显微CT扫描南京粉砂空间孔隙结构的精细化表征

孔隙结构是反映土体物理、力学性质变化的本征指标,传统医用CT分辨率尺度不足以辨识表征岩土体细观结构的单个颗粒或孔隙。使用了14μm高空间分辨率的工业显微CT,对砂雨法生成的南京粉砂试样进行了扫描。对CT图像预处理后所得二值数字图像序列进行了三维重构,实现了任意表征单元体(REV)提取,并可对REV采用三维二值矩阵加以表征与定量分析。通过分析断层图像序列,计算出土样整体的体积孔隙率,与实验孔隙率误差仅3.93%。沿试样高度计算表观孔隙率在20.97%~46.77%范围内波动。从试样底部一REV中提取出水平方向、与水平面成60°角以及两正交垂直方向共4个典型切面,对其孔隙定向性进行统计分析,结果表明,水平切面具有最小主定向角,两正交垂直切面中,一个具有最大主定向角,另一具有最小各向异性率,斜切面孔隙呈近似等向分布,无明显定向性。采用孔隙网络模型进行空间孔径定量分析,结果发现,所提取出3个REV的最大孔径分布在629~696μm,最小孔径分布在54~77μm,平均孔径分布在166~185μm,孔径分布在100~200μm范围内最为集中。方法可用于热、水、力等各类因素作用下土体空间孔隙结构的无损定量分析。

南京粉砂三轴压缩过程中的三维孔隙结构演化特征

砂土三轴剪切过程中细观孔隙结构演化与其宏观力学性质之间存在着紧密联系。基于南京大学自主研发的微型三轴仪,对南京粉砂试样进行了三轴剪切试验,利用显微CT扫描,获得了加载过程中试样的三维孔隙结构演化特征。结果表明:试样表现出应变软化-硬化型的应力-应变关系曲线;端部摩擦阻碍试样体积膨胀,发生鼓形区状破坏;试样整体体孔隙率从初始的46.3%减小到40.9%,后增大到43.0%附近,且试样破坏区孔隙率显著增大;统计区状破坏区表征单元体孔隙参数,发现破坏前孔隙被压密消失,孔隙数量减少32.4%,平均孔隙半径减小48.8%,导致孔隙半径分布趋于集中,破坏后破坏区域内出现大量大半径的孔隙;颗粒间错动导致颗粒棱角破碎,使孔隙形状趋于规则。