CT技术在岩土工程研究中的应用

CT技术在岩土工程研究中的应用

李孟雷

天津泰科岩土工程有限公司天津 300000

摘要：当前应用工业X射线CT技术观测岩土内部微观结构和力学特性成为研究工程地质的热点课题。然而，现有CT技术的"笨、大、重、险、贵"限制了现场应用能力，且常规岩土工程研究方法存在丢失或破坏原有地质信息的问题。本文提出CT技术的概念，并指出其在岩土工程应用中的关键技术。

关键词：CT技术；岩土工程；应用

引言

基于超小型冷阴极X射线源提出岩心CT重构方法，解决现有岩土工程研究方法破坏或丢失原有地质特征信息，测量不准确等问题。该方法可扩充岩土工程研究方法，可为现场地质研究提供基础框架、技术储备和支持，也可为我国数字地质数据库的建立创造条件，具有重要的研究价值、经济意义和社会影响。

1 岩土工程研究的概述及重要性

1.1 岩土工程研究概述

岩土工程研究就是在工程建设前，对工程所在地的地质条件进行全面细致的研究，其目的为了收集施工场地地质、水文等方面的资料，通过准确了解工程地的地质情况，并以此为依据为建筑工程设计方案和施工方案提供数据支撑，从而最大限度的提升建筑工程与地质条件的适应性，保障建筑工程各施工工序安全有序的开展下去。地质条件和建筑工程是相互影响的，建筑工程的施工时会使地质环境受到不同程度的影响，而不同的地质条件也会给工程建设效果带来影响。为正确让两者更加适应，在建筑工程实施前必须应用专业的研究技术对工程建设地的地质环境进行岩土工程研究，以此来获取更加全面、准确的岩土工程研究报告。高质量的岩土工程研究报告能够准确反应出研究场地的地形、地层结构、水文条件及岩土性质等，相关人员对这些资料进行分析评价后，能够得出可信度更高的岩土工程数据，这将成为工程后期设计与施工的重要依据。

1.2 岩土工程研究工作的重要性

岩土工程研究是一项勘查内容较多且周期短的系统工程，研究结果是否能够真实反应出建设地的地质状况，是否存在大于规范范围外的误差，都将会影响工程后期施工质量和安全，进而增大工程投入成本，延长工程建设周期，所以我们应充分认识岩土工程研究工作的重要性，在研究工作开始之前为研究工作的顺利进实施做好准备。岩土工程研究工作流程较为复杂，为了能够对研究地的地质环境进行全面细致的研究，研究的每一道工序细微的变化都不应忽略，都应作为评价地质条件的一项数据，这是因为岩土工程研究结果极易受到自然条件的影响而产生误差，所以我们要对研究数据进行全面详尽的收集。岩土工程研究工作人员要用专业的眼光和技术来收集和整理研究资料，保证研究数据的准确性，并积极和施工人员就建筑工程建设特点和实际情况进行安全与技术方面的交流，从而为建筑工程的科学设计和安全施工提供可靠依据。

2.数字采样方法

构造适用于岩土取芯器（固定形状和尺寸）的岩心X射线CT数字采样装置是核心和基础。一方面，基于碳纳米构造冷阴极电子源技术制备超小型X射线管，包括X射线管模具绝缘技术，驱动X线管的高压发生和脉冲控制等；选择合适的数字成像板，涉及尺寸、分辨率等参数。另一方面，需要研究旋转速度、钻进速度和样品尺寸等参数与数字采样器的定量关系。

3.岩心3D微观结构模型建立方法

基于CT图像解析岩土物理性质，建立精细3D岩土微观结构模型。CT扫描的岩心数据体正是对岩土组构，特别是孔隙结构的真实表达，因此可以利用CT扫描三维数据体对岩土物理属性（如孔隙度、绝对渗透率等）进行数值模拟。CT扫描的岩土数据提供了基础的岩土组成、粒度分布、岩土骨架和孔隙空间等信息，使建立精细3D岩土微观结构模型成为可能。

研究精确的岩心CT图像处理方法以建立岩土精细3D微观结构模型是制备准样本的前提条件，准样本的行为与岩心行为等价，即岩土颗粒体的特征行为，如约束压力依赖性和剪胀特性。图像处理方法有二值化处理，分水岭处理以及侵蚀处理等。通过图像分析对岩土颗粒进行分割并提取岩土物理特性，如粒度分布、颗粒定向性和颗粒形状等几何特征，建立3D岩土微观结构模型。以最小粒径为2 mm的砂土地基为对象，拍摄X射线CT图像并进行图像分析时，可按粒径2 mm对图像进行分割。将研究计算颗粒直径、颗粒分布特性、颗粒取向（对颗粒的长、短轴方向进行检测）和颗粒形状特性（对其圆度等参数进行评估）等特征值方法。值得注意的是，图像处理方法会直接影响到准样本的剪切行为。

另外，需要考虑孔隙率的再现性和颗粒接触点的再现性（与原始破碎样品不同，准样本的相邻颗粒都粘连）。由于这些再现性也对准样本剪切行为有明显影响，因此需要改进上述图像处理方法以及确定内部微观结构参数的方法。利用CT数据体建立抽象化的孔隙网络模型对微观结构进行定量表征，建立孔隙网络模型有多向扫描法、中轴法、最大球法及颗粒识别法等。

4.岩心力学性能分析方法

基于精细3D岩土微观结构模型，结合3D打印技术复制准样本，对多个准样本进行力学特性测试以获得岩心的力学性能。地质力学模型试验是根据一定的相似原理对特定工程地质问题进行缩尺研究的一种方法。主要用来研究各种建筑物及其地基、高边坡及地下洞室等结构在外荷载作用下的变形形态、稳定安全度和破坏机理等。研究满足相似关系的模型材料是地质力学模型试验最主要的内容。要找到完全相似的模型材料十分困难，一般根据要研究问题的性质，寻找满足主要参数相似的材料。地质力学模型并不是简单地复制原型，而是抓住主要问题进行模拟，典型模拟技术包括各向异性材料，结构面的剪切刚性度，建基面或岩体不连续层面渗透压力和地应力的模拟等。

与传统岩土试件制作相比，3D打印技术能够更精确、更通用、更简单及更省材地将复杂岩土结构复制成准样本，将是重要的技术革新。利用3D打印技术复制准样本时，应满足以下特征：（1）对于细砾石岩心，实际岩心和准样本之间孔隙比差异不大于10%；（2）具有相同的方向特征和约束压力依赖性；（3）渗透系数差异小于10倍；（4）从一个岩心复制得到的多个准样本进行每个测试的结果变化率不大于10%。

5.建立时-空四维岩土工程研究信息数据库

基于岩土物理性质、力学特性和准样本，建立结构规范、统一的高精度时-空四维岩土工程研究信息数据库。可采用“用户”与“系统”两级数据库相互优化映射的思路，把用户对数据的操作和计算机处理数据的过程分离开来，其中用户数据库（一级）面向用户的需要，系统数据库（二级）则满足信息管理的要求。在系统数据库中采用“块-层”结构的地层数据模型，对钻探区域进行“地层层序”优化。“块-层”模型把钻探区域的“优化地层层序”作为一个基本块，能够层次清晰地表达复杂多变的地层信息，将具有不同地层层序的各个钻探点统一成相同的结构，能够解决在地层模型中难以表达地层翻转、缺失信息的问题，将为后续的信息处理、大数据学习和钻孔数据插值提供便利。

结论

所讨论的科学问题源于超小型X射线CT技术，岩土工程研究和信号以及信息处理等领域的共性难题，具有鲜明的学科交叉特征。针对常规岩土工程研究方法存在丢失或破坏原有地质信息的问题，基于超小型X射线源和成像装置搭建岩心CT实验平台，实验结果表明数字采样方法的有效性和可行性。在提出CT技术概念的基础上，指出基于岩心CT数字采样的岩土研究方法的关键技术及其发展方向。

参考文献

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[2]齐子诚，倪培君，姜伟，等.金属材料内部缺陷精确工业CT测量方法[J].强激光与粒子束， 2018，30(2):124-130.