基于CT扫描的渗流作用下碎石土孔隙结构变化规律研究

碎石土作为滑坡堆积层的主要组成物质,受动水因素影响,在渗流作用下内部渗透压力的变化导致土颗粒流失,造成细观结构和力学性质随之发生改变,从而影响滑坡整体稳定性。目前,渗流作用下不同渗透压力状态的孔隙结构变化规律研究较少。通过自主设计的渗流装置对碎石土试样开展室内渗流侵蚀试验,并利用CT扫描技术获取试样渗流侵蚀过程的内部孔隙图像数据。通过孔隙识别和参数提取,得到了不同渗流时刻试样内部孔隙率、等效直径等细观参数。构建孔隙网络模型,分析了渗流作用下连通孔隙的孔喉半径、喉道长度和配位数的变化规律。结果表明:水力梯度的逐步升高会改变碎石土内部孔隙分布,土颗粒的流失造成孔隙率增大,孔隙数量先增加后减少,孔隙体积增加;渗流作用下孔隙发生扩张和连通,孔隙之间连通性增强,平均孔喉半径和配位数均随着水力梯度的升高而增加。研究结果可以为碎石土滑坡的预防与治理提供一定的理论支撑。

生物质炭改良盐渍土CT孔隙图像的多重分形与相对熵特征

定量化分析土壤结构对于了解土壤的物理、化学和生物过程有至关重要的作用。结合尺度分析理论和图像处理技术可从微观角度阐明土壤结构演变过程,解决生物质炭添加对土壤结构影响的争议问题。本研究以江苏滨海盐渍土为研究对象,设置0%、2%、5%(占0~20 cm表层土壤质量比)3个生物质炭添加水平改良盐渍土。每年在水稻收割后,采用塑料环刀取表层(0~20 cm)原状土,进行Micro-CT扫描获取土壤CT孔隙结构,采用不同的理论方法(多重分形分析和相对熵分析)分析生物质炭改良土壤CT孔隙的复杂尺度行为。结果表明,多重分形分析适合于灰度图像,而相对熵分析适合于二值图像。所有处理的孔隙复杂度逐年增加,生物质炭添加能够加快土壤孔隙结构的发育,孔隙复杂度增加速率更快。在不同生物质炭处理中,2%生物质炭处理的孔隙结构复杂程度最高(△α=0.061,Range△E=0.436),土壤的孔隙结构改善效果最好。高生物质炭的添加量(5%生物质炭处理)减少孔隙结构的复杂度(△α=0.045,Range△E=0.531),降低生物质炭的改良效果。本研究从孔隙微观角度为生物质炭改良孔隙结构提供理论依据。

基于CT扫描的重构土壤孔隙结构及其对水盐运移影响

煤矸石是煤矿沉陷区土地充填复垦的关键材料。但煤矸石质地较为粗糙,持水性较差,煤矸石重构土壤的孔隙结构和水盐运移都会与原状土壤产生一定差异。为研究煤矸石充填土壤孔隙结构变化以及对水盐运移的影响,利用CT扫描技术和图像分析方法,分析覆土、泥矸混合、矸石与原状土样品的孔隙结构差异,同时设计一种室内重构土壤水盐运移模拟装置,通过在实验装置不同深度布设传感器,连续记录重构土壤剖面水分与盐分的运移情况。结果表明,在原状土、覆土、泥矸混合与矸石4份样品中,矸石样品孔隙率高于其他样品,达到8.299%,导致其持水能力较差;泥矸混合样品小孔隙占比高,达到58.73%,孔隙连通性较差,缺乏水分运移通道,导致层间障碍带的形成;覆土样品与原状土样品孔隙结构非常接近。在土柱模拟实验中,土壤盐分含量随水分运移而变化,各土壤层含盐量均先升高后降低,入渗结束后,表层土壤完成脱盐,深层土壤呈现积盐状态。在注水6d内,土壤层含盐量均先降低后升高,50cm土壤层变化幅度最大,为38.34%。深层土壤盐分借助毛管力作用向上运移,表层土壤含盐量逐渐回升。由于层间障碍带的存在,矸石层水分与盐分均难以向上运移,其含量逐渐下降。研究结果可为沉陷区土地充填复垦和矿区生态修复提供参考。

运用CT扫描分析改良砂姜黑土犁底层的孔隙特征

砂姜黑土质地黏重,长期旋耕导致犁底层紧实,严重影响土壤孔隙质量。本研究依托豫南砂姜黑土区连续3年的耕作和培肥大田改良试验,对常规旋耕(CK)、深耕(DT)、深耕配施生物炭(DT+B)和深耕配施有机肥(DT+M)4个处理的犁底层进行土壤X射线计算机断层扫描(CT)及其图像重构软件分析、水分入渗等物理指标的测定,研究分析改良后犁底层土壤孔隙特性及水分入渗性能,以有助于深入认识和评价土壤改良效果。结果表明,犁底层土壤总孔隙率和最大孔隙直径表现为DT+B>DT+M>DT>CK;与CK相比,DT+B处理的小直径孔隙(<40μm和40~60μm)数量显著降低36.6%和38.5%,而具有导水和透气功能的大直径孔隙(200~300μm和>300μm)数量显著增加64.3%和69.4%。深耕培肥处理还显著提高犁底层饱和导水率及改善容重、紧实度等物理指标,提高水分入渗能力,以DT+B处理效果最佳。相关分析表明,大孔隙结构与土壤水力学特性之间存在显著的正相关关系。综上表明,深耕配施生物炭有效改善犁底层的土壤孔隙质量及其他物理障碍。本研究结果可为砂姜黑土改良提供技术方法和参考依据。

基于CT扫描植物根-土复合体直剪试验研究

为探究植物根系对土壤的作用机理,以构树、刺槐、枸杞根为研究对象,通过重塑根-土复合体直剪试验、CT扫描试验,分析了三种植物根系的固土机理。试验结果表明:三种植物根系的存在能够有效地提升土样的抗剪强度与变形能力,其中构树根的增强效果最为显著;较未含根试样含构树根试样内摩擦角提升70.3%,含刺槐根试样黏聚力提升74.8%;根系对土样剪切裂缝的扩展有显著的抑制作用,裂缝的宽度与长度均比未含根试样的小,三种植物中构树根系对土体的加固作用较优。该研究结果为植物根系的固土护坡机理提供理论支撑。

考虑干湿循环影响的残积土μ–CT扫描与渗流模拟

花岗岩残积土广泛分布于中国东南沿海地区,其孔隙结构常因炎热多雨环境引起的干湿循环而发生扩张,改变土体的渗透性能,诱发工程事故。为了揭示干湿循环作用下花岗岩残积土细微观结构与渗透特性的演变规律,对原状样进行0到8次的脱湿–吸湿处理,开展微米计算机层析(μ–CT)扫描试验以获取土体的3维数字化模型,并结合扫描结果与AVIZO软件进行多通道渗流模拟,最后根据试验结果分别从定性和定量角度探究了土体孔隙体积分布与渗透系数的演化规律。结果表明:根据μ–CT扫描的图像结果,花岗岩残积土内部结构被划分为赤铁矿、石英、黏土和孔隙;3维重构模型反映了孔隙结构的扩张与连通模式,孔隙数量和尺寸在干湿循环过程中明显提高,孔隙率和孔隙连通率均与循环次数呈正相关;根据孔隙体积分布曲线可将土中孔隙分为微孔、中孔、大孔和裂隙4种类别,小体积微孔在干湿循环过程中逐渐转化为大体积的连通裂隙;3维渗流模型中的流线数量和分布密度随干湿循环次数增加而明显提高,由渗流模拟计算得到的绝对渗透率和渗透系数也不断增大;渗透系数的计算值总体上与实测值的演化规律相符,说明基于μ–CT扫描结果的渗流模拟可作为评价土体渗透特性的一种辅助手段。研究结果为深入了解花岗岩残积土渗流特性的环境损伤效应提供了重要的参考价值。

基于CT扫描的滨海土壤孔隙空间网络表征与渗流模拟

以江苏省沿海地区不同围垦区剖面土层原状土样为研究对象,基于CT扫描技术,通过构建孔隙网络模型,对土壤孔隙分布及其拓扑关系进行定量表征,统计分析了土壤孔喉参数,包括孔径分布、配位数、喉道半径及喉道长度;运用提取的孔隙网络实现土壤中单相水的渗流模拟,分析土壤的绝对渗透系数(饱和导水率)及其主要影响因素。结果表明,围垦活动对改良土壤孔隙活动起到积极作用,随围垦年限的增加,连通孔隙的半径范围、平均配位数、喉道半径趋于增大,喉道长度趋于减小;浅层土壤的孔隙结构较为良好。单相水模拟中,模拟计算的土壤绝对渗透系数和试验测定的饱和导水率结果吻合度较好,呈现出一致的变化规律。灰色关联度显示喉道半径对土壤渗透性能的影响最大。

基于CT扫描技术的土柱孔隙结构及其抗侵蚀能力研究——以种植百喜草为例

[目的]分析百喜草土柱孔隙结构与土壤抗侵蚀能力之间的联系,为水土保持植物措施的优化布设以及效益评估提供科学依据。[方法]依托植物土柱长期微区试验,通过CT扫描技术研究种植百喜草的土柱孔隙指标(孔隙长度密度、体积密度、表面积密度和孔隙数密度),开展边坡水槽冲刷试验。设置3个坡度(10°,20°和30°)和5个流量(0.8,1.6,2.4,3.2,4.0 L/s)组合量化土壤抗侵蚀能力,分析孔隙指标与抗侵蚀能力因子之间的关系。[结果]百喜草土柱孔隙发育程度随生长时间不断增强,而随土层深度减弱;4个孔隙结构指标在0—5 cm土层的数值远大于5—10 cm土层,且表层0—5 cm的平均土壤细沟可蚀性(0.026 s/m)和临界水流剪切力(7.0 Pa)分别是下层5—10 cm的0.33,1.54倍。[结论]植物根系发育的孔隙指标能够表征土壤抗侵蚀能力变化,CT扫描获取的4个孔隙结构指标与细沟可蚀性等因子显著相关,其中孔隙表面积密度与土壤抗侵蚀能力指标关系最为密切。

CT技术下掺煤矸石和电石渣的生土材料损伤演化及孔隙研究

为了研究改性生土材料的损伤演化规律,以煤矸石和电石渣作为生土改性掺料,通过对生土试件进行轴压下电子计算机断层扫描(computed tomography,CT)试验,得到各阶段荷载作用下的应力-应变曲线、材料内部破坏过程、CT图像等。研究各扫描断面CT图像、CT数与试件破坏过程演化规律,分析CT图像、CT数和应力应变的关系,计算材料各断面孔隙率,引入损伤度来建立材料孔隙与损伤之间的联系。结果表明:在不同应力状态下,XY扫描断面CT图像中裂缝是由四周以环状的形式向内部延伸,YZ扫描断面的破坏从上下表面产生,试件内部的密实度高,试件边缘抵御变形能力相比内部较差。试件受“环箍效应”影响显著,试件底部CT数大于上部,但是XY-2断面CT数小于其他断面,出现大量孔隙和裂缝。低应力状态时,试件上部孔隙率变化大于下部,在峰值应力时,孔隙率波动明显,变化幅度为-43%~500%。峰值应力后,试件上部孔隙率迅速减少,下部则相反。通过对无纲量损伤度的计算,损伤度表现出随应力的增加先增大后减小再增大的规律。研究成果可为生土改性材料的损伤本构关系提供参考。

基于CT动态扫描的冻土细观二元介质本构模型

开展荷载作用下冻土的宏-细观力学特性试验研究,对揭示冻土细观力学特性和建立宏-细观力学性质之间的联系具有重要的意义。利用重新研制的可配合医用CT进行扫描的冻土三轴仪开展了不同温度、围压条件下的饱和冻土常规三轴压缩试验研究,其中在轴向加载过程中共对试样进行了8次CT扫描。通过对CT数平均值和应力应变曲线的分析发现:当应力应变曲线表现为应变硬化时,冻土试样CT数平均值随着轴向应变的增加而线性降低;当应力应变曲线表现为应变软化时,试样CT数平均值在软化阶段加速降低。结合动态扫描过程中试样CT数平均值的变化规律,提出利用试样CT数平均值对体积破损率进行表征,建立了饱和冻土的二元介质细观本构模型,并利用试验数据对建立的本构模型进行了验证,结果表明提出的本构模型能够很好的预测冻土在常规三轴应力路径下的应力应变行为。

Status and prospects of frozen soil studies using CT technology

This paper introduces the characteristics of Computed Tomography （CT） technology and reviews its history, current situation, representative achievements, and use of using CT technology on frozen soil study, including auxiliary equipment specially de- signed for frozen soil studies. CT numbers are used to analyze frozen soil internal structure change, defining and exploring dam- age evolution, and use of CT images on observing soil mesostructure. Finally, this paper presents existing problems confronted by using CT in frozen soil studies, possible solutions and challenges, among which, we introduce high quality CT image processing for frozen soils, and relations between CT number change and each component change on frozen soil samples within the region of interest. It is shown that present CT technology is one of the most ideal and effective technology to study frozen soil mesostructure using non-desmactive testing. CT technology will play a key role in the study and development in the field of frozen soil by means of auxiliary equipment and the digital imaging processing.

生物炭添加对盐渍土CT孔隙序列分形特征来源的影响

为了揭示生物炭改良土壤孔隙的复杂结构及其影响因素,以江苏滨海盐渍土为研究对象,采用添加生物炭改良盐渍土,设置0,2%,5%(占表层0—20 cm土重比)3个生物炭添加水平。每年10月在水稻收割后,采用塑料环刀取表层(0—20 cm)原状土,进行Micro-CT扫描获取土壤CT孔隙序列。基于多重分形去趋势波动分析理论,并结合数据重排,分析施加生物炭对CT孔隙序列多重分形特征及其来源的影响。结果表明,所有处理的CT孔隙序列的复杂度均随着年份增长;2%生物炭处理的CT孔隙序列的复杂程度较0和5%生物炭处理分别提高7.54%和5.28%;概率密度函数与长程相关性均影响CT孔隙序列的多重分形特征;孔隙和空间的长程相关性是主要影响因素;生物炭的添加促使孔隙分形特征更易受到土壤中生物微生物活动的影响。研究结果为定量化分析生物炭改良盐渍土孔隙结构提供了理论支持。

重塑南宁膨胀土宏细观特征的各向异性试验

为了揭示膨胀土细观结构对宏观膨胀差异的影响规律,以南宁重塑膨胀土为研究对象,利用自研的三向膨胀仪开展宏观试验,获得干密度对于膨胀率的影响规律。通过CT扫描试验研究其细观孔隙和土颗粒结构;基于Avizo软件对孔隙和颗粒的细观特征、孔隙的分形特征进行系统分析;并结合三向宏观试验共同揭示了细观结构特征对宏观膨胀变形的影响规律。结果表明:试样的两个水平方向膨胀率基本一致,竖向大于横向;干密度增大,横、竖向膨胀率比值越趋近于1。竖、横向孔隙率之比随着干密度的增大而增大;当横、竖向膨胀率之比越趋近于1;竖、横向孔隙率之比越大,说明横、竖向孔隙率与宏观横、竖向膨胀率存在较好的关系;竖、横向土颗粒粒径之比随着干密度的增大而减小;横、竖向膨胀率之比越趋近于1,竖、横向土颗粒粒径之比越小,说明横、竖向土颗粒粒径与三向膨胀率也存在较好的关系;孔隙分形维数用来表征孔隙复杂程度,与三向膨胀率并无直接关系。

掺油泥改性生土材料动态荷载下的损伤及裂缝分形特征

为研究改性生土材料在动态荷载作用下内部损伤演化过程,提取掺入水泥、油泥的绿色改性生土材料配方,制作6个100 mm×100 mm×100 mm的生土试件,借助CT扫描技术对单轴压缩下的立方体试件进行扫描,获取灰度图像和CT值,分析了图像中裂缝、孔隙随应力的变化形态,研究了CT数和材料破坏的关系,建立了CT均值与应力之间的联系;采用图像处理技术对CT图像进行阈值划分,利用盒维数法估算出图像的分形维数值,在此基础上获得了不同应力和分形维数、材料损伤之间的关系。结果表明:CT技术能够清晰地诠释试件从受力直至破坏的全过程,CT图像可从细观层面表现材料的损伤演化规律。CT值随应力的增加而变小,CT值随材料孔隙、裂缝的增大而显著减小。材料从受力直至破坏,低应力状态下分形维数增长缓慢,高应力状态下分形维数增长迅速,数值的波动随应力的增大而增大。分形维数可以定量地描述生土材料在动荷载作用下的损伤状态和演化过程。

轴压下掺铁尾矿砂和水泥的生土材料细观损伤演化研究

为研究铁尾矿砂改性生土基材料在轴压下的损伤演化性能,采用CT技术,对不同应力状态下材料内部二值化图像进行分析.通过阈值分割,从细观上数值化各应力状态断面图像.研究材料分形维数、孔隙率和应力-应变(ε-σ)曲线演化规律,并阐明材料从受荷直至破坏的细观机理.结果表明:分形维数随受荷增大显著增加,σ=2.38 MPa时,分形维数最大.分形维数的变化趋势可间接表征试件受压时各扫描断面的不规则程度、粗糙度、裂缝与孔隙的发展情况.材料孔隙率随应力增大明显增加.以孔隙率为指标的材料损伤因子变化趋势与孔隙率变化规律相同,可有效反映材料在轴压下的破坏发展规律,也可作为研究改性生土试件损伤演化的定量参数.

圆柱孔破损膨胀土强度和变形特性的CT-三轴试验研究

通过8组不同孔径破损膨胀土的CT-三轴试验,研究了圆柱孔破损重塑膨胀土的变形、强度特性以及破损结构的演化规律。试验结果表明:圆柱孔破损对膨胀土的强度有明显的弱化作用,但破损孔径大小的影响不大。吸力一定时,圆柱孔面积变化随着净围压的增加而减小;净围压相同时,吸力大的试样圆柱孔面积减少得越大。净围压在破损重塑膨胀土结构演化中发挥重要作用,随着净围压从50 kPa增加到200 kPa,CT图像的均值(ME值)提高幅度增大,试样内部的平均密度变大;相应地,CT图像的标准差(SD值)降低的幅度也增大,试样结构趋于均匀化。

基于同步辐射微CT研究不同利用年限水稻土团聚体微结构特征

同步辐射微CT(SRμ-CT)可以无损获取高分辨率、强对比度的内部结构图像,是研究土壤团聚体三维微结构的有效手段。本研究采集了种植水稻20a和40a后表层土壤团聚体样品,应用SRμ-CT扫描获取了9μm分辨率的团聚体内部结构图像,然后应用CT图像处理方法和3DMA-Rock软件观察并定量分析了团聚体微结构特征。随着种植水稻年限的增加,土壤有机质含量和全氮含量显著增加,团聚体孔隙数量和孔隙度显著增加,比表面积显著增大。种植水稻20a的土壤团聚体呈现致密的黏闭结构,而种植水稻40a的土壤团聚体具有由团粒状小团聚体构成的复杂多孔微结构。结果表明随着种植年限的增加,团聚体微结构和土壤质量明显改善。

粗粒土CT三轴流变试验研究

一些土石坝在建成后后期变形明显,这与粗粒土的流变密切相关。目前,粗粒土流变研究主要集中在力学性质试验和本构模型研究等方面,较少对粗粒土流变中的颗粒运动规律进行研究。通过单级配矾石CT三轴流变试验,研究了粗粒土流变过程中颗粒运动规律。试验结果表明,粗粒土的流变过程就是粗粒土颗粒位置相互调整的过程,即颗粒从不稳定结构状态向稳定结构状态调整变化的过程,直到所有颗粒的能量都达到最小状态,此时颗粒不再发生错动、转动和破碎,粗粒土达到流变稳定状态。对粗粒土三轴流变过程中颗粒运动规律的认识,有助于加深对粗粒土流变性质的了解,为工程应用提供参考。

重塑膨胀土结构性损伤CT-三轴试验研究

膨胀土是一种在世界范围内分布广泛的非饱和特殊土,具有吸水膨胀、失水收缩和反复胀缩的特性,被工程界称为灾害土.以南水北调中线工程南阳陶岔引水渠坡重塑膨胀土为研究对象,针对膨胀土裂隙性的结构特征,通过CT-三轴排水剪切试验,研究具有不同初始损伤程度和不同损伤位置的膨胀土试样结构演化情况及其力学特性.研究发现:轴向应变与偏应变之间成线性正比例关系,相同吸力不同围压时,围压越大,体应变最大值越大;相同围压不同吸力时,吸力越大,体应变达到最大值所用时间越短.研究结论可以为分析膨胀土变形、强度和稳定性问题提供科学依据,对保障膨胀土地区工程建设的顺利进行有重要的意义.

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.