利用CT扫描技术进行冻土研究的现状和展望

介绍了CT扫描技术的特点, 回顾了利用CT扫描试验进行冻土研究的历史和现状, 包括研制与CT配套使用的用于冻土的辅助设备、 利用CT数进行冻土内部结构变化分析、 利用CT数定义损伤并进行损伤演化研究、 利用CT图像进行细观结构分析等, 总结了冻土研究领域的代表性成果. 最后, 指出在现有的技术条件下利用CT扫描技术进行冻土研究所遇到的问题、 以及可能的解决办法. 其中, 着重介绍了高质量CT图像的获取、 CT数的变化与冻土试样感兴趣区域内的各组分变化的联系、 冻土CT图像的数字化处理方向. 结果表明: CT扫描技术是现阶段对冻土内部细观结构进行无损检测的最理想有效的技术之一, 借助辅助设备及图像数字化处理, 势必对冻土领域的研究发展起到更大作用.     

冻融循环作用下含水率对粗颗粒填料水分迁移影响的宏细观试验研究北大核心CSCD

冻融循环作用和初始含水率是影响粗颗粒填料水分迁移特征和冻胀融沉变形的两个主要因素。为明确冻融循环作用下,不同初始含水率粗颗粒填料的水分迁移特征及细观机制,采用荧光素为追踪剂,以CT细观机理观测为研究手段,开展了不同初始含水率条件下粗颗粒填料的一系列冻融循环试验,探究了温度场和冻深变化、水分迁移图像、补水量变化、最终含水率分布及CT值变化规律等。试验结果表明,冻深基本随冻融循环的次数增加不断加深,初始含水率越大,不同冻融循环作用下冻深的变化越稳定。外界补水量和液态水迁移高度与初始含水率呈负相关。CT扫描结果分析表明,经历多次冻融循环后,试样中的水分迁移导致土体孔隙结构及颗粒构造发生变化,试样的密度普遍增加,孔隙率以减小为主,进而导致土体发生相应变形。     

基于4D显微成像的非饱和颗粒土微观力学与渗流试验研究

非饱和土力学水力-力学相关的微观机制尚不明确,目前缺乏准确的微观试验分析。针对非饱和土试验无损化观测的研究需求,研发了适用微焦点CT(computed tomography,简称CT)扫描系统的微型非饱和三轴试验装置与微型土-水特征曲线试验装置,研发的装置均主要包含压力控制系统、数据采集系统和装置主体,体积轻巧、兼容性高,可分别实现对小型化颗粒状土试样在非饱和三轴剪切试验与非饱和渗流试验的无损动态三维成像。与常规试验设备结果进行对比分析,验证了自研的微型试验装置的精度与可靠性。开展三轴剪切与非饱和渗流的原位CT扫描试验,均获得微米级分辨率三维图像,图像分析所得参量的多尺度演化趋势准确反映了原位试验的宏观应力-应变关系及全局持水能力特性。     

基于图像检索技术的岩石单轴压缩破坏过程CT描述

基于X射线的CT扫描技术,因其具有多层位、对同一岩石试件可连续、无损扫描等优点,在岩石力学与工程研究中得到了广泛应用。对岩石单轴压缩破坏过程进行实时CT扫描,也是岩石力学研究的重要内容之一。针对三维显微CT试验系统实时监测煤岩单轴压缩破坏过程中,因位移误差会引起扫描层定位不准确,进而影响试验结果这一基本问题,提出了基于图像检索技术的CT扫描图像处理方法。通过对煤岩试样在单轴载荷作用下破坏过程的CT实时监测,并引入基于Manhattan距离的相似性计算方法,检索出岩石试件同一层位在不同应力状态下的相似扫描层。结果表明,采用图像检索的方法,可以有效地减小煤岩在加载破坏过程中位移误差的影响,更好地通过CT图像来描述煤岩在不同应力状态下的微裂纹分布状况和演化规律,从而在细观层次上揭示岩石在单轴压缩条件下破坏的基本规律。     

深部砂土三轴高压卸载结构变化的CT研究

用取自山东巨野矿区埋深近 6 0 0m的深部砂土样,在三轴试验机上进行围压为 12MPa的三轴卸载试验,同时用CT装置探测试样在试验全过程中内部结构变化,并对纪录的CT图片进行了计算机图像分析处理,分析了深部砂土在高压卸载条件下变形和破坏结构性变化本质特点。     

不同初始饱水状态红砂岩冻融损伤差异性研究

借助于红砂岩冻融循环CT扫描试验，从扫描层面内不同的感兴趣区域内CT均值数大小及其变化以及CT图像，对4种典型的不同初始饱水状态红砂岩进行冻融循环条件下损伤扩展差异性研究。研究结果表明，对于初始损伤相同的岩石，初始饱水状态将决定冻融循环对其损伤扩展的影响程度。     

利用CT扫描对粗砂土中甲烷水合物形成过程中水分迁移特征的分析

多孔介质中甲烷水合物的形成及分解实验研究,对于了解多年冻土中天然气水合物的赋存有重要意义.通过X射线扫描系统对粗砂土中甲烷水合物的形成及分解过程中反应釜内水分的空间变化进行分析,结果表明:粗砂土中甲烷水合物的形成和分解过程中,CT数在反应釜内有明显的空间变化特征,且这个空间变化特征与甲烷水合物在粗砂土中形成、分解过程中水分的迁移是密切相关的.通过对不同阶段CT扫描所获得图像CT值的空间变化特征进行分析,可以看出:在甲烷水合物的生成过程中,反应釜内下半部分的水分会向上半部分迁移,以弥补上半部分水分的不足;在甲烷水合物分解过程中,分解所释放出来的水分会由反应釜上半部分向下半部分回迁,最终达到自然分布.     

冻土CT图像中环形伪影和射线束硬化伪影的成因及校正方法

冻土CT图像中不可避免地会出现环形伪影和射线束硬化伪影。为解决这些问题, 分析了两类伪影的特征和形成机理, 提出了降低伪影的硬件优化方案。首先, 通过改变X射线管电压, 以此改变X射线光通量来降低冻土CT图像的环形伪影。其次, 利用不同厚度的滤过材料, 将X射线中的低能射线预先过滤, 使得穿过冻土试样的X射线能谱范围变窄, 以此来降低射线束硬化伪影对试样的影响。对比分析结果表明： 将扫描电压提高到120 kV既能有效降低同类型冻土试样CT图像中的环形伪影, 又能保证图像的质量; 选用材质为2A12、 厚度为18 mm的航空铝材, 在扫描电压为120 kV、 扫描电流为230 mA的条件下可以有效抑制射线束硬化所造成的伪影。     

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

改进了与CT扫描系统配套使用的三轴仪。改进后三轴仪由控温精度达到±0.1℃的压力罐和加载装置组成,能够实现对冻土力学试验过程真正的CT实时动态监测。对不同温度条件下的冻结兰州黄土单轴压缩过程进行了CT动态扫描, 得到如下结论,应变0～0.7%的阶段,试样发生弹性变形,CT数轻微增大;应变0.7%～6.5%的阶段,开始发生塑性变形,但还没有发生损伤,CT数变化不大;当应变大于6.5%时,试样的CT数明显变小,损伤开始发生,直至应变达到10%时,试样发生破坏,随后CT数也急剧减小。因此,冻结兰州黄土的屈服应变为0.7%,损伤应变临界值为6.5%,破坏应变临界值为10%。另外,温度对试样的CT数也有影响,在-0.6～-1.7 ℃的温度范围内,试样CT数变化具有很明显的规律,即温度越低,CT数越小,在-1.7 ℃和-5 ℃试验条件下CT数变化不大。     

接触角对非饱和土中基质吸力的影响

接触角是研究三相界面的一个基本物理量。非饱和土是典型的三相体,然而在非饱和土力学中对接触角的研究还比较少,目前还停留在假设阶段,通常假设接触角为某一固定值,甚至忽略接触角的影响。实际上接触角是随外界环境的改变而变化的。通过化学方法对砂土表面改性,从而提高砂土的接触角,使砂土由亲水性变为斥水性。在亲水性砂土中加入斥水性砂土以提高砂土的表观接触角,以此为基础制备不同接触角的试样进行吸力测量试验。试验结果表明,接触角对非饱和土中的基质吸力有重要影响,含水率相同时,随着接触角的增大基质吸力是不断减小的,当含水率增大到一定值时,基质吸力不受土体（亲水状态下）接触角的影响。当接触角增大到一定值时,非饱和土体中的基质吸力消失,即非饱和土体中不再存在负的孔隙水压力。     

Experimental Study on Mechanical Behavior of Unsaturated Silty Sand in Constant Equivalent Granular Void Ratio

In this paper effect of fine mineralogy on mechanical behavior of unsaturated silty sand in different fine contents and divers confining pressure has been studied. All samples were molded with constant equivalent granular void ratio well-known parameter already proposed for characterizing silty sand behavior in saturated state. This manner of study allow to investigate also the validity of equivalent granular void ratio concept in unsaturated state. For this purpose, a series of triaxial tests were performed on the sand specimens with different percentages of silt in the undrained saturated (CU) and unsaturated (CW) conditions. The results showed that the material types and aggregate distribution of the fines have enormous effects on the silty sand behavior. In addition, the shear strength in the unsaturated specimens changed as a function of the initial applied matric suction. A fewer performance of equivalent intergranular void ratio in the case of unsaturated state in comparison of saturated states was observed.

     

Monitoring of internal failure evolution in soils using computerization X-ray tomography

Computerized X-ray tomography (CT) has been used in disciplines such as soil science, geology and rock mechanics to analyze the texture of geomaterials. However, this potentially useful method has not thus far been used adequately in engineering geological analyses.To investigate its feasibility, CT is utilized in this study to monitor the evolution of internal failure in soil masses. An apparatus that can be fitted into the chamber of a medical CT was built to conduct geotechnical tests. Loading and shearing experiments were performed on bentonite, kaolinite, sand, silicon powders, and glass beads. CT images have been taken on different cross-sections inside the specimens to monitor soil deformation continuously. The results of direct shear, horizontal and vertical loading tests are presented and discussed. It has been demonstrated that CT is a powerful non-destructive and non-invasive tool for engineering geological analyses.     

杭州湾浅层储气砂土应力路径试验研究

利用GDS非饱和三轴试验系统开展了杭州湾储气砂土主动压缩、被动压缩、主动伸长与被动伸长等4种应力路径试验研究,以论证应力路径对非饱和砂土的变形性状与强度特性影响。结果表明,在卸荷应力路径被动压缩与被动伸长下非饱和砂土的应力-应变曲线呈明显的应变软化性状,而加荷应力路径主动压缩与主动伸长则分别表现为轻度应变软化及显著应变硬化变形特征;非饱和砂土的强度参数在卸荷与加荷应力路径中也存在差异,前者的有效凝聚力高于后者,而内摩擦角则相反;但其表观凝聚力与基质吸力关系在不同应力路径下均可用乘幂函数 有效描述,而试验参数a、b值不同,公式 可合理地用于表述非饱和砂土的强度特性。     

CT扫描确定土壤大孔隙分布

对含有各种大孔隙的原状土柱和已知直径大孔隙的填充土柱进行CT扫描实验,阐明CT扫描原理和过程,对CT图像进行处理,得到大孔隙数目、大小、形状和连通性在土柱横断面和纵断面上的分布.采用图像处理软件Photoshop、地理信息系统软件ARC/INFO和Mapinfo分析结果表明:CT扫描是一种有发展前景的、非破坏性的确定土壤大孔隙分布的方法.     

基于地中渗透仪的入渗补给方式分析

文章通过在某均衡试验场地中的渗透仪上开展土壤水流穿透试验,分析灌溉水对地下水补给方式。试验结果表明:淹灌条件下,粉细砂扰动土中的穿透曲线为典型的单峰对称型,表明粉细砂中的土壤水通过活塞式入渗补给地下水;而亚粘土中的穿透曲线显示多峰、优先穿透、拖尾等现象,表明亚粘土中的土壤水以优势流方式补给地下水。通过对均衡场降水入渗补给的长观资料分析发现:在自然降雨条件下亚粘土中优势流明显,粉细砂中主要以活塞流为主。     

三轴压缩煤岩三维裂隙CT图像重构及体分形维研究

通过对煤岩试件进行常规三轴力学试验,并对破坏后的煤岩试件进行CT扫描,之后将处理过的CT图片导入Mimics10.01进行三维重构,得到了煤岩试件内部裂隙空间的分布情况。另外,利用自编的Matlab程序对煤岩试件的体分形维进行了初步分析。结果表明：煤岩试件在三轴加载条件下主要发生压剪破坏;且围压不同,煤岩试件表现出了特定的力学规律;利用Mimics10.01重构得到的煤岩三维裂隙空间分布情况显示,随着围压的增大,煤岩试件剪切破坏面的连通率和体密度有增大的趋势;体分形维计算的结果显示,煤岩内部破坏越严重,体分形维值越小。     

单轴压缩载荷作用下双裂隙扩展的CT扫描试验

由于精选后的陶瓷材料与岩石性质相似,因此选择陶瓷作为基本材料制作中部含2条圆币状裂隙的试件,进行单轴压缩荷载作用下的CT实时扫描试验,研究试件内双裂隙的扩展和损伤演化规律。采用3种不同区域划分方案,通过CT数、CT方差和CT图像的对比,分析上、下裂隙及岩桥区域不同的扩展状况。分析表明,上裂隙区域一直以压密为主,扩展很小,对试件破坏影响较小;下裂隙区域扩展剧烈,最终形成了宏观裂纹,对试件的破坏影响较大;当上下裂隙之间的中心距离等于4倍的裂隙半径时,裂隙的扩展过程将与裂隙自身参数有关,几乎看不出裂隙之间的相互作用。     

冻结红砂岩单轴损伤破坏CT实时试验研究

为探究冻结岩石的宏观力学特性及损伤演化机理,对20、?5、?10 ℃红砂岩进行单轴加载CT实时扫描,获得各扫描层的CT扫描图像。利用Matlab自编程序生成灰度直方图和二值图像,基于CT数H值正比于密度的关系定义岩样扫描层的安全区、损伤区、破坏区,结合温度效应、水的软化作用及冰的冻胀力对岩样的影响,定量地研究冻结岩石的损伤破坏演化规律。试验研究表明,(1) 温度由20 ℃降至?5、?10 ℃时未冻水含量减少而冻结冰含量增加,岩样强度增大、抗变形能力提高、整体稳定性提高,CT图像呈现出岩样裂纹尺寸发展减慢、损坏程度减弱的规律;(2) 不同温度下岩石单轴加载的损伤演化经历了裂隙萌生、闭合、延伸、汇集及形成宏观主裂纹的阶段,岩样变形增大发生破坏;(3) 由于端部效应,中间较两端扫描层的损伤程度高,外侧较内侧扫描层先发生损伤,损伤边缘化并向内部扩展。     

基于微观结构重塑的非饱和冻土导热系数预测

为预测非饱和冻土的导热性能,基于土体微观结构,提出了非饱和冻土特征结构识别算法和多元素生成算法,并将该算法与传统有限单元法组合,建立非饱和冻土导热系数蒙特卡洛预测模型。通过土体SEM电镜图像,采用逆向四参数增长识别法识别土体中各组分含量、大小以及各方向分布概率;改进传统的四参数随机增长法,提出了考虑土、水、冰和气的多元素生成算法;基于生成的非饱和冻土模型,通过蒙特卡洛方法获得非饱和冻土导热系数,并与规范中冻土导热系数进行对比,验证了蒙特卡洛法预测模型的合理性（平均误差<4%）;通过多因素分析研究孔隙率、颗粒大小、土体导热性、饱和度以及结冰率对非饱和冻土导热性影响,各因素与导热系数的相关系数依次为：-0.352、-0.098、0.641、0.520和0.060,影响大小为：土颗粒导热性>饱和度>孔隙率>土颗粒大小>结冰率。各影响因素对非饱和冻土导热系数影响可以归纳为对热通量形成“热链”密度、宽度、连通性、热流承载力以及对“热桥”通量的影响。