-ture——the Key Problem of Soil Mechanics for the 21 Century［J］．Chinese Journal of Geotechnical Engineering，1996，18（1）：95－97．（in Chinese））

［7］ 程展林，丁红顺，吴良平．粗粒土试验研究［J］．岩土工程学报，2007，29（8）：1151－1158．（CHENG Zhan-lin，DING Hong-shun，WU Liang-ping．Experimental Study on Me-chanical Behaviour of Granular Material［J］．Chinese Jour-nal of Geotechnical Engineering，2007，29（8）：1151－1158．（in Chinese））

［8］ 程展林，吴良平，丁红顺．粗粒土组构研究之颗粒运动［J］．岩土力学，2007，28（增刊）：29－33．（CHENG Zhan-lin，WU Liang-ping，DING Hong-shun．Research on Move-ment of Particle of Fabric for Granular Material［J］．Rock and Soil Mechanics，2007，28（Supp．）：29－33．（in Chi-nese））

［9］ 孔宪勇．土石坝心墙料水力劈裂特性试验研究［D］．武汉：长江科学院，2009．（KONG Xian-yong．Experimental Study on Hydraulic Fracturing Features of Earth and Rock-fill Dam CoreWallMaterial［D］．Wuhan：Changjiang Riv- er Scientific Research Institute，2009．（in Chinese） ）

（编辑：周晓雁）

Application of CT Technology in Geotechnical M echanics

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

This paper briefly describes the geotechnical testing CTworkstations of Yangtze River Scientific Research Institute，aswell as the development of ancillary CT triaxial apparatus and infiltration instrument．By introducing the preliminary results of applying CT technology in fabric study of coarse-grained soil，infiltration tests of gravel soil，wetting-drying cycles study of expansive soil，and hydraulic fracture study，aswell as and reinforced soil，this paper displays CT image effects of different geotechnical tests，and demonstrates the role of CT technique in geotechnical tests in the hope of arousing the concern of geotechnical practitioners，and hence promotes the develop-ment of geotechnical testing．

CT technology；geotechnical testing；fabric；infiltration；wetting-drying cycle；hydraulic fracture；geotex-tile

TU411．92；TP274．51

A

1001－5485（2011）03－0033－06

2010-08-09

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）

程展林（1963-），男，湖北武穴人，教授级高级工程师，主要从事土力学研究，（电话）027-82926043（电子信箱）chengzl＠mail．crsri．cn。