基于CT技術(shù)的礫石土浸潤試驗研究

左永振，程展林，丁紅順

（長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室，武漢 430010）

基于CT技術(shù)的礫石土浸潤試驗研究

左永振，程展林，丁紅順

（長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室，武漢 430010）

礫石土浸潤峰位置對土石壩設(shè)計和安全運行有重要作用，但以前的技術(shù)手段不能進(jìn)行試驗驗證。CT技術(shù)作為目前最先進(jìn)的無損探測技術(shù)，在巖土力學(xué)試驗中具有得天獨厚的優(yōu)勢。將CT技術(shù)應(yīng)用到礫石土浸潤試驗方面，得到的CT圖片清晰可靠，可以準(zhǔn)確地得到浸潤峰的位置，因此是一種行之有效的方法。從CT浸潤圖片可以看出，浸潤線分層比較明顯，同時出現(xiàn)階梯狀浸潤峰，這是毛細(xì)作用在浸潤峰的發(fā)展過程中引起的現(xiàn)象。

CT技術(shù)；礫石土；浸潤試驗

1 概 述

在土石壩設(shè)計和運行中，準(zhǔn)確地確定浸潤面的位置至關(guān)重要。浸潤面位置可以用于對壩體進(jìn)行穩(wěn)定性分析［1］；也可以用于反演非飽和土導(dǎo)水系數(shù)與含水率之間的關(guān)系，確定非飽和土導(dǎo)水系數(shù)與飽和度關(guān)系的模型參數(shù)。目前對于確定浸潤面的位置，通常是采用數(shù)值模擬和解析解，然后根據(jù)經(jīng)驗粗略確定。限于試驗技術(shù)手段，還沒有學(xué)者對礫石土浸潤進(jìn)行試驗研究。

1972年英國EMI公司首先制成由工程師G.N.Hounsfiel設(shè)計的第一臺CT掃描機［2］，CT技術(shù)作為一項高精度的成像技術(shù)，已在醫(yī)學(xué)上廣泛用于對人體各種病理的透視檢查。CT技術(shù)因具有無損、動態(tài)、定量檢測且分層識別材料內(nèi)部組成與結(jié)構(gòu)信息變化、高分辨率數(shù)字圖像顯示等優(yōu)點而倍受國內(nèi)外工程領(lǐng)域及學(xué)術(shù)界的重視。國外已成功將CT技術(shù)運用于巖土工程領(lǐng)域，并取得了顯著成果。國內(nèi)對巖土體CT方面的研究始于20世紀(jì)90年代初期。目前，CT技術(shù)在巖土力學(xué)研究中的應(yīng)用日臻廣泛與深入，尤其是在巖土的結(jié)構(gòu)及變形考察方面取得了許多長足的進(jìn)展，并獲得不少有益成果［3－7］。

長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室經(jīng)過近3年的探索，引進(jìn)西門子Sensation40層醫(yī)用CT機，自主開發(fā)研制了系列適合CT試驗的儀器，建設(shè)完成了巖土試驗可視化系統(tǒng)，在粗粒料組構(gòu)分析研究、膨脹土干濕循環(huán)裂隙發(fā)育研究、礫石土浸潤試驗研究、巖石樣裂隙發(fā)育、粘性土水力劈裂等方面，均做了有益的嘗試?，F(xiàn)就筆者進(jìn)行的利用CT技術(shù)開展的礫石土浸潤試驗綜述分析。

2 CT掃描的檢測原理

CT技術(shù)是利用x射線穿透物體斷面進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描，收集x射線經(jīng)此層面不同物質(zhì)衰減后的信息，進(jìn)行放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換后，由計算機在CT的探測空間范圍內(nèi)，與空間某點相關(guān)的各個方向射線進(jìn)行空間解算，得出與該點x射線吸收系數(shù)μ直接關(guān)聯(lián)的數(shù)值CT，從而形成一幅物體層面的μ數(shù)字圖像。物質(zhì)的密度越大，CT數(shù)值越大。由于監(jiān)測過程不破壞樣品的整體性，整個試驗過程可以多次對樣品的不同層面重復(fù)監(jiān)測、記錄，進(jìn)行圖像分析和處理，也可以保存并與其它試驗方法進(jìn)行對比分析。因此，用此方法進(jìn)行巖土材料的結(jié)構(gòu)分析具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。

圖1是水利部巖土力學(xué)與工程重點實驗室建設(shè)完成的巖土力學(xué)CT可視化系統(tǒng)。

3 試驗設(shè)備、用料與試驗方法

3.1 試驗設(shè)備

試驗儀器采用水平浸潤儀，見圖2。試驗儀器為有機玻璃制造，在側(cè)部加水，并保持常水頭。試樣尺寸為150 mm×150 mm×150 mm的方塊樣。

為了后文描述方便，將試驗儀器做三維示意，見圖3（a）所示。圖中陰影部分是試樣，體BJ和體NG是2個空腔體，在體BJ內(nèi)充水，在體NG監(jiān)測浸潤出水情況。圖3（b）中按照裝樣層將試樣分為層（1）、層（2）、層（3）、層（4），各層高度均為37.5 mm。

圖2 水平浸潤儀Fig.2 The horizontal infiltration Instrum ent

圖3 水平浸潤儀示意圖Fig.3 The sketch of horizontal infiltration Instrument

3.2 試驗材料

試驗材料選取大渡河長河壩水電站心墻壩礫石土料，試驗級配見圖4。

礫石土的最大干密度為2.11 g／cm3，最優(yōu)含水量為8.5%，試樣的制樣干密度為1.86 g／cm3，試驗含水率為最優(yōu)含水率。

3.3 試驗方法

對浸潤樣，分4層進(jìn)行填裝，總高度控制為15 cm。浸潤試驗時在體BJ內(nèi)加水，水高85 mm，并保持常水頭，見圖3（b），從側(cè)部MJ對試樣進(jìn)行浸潤，浸潤方向從加水側(cè)面MJ向另外一個側(cè)面NK水平發(fā)展。當(dāng)另一側(cè)部NK出水時，認(rèn)為浸潤過程結(jié)束，浸潤試驗完成。

圖4 礫石土試驗級配Fig.4 Gradation curve of gravel soil test

4 浸潤試驗成果

圖5是利用CT技術(shù)得到的浸潤過程中的不同時刻的CT切片，切片位置為y＝75 mm平面，左右2幅圖片是同一個斷面2種顯示方法。圖5（a）是浸潤初始時刻的圖片；圖5（b）至圖5（g）是不同時刻的浸潤峰位置。通過圖5的圖片可以看出，浸潤峰位置清晰可見，利用CT技術(shù)監(jiān)測浸潤峰的發(fā)展是行之有效的方法。

為了得知浸潤過程中浸潤峰發(fā)展形式，對圖5（d）浸潤時間為276 min的試樣進(jìn)行切片，切片位置為平行于xy底面的不同高度的水平面，得到的CT切片見圖6。圖6（a）的切片高度z＝2.76 cm，位于層（1）；圖6（b）的切片高度z＝6.46 cm，位于層（2）；圖6（c）的切片高度z＝9.09 cm，位于層（3）。

5 試驗成果分析

從CT浸潤圖片5中可以看出，浸潤線分層比較明顯，同時出現(xiàn)階梯狀浸潤峰，這是毛細(xì)作用在浸潤峰的發(fā)展過程中引起的現(xiàn)象。

浸潤開始時候發(fā)展較快的位置是各分層接觸面，這與試樣制備條件有關(guān)，因為試樣是分層擊實制備。由于邊壁摩擦阻力和擊實功能傳遞原因，導(dǎo)致同一層試樣的底部較頂部疏松，在初始浸潤時候，自由水首先浸潤到水頭下的相對疏松位置。隨著浸潤的發(fā)展，進(jìn)入土體的自由水與土料接觸時，由于靜電作用，自由水逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻娼Y(jié)合水。表面結(jié)合水的特點是密度較大、粘滯度高、流動性差，因此浸潤峰的發(fā)展將逐漸變緩。此后，毛細(xì)作用將占浸潤峰發(fā)展的主要部分，土體壓實緊密的位置，浸潤峰將首先到達(dá)，而土體壓實疏松的位置，浸潤峰將遲后到達(dá)，使浸潤峰出現(xiàn)明顯的階梯狀。在浸潤后期，由于毛細(xì)作用，試驗水頭上部的試驗也浸潤飽和。

圖5 浸潤試驗CT切片F(xiàn)ig.5 Slice of CT on infiltration test sam ple

對照圖5中不同時刻的CT切片，可以計算礫石土浸潤峰發(fā)展速率。假定左下角為坐標(biāo)原點。圖7是估算的浸潤樣層（1）的浸潤峰與時間關(guān)系曲線。

通過圖7可以看出，起始時刻的浸潤峰發(fā)展較迅速，隨著時間的推移，浸潤峰發(fā)展速率逐漸降低，表現(xiàn)在浸潤峰發(fā)展位置與時間關(guān)系曲線上，即為浸潤前期的曲線較陡，后期的曲線逐漸平緩至水平方向。

圖6是同一時刻不同高度下的CT切片，可以看出，在試樣浸潤過程中，底部的浸潤峰明顯快于頂部，而浸潤水頭只有試樣高度的一半，出現(xiàn)這樣的試驗現(xiàn)象，是低水壓力對浸潤峰發(fā)展的影響，還是毛細(xì)作用的影響，需要做進(jìn)一步的試驗研究。另外，從單一CT圖片看，浸潤峰的形態(tài)呈現(xiàn)凹型，同一時間同一高度下的中間部位的浸潤峰遲于兩側(cè)位置，這估計和試樣邊壁處理有關(guān)，仍需要試驗驗證。

圖7 浸潤峰位置與時間關(guān)系曲線Fig.7 The curve of infiltration location vs time

圖6 浸潤試驗CT切片F(xiàn)ig.6 Slice of CT on infiltration test sam ple

6 結(jié) 語

本文重點介紹了將CT技術(shù)應(yīng)用到礫石土浸潤試驗研究取得的成果，旨在說明這是一種行之有效的研究方法，試驗密度、浸潤水頭、試驗尺寸等對浸潤峰發(fā)展的影響，將另文介紹。

由本次礫石土浸潤試驗的CT圖片可以看出：

（1）CT圖片清晰可靠，結(jié)合自行開發(fā)的軟件，可以較準(zhǔn)確地得到浸潤峰的位置。

（2）浸潤線分層比較明顯，同時出現(xiàn)階梯狀浸潤峰，這是毛細(xì)作用在浸潤峰發(fā)展過程中引起的現(xiàn)象。

（3）浸潤峰在起始時刻發(fā)展較迅速，隨著時間的推移，浸潤峰發(fā)展速率逐漸降低。

（4）同一時刻不同高度的條件下，試樣底部的浸潤峰快于試樣頂部，其影響因素需要作進(jìn)一步的試驗研究。

［1］ 唐曉松，鄭穎人，林成功.浸潤面位置的確定方法對涉水邊坡穩(wěn)定性分析的影響［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008，27（增刊）：2814－2819.（TANG Xiao-song，ZHENG Ying-ren，LIN Cheng-gong.Influence of Ap-proach on Locating Phreatic Surface Hydrous Slope Stabil-ity Analysis［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27（s）：2814－2819.（in Chinese））

［2］ HOUNSFIELD G N.Computerized Transverse Axial Scanning（Tomography）［J］.British Journal of Radiolo-gy，1973，46：1016－1022.

［3］ 程展林，丁紅順，吳良平.粗粒土試驗研究［J］.巖土工程學(xué)報，2007，27（8）：1151－1158.（CHENG Zhan-lin，DING Hong-shun，WU Liang-pin.Experimental Study on Mechanical Behaviour of Granular Material［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2007，27（8）：1151－1158.（in Chinese））

［4］ 孫 紅，葛修潤，牛富俊，等.上海粉質(zhì)粘土的三軸CT實時細(xì)觀試驗［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24（24）：4559－4564.（SUN Hong，GE Xiu-run，NIU Fu-jun，et al.Real Time CTMeso-Testing on Shanghai Silty Clay Subjected to Triaxial Loading［J］.Chinese journalof Rock Mechanics and Engineering，2005，24（24）：4559－4564.（in Chinese））

［5］ 施 斌，姜洪濤.在外力作用下土體內(nèi)部裂隙發(fā)育過程的CT研究［J］.巖土工程學(xué)報，2000，22（5）：537－541.（SHIBin，JIANG Hong-tao.A Study on the Devel-opment of Failures Inside Soil under the External Force Using CT Technique［J］.Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2000，22（5）：537－541.（in Chinese））

［6］ 盧再華，陳正漢，蒲毅彬.膨脹土干濕循環(huán)脹縮裂隙演化的CT試驗研究［J］.巖土力學(xué)，2002，23（4）：417－422.（A CT Study on the Crack Evolution of Expansive Soil During Drying and Wetting Cycles［J］.Rock and Soil Mechanics，2002，23（4）：417－422.（in Chinese））

［7］ 程展林，吳良平，丁紅順.粗粒土組構(gòu)之顆粒運動研究［J］.巖土力學(xué)，2007，28（增刊1）：29－33.（CHENG Zhan-lin，WU Liang-ping，DING Hong-shun.Research on Movement of Particle of Fabric of Granular Material［J］.Rock and Soil Mechanics，2007，28（S1）：29－33.（in Chinese） ）

（編輯：王 慰）

Gravel Soil Infiltration Study Based on CT Technology

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

The position of gravel soil infiltration peaks plays an important role to the design and safe operation of dam，but it can not be experimentally verified by the previous techniques.CT technology，as the most advanced non-destructive detection technology，has a unique advantage in the rock mechanics experiments.CT technology was applied to the gravel soil infiltration tests，the obtained CT images are clear and reliable.It can accurately indi-cate the position of infiltration peak，therefore，it’s an effective approach.From the CT infiltration imageswe can see themore obvious stratification line，meanwhile peak appears ladder-like，which is the phenomenon caused by capillarity in the development process of the infiltration peak invasion.

CT technology；gravel soil；infiltration test

TV641.2

A

1001－5485（2011）02－0028－04

2010-03-18

國家自然科學(xué)基金委員會、二灘水電開發(fā)有限責(zé)任公司雅礱江水電開發(fā)聯(lián)合研究基金項目（50639050）

左永振（1980-），男，山東臨沂人，助理工程師，主要從事粗粒土力學(xué)性質(zhì)研究，（電話）027-82820026（電子信箱）zuoyongzh＠163.com。