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关于CT技术在岩土工程研究中的应用探

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CT技术在岩土工程研究中的应用

摘要:简要论述了CT技术的基本原理。通过与SEM及AE方法的比较,肯定了CT技术在岩土工程研究中的适用性。概述了CT技术在岩土体受力过程中的裂隙发育、土体结构性的变化、土壤中的大孔隙研究、岩土体动三轴及冻土CT检测等方面的应用现状。

关键词:CT技术;岩土工程;裂隙发育

Abstract:The basic principles ofCT are briefly discussed. Comparedwith SEM andAEmethods, the applica-bility ofCT on GeotechnicalEngineering study is confirmed. Today, the application ofCT inGeotechnicalEngineer-ing lies in: the

evolution process of rock crack under loading, the change of soilmass structure, study of themacro-pores of soilmass, the change of silty clay before and afterdynamic triaxial testandReal-time CT test in frozen soi.l

Keywords:CT;GeotechnicalEngineering; evolution process of rock crack;

structure

引言

目前,研究岩土体内部变形、裂纹扩展及破坏手段有:扫描电子显微镜方法

(Scanning Electronicroscope, SEM)、声发射方法(Acoustic Emission,E)、X射线CT方法(Computerized Tomography,T)等。SEM的试样很小,矿物颗粒效应明显,且能实时观测到试样表面变化。AE利用了加载过中介质内部应力波传播现象,但其结果与材料内裂纹扩展参数难以建立定量联系,且目前常用设的采样率过低,即使对低频动态加载时的观测要也常难以满足。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], CT技术作为一项尖端的成像技术,已在医学上广泛用于对人体各种病理的透视检查。CT技术因具有无损、动态、定量检测且分层识别材料内部组成与结构信息变化、高分辨率数字图像显示等优点而倍受国内外工程领域及学术界的重视。国外已成功将C技术运用于岩土工程领域,并取得了显著成果。国内对岩土体CT方面的研究始于20世纪90年代初期。目前,CT技术在岩土力学研究中的应用日臻广泛与深入,尤其是在岩土的结构及变形考察方面取得了许多长足的进展,并取得了不少有益成果。笔者拟对CT技术在岩土工程研究中的应用研究情况进行综述和展望。计算机层析成像技术CT设备主要由放射源和探测器组成,基于透射线理论的CT图像重构技术已经成熟,并得到泛的应用,其基本思想为:被测物体放置在放射与探测器之间,放射源所发出的射线穿透被测物后必然引起射线强度、速度、频率等物理量数值的变化,这些数据的变化将会被探测器所检测。在每一个方向上,都会有一组射线穿透被测物,被测物体包含在这组射线所组成的几何区域,所测数据集称为此方向上的CT投影,通过转或平移改变射线源(或探测器)位置,则可以得不同方向的CT投影,据此可重构CT图像。在T装置中,放射源可以是(超)声波、电磁波、微、核磁共振(NMR)、X射线以及其他粒子流,其X射线应用最为广泛。X射线可以穿透非金属,不同波长的X射线不同的穿透能力,而不同物质对同一波长的X线的吸收能力也不相同,从放射源发出的X射穿透物体后的衰减服从比尔(Beer)定

理:I=I0exp[-(μ1l1+μ2l2+…+μnln)](1)式中:μi,li分别为第i层物质的衰减系数和度。上式反映了初始强度为I0的放射源穿过n层质衰减后的强度I。对于被检物体的某一截面,实际上是一定厚度薄片体,CT检测的目的就是要计算

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截面内的衰系数μ(x,y)。为了显著反映物质衰减系数的别,通常用水的衰减系数μw做参照定义CT数(用H表示),据此表示表征物质对X射线的吸收性,H与衰减系数μ存在如下关系: Hμ=μ-μwμw#215;1000 (2)中:μ,μw分别为物体和水的衰减系数。当μ=w,水的CT值为0Hu;当μ=μa,μa=0(μa为气的衰减系数)时,空气的CT值为-1000Hu。和空气的CT值不受射线能量的影响,因此可用们来标定CT值。一般岩土介质的CT值为-024~+3071Hu,因此可获得4096( 212)个不同CT值,即每个像素由12位数据表示。

3CT技术在岩土工程研究中的应用

3.1 用CT技术研究岩土体受力过程中的裂隙发育岩土体的细观试验研究是一项基础性前沿课题,CT实时检测试验可以为岩土体破坏机理的研究提供可靠的试验手段。孙红等[2]采用CT实时试验对上海粘性土在三轴应力条件下的特性进行系统的试验研究。研究表明,上海灰色粉质粘土在三轴应力下细观变形基本上分为4个阶段,即微裂纹压密阶段,初期损伤阶段,损伤快速发展阶段和软化破坏阶段。粉质粘土初始状态为不均一的和初始损伤,在受力过程中的变形也是不均匀变化受力过程中以局部变形为主,灰色粉质粘土的破坏是由于产生局部变形,形成剪切带造成的,裂纹在峰值强度及峰值强度后完全形成的。仵彦卿等[3]采用特制的三轴压力仪与医用西门子SOMATOM -plusCT扫描仪结合,对砂岩进行了室内单轴压缩试验。通过对砂岩的CT图像和密度损伤增量与应力关系曲线分析,结果显示砂岩的破裂演化过程可分为初始损伤的压密、裂纹出现-扩展、裂纹归并-分岔、裂纹重分岔-扩展以及裂纹惯通-宏观破坏等五个阶段。在初始损伤的压密阶段,砂岩的密度损伤增量为正值,速率也为正;在裂纹出现-扩展阶段,砂岩出现局部密度损伤增量减小,并随应力增加而由正值转为负值,速率也由正变负;在裂纹归并-分岔阶段,

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