王升福， 戴道文， 閆樂琛， 劉光炎， 薛凱喜， 李明東

(東華理工大學 土木與建筑工程學院，江西 南昌 330013)

人工地層凍結法在富水軟土地層的城市地鐵隧道聯(lián)絡通道及其他地下工程地層加固中已被廣泛應用 (陳瑞杰等, 2000; 郝明強等, 2014; 岳豐田等, 2006)，由此帶來的軟土地層凍脹融沉變形問題日益突出 (石榮劍等, 2017; 岳豐田等, 2008; 鄭波等, 2007)。軟黏土人工凍結后各相成分空間分布狀態(tài)及孔隙形態(tài)發(fā)生改變，細觀尺度上表現(xiàn)為內部結構的改變 (方麗莉等, 2012; 王升福等, 2016; 鄭鄖等, 2015)。原狀軟黏土經過人工凍結后，其內部細觀結構改變后的非均勻性，決定了凍融后土體的熱學性質及力學性質在空間分布的非連續(xù)性，最終導致宏觀力學行為的非線性。因此，凍結過程對軟黏土內部結構的改變對宏觀表現(xiàn)起到決定性作用，軟黏土內部細觀結構特征是影響其凍融特性的主要因素。

工業(yè)CT是指應用于工業(yè)中的核成像技術，其基本原理是依據射線在被檢測物體中的減弱和吸收特性 (Liu et al., 2012; 王增勇等, 2010)。通過記錄射線束在不同透射方向上的衰減系數(shù)，利用圖像重物算法繪制其斷面掃描圖像，能在對檢測物體無損傷條件下，以二維斷層圖像或三維立體圖像的形式，清晰、準確、直觀地展示被檢測物體的內部結構、組成、材質及缺損狀況 (Périard et al., 2016; Tian et al., 2018; 肖慧等, 2013)。

CT圖像的灰度變化反映射線穿透不同物質的衰減強度不同，利用圖像上像素點的亮暗表示密度的高低，可說明土體內部各相成分及其密實度的分布情況 (Li et al., 2017)。因此可以借助CT掃描技術研究土體凍融前后細觀結構改變、試驗土樣凍融前后結構形態(tài)的改變及沿凍結方向不同位置各相組分分布情況 (Minabe et al., 2016; 劉波等, 2013)。

本次運用三維X射線CT斷層掃描(3D X-CT)及層析技術，進行不同凍結溫度條件下軟黏土細觀結構的CT掃描，獲得凍融前后土樣內部結構CT圖像；運用三維重構軟件，獲得三維CT數(shù)字模型，觀察土樣在不同凍結條件下結構形態(tài)、各相介質的分布及內部細觀結構變化情況，為表征土體凍融前后的結構形態(tài)變化以及建立土體內部真實的細觀結構定量分析模型提供基礎圖像資料，為研究土體凍結特征提供數(shù)據依據。

1 試驗儀器、材料與方法

1.1 試樣制備

本次試驗用土取自寧波地鐵5號線勘察段典型的軟黏土土層，?、?層粉質黏土進行研究，其屬海相軟黏土，現(xiàn)場初勘呈軟塑狀態(tài)，層底標高-35.99～-33.05 m。其顆粒分布曲線如圖1所示。

根據《土工試驗方法標準》(國家住房和城鄉(xiāng)建設部，2019)中有關土樣和試樣制備的要求，將現(xiàn)場通過薄壁取土器取得的原狀土樣切削，進行力學試驗及后續(xù)凍融試驗和CT掃描。土的基本物理性質如表1所示，定名為粉質黏土。

表1 試驗土樣基本物理指標

1.2 凍融試驗系統(tǒng)

本次試驗采用封閉系統(tǒng)下單向恒溫凍結，圖2為凍融試驗系統(tǒng)示意圖，每個凍融條件設置兩組平行試驗。

為研究不同凍結條件下凍融過程試樣豎向溫度隨時間的變化規(guī)律，試驗時沿高度方向每隔2 cm安設熱電偶，實時監(jiān)測試樣內部各點溫度變化。凍融試驗分別進行4種冷端溫度(-5 ℃、-7 ℃、-10 ℃、-15 ℃)凍結，凍結試驗暖端和試驗環(huán)境箱溫度設置為恒溫1 ℃，融化階段模擬自然環(huán)境融化設置解凍溫度為20 ℃。

1.3 工業(yè)CT掃描系統(tǒng)

(1)CT試驗設備及圖像的形成。本次X-CT掃描試驗采用Y.CT precision S型X-Ray CT掃描系統(tǒng)(工業(yè)用CT系統(tǒng))(圖3)。現(xiàn)行工業(yè)CT射線源通常采用錐體X線束，相較于扇形線束，其可以一次性獲取該角度下所有斷層在此角度下的X射線衰減系數(shù)，掃描完成后試樣自旋一定角度進行再次掃描，直至試樣自旋一周，通過配套的圖像重構算法即可獲得試樣的3D圖像，提高空間分辨率和射線利用率，并且在采集相同3D圖像時速度遠快于扇形束CT (王寶明, 2012)。掃描時樣品在X射線球管和探測器之間自旋，掃描速度相對較快，射線劑量大，空間分辨率高。

本次利用VGStudio MAX對數(shù)據進行提取、處理以及分析，并重建三維CT可視化模型(張于北等，2011)。

(2)試驗內容及試驗過程。對置于試樣筒中的試樣在凍融前后各進行一次CT掃描，試樣正放于旋轉載物臺上，掃描電壓設置為195 kV，掃描電流0.36 mA，掃描分析時間為750 ms。整個掃描過程樣品共旋轉360°，每旋轉一定角度完成一次成像，投影數(shù)目為1 024張，橫、縱斷面每層間隔0.11 mm，統(tǒng)計時選取其中具有代表性的圖像。

本次通過上述設定的掃描參數(shù)，CT圖像每個體像素點表征0.001 2 mm3單元體土樣的密度信息。通過VGStudio MAX 2.2 三維可視化軟件，利用各體素CT圖像灰度值對其進行三維數(shù)字模型重構，試樣CT掃描三維重構模型及橫斷面和縱斷面CT圖像如圖4所示。

2 CT圖像的特征分析

2.1 CT成像技術與特征

土體CT圖像實質是由于土體內部密度有關的X射線衰減強度而形成的數(shù)字矩陣灰度圖像(圖4)。可見CT圖像是體素點的CT數(shù)按矩陣排列而組成，在圖像中顯示為由黑到白具有不同灰度的體素點，反映各體素對X射線的吸收系數(shù)。CT圖像以不同CTI數(shù)反映物質對X射線的吸收程度，黑影表示低吸收區(qū)，即低密度區(qū)，如孔隙、裂隙等；白影表示高吸收區(qū)，即高密度區(qū)，如土顆粒。X射線CT圖像密度分辨力較高，CT圖像中每一像素點對應特定的CTI數(shù)，表現(xiàn)為從黑到白不同的灰度值，每個體素點都有相對應的灰度值(劉慧, 2013)。被測層面內物質密度越大，CTI數(shù)值就越大，在CT圖像上就越亮，灰度值就大。反之，亮度就越低，灰度值也低。因此，在土體CT掃描圖像中，不同密度的介質，如水、孔隙和顆粒，有不同的CTI數(shù)值，在圖像中表現(xiàn)為灰度值的不同。在土體CT圖像中，黑色區(qū)域代表的是低密度區(qū)，白色區(qū)域代表的是高密度區(qū)。巖石礦物顆粒的密度最大，相應的CTI數(shù)最大，在圖像中顯示為灰白色或白色；裂隙、孔隙的密度小，CTI數(shù)也小，在圖像中顯示為黑色。CT識別技術的密度分辨力較高，很好地顯示出軟黏土內部細觀結構及各相組分分布情況。

2.2 凍融前后CT圖像特征

分別對4種不同冷端溫度(-5 ℃、-7 ℃、-10 ℃、-15 ℃)凍融前后的軟黏土試樣進行X-CT掃描，并獲得其3D圖像，測量土樣整體結構形態(tài)及孔隙結構形狀的變化情況，能夠準確測量其精確的尺寸變化。圖4a和圖4b分別為凍結試驗前的原狀土樣縱截面和橫截面CT圖像，圖4c和圖4d分別為冷端溫度為-5 ℃凍融后土樣的縱截面和橫截面CT圖像。如前所述，外圈灰度稍深的為有機玻璃試樣筒，在土樣內部，亮色代表土顆粒，深色代表孔隙或低密度的物質。值得注意的是，CT圖像非常有效地揭示了軟黏土內的微小裂隙。這些裂隙可能是由于土層的沉積原因在自然狀態(tài)下地層中就已經存在，也可能是由于在取樣過程中，隨著上覆土層壓力的釋放，土體回彈所致。通過對比凍融前后土樣的縱截面和橫截面CT圖像，可以看出凍融后裂隙明顯減少。凍融后土樣上部的裂隙幾乎看不出來，表明試樣上部變得更加密實，密度增大。

凍融前后縱截面CT圖像局部放大圖(圖4左小圖)，顯示土樣凍結前，裂隙分布雜亂，且走向很隨機，經凍融后，裂隙主要以水平走向為主。原因是由于軟黏土在單向凍融條件下，凍結過程水分逐漸向冷端遷移，在凍結鋒面移動過程中，形成水平向的冰透鏡體，使得原本雜亂的裂隙變得有序。這種軟黏土細觀結構上的改變能夠有效解釋凍融后黏土中水平向滲透系數(shù)較凍結前增加2個數(shù)量級的原因 (Chamberlain, 1981)。

3 凍融前后土樣細觀變形特性

3.1 凍融前后土樣結構形態(tài)變化

凍融試驗時，將土樣切削成直徑為79.8 mm、高度為100 mm的圓柱狀土樣，使其與試樣筒內壁貼合，并進行封閉系統(tǒng)單向凍融試驗。試驗結果顯示，凍融后土樣上部均出現(xiàn)不同程度的徑向收縮，即上端直徑減小較下端明顯(圖5)。分析可知，軟黏土在單向凍融試驗條件下，試樣下部為凍結冷端，凍結過程中凍結鋒面從試樣下部逐漸向上推移，在此過程中，試樣上部未凍區(qū)的孔隙水向下方凍結緣遷移，根據上述分析，該動態(tài)過程中，試樣上部存在一負壓區(qū)，在負孔隙水壓力作用下，試樣上部必然產生應變。

3.2 凍融頸縮現(xiàn)象的CT定量觀測

針對上述凍融后試樣上部靠近暖端處出現(xiàn)的徑向收縮，稱其為凍融頸縮現(xiàn)象。圖6為4種冷端溫度條件下，凍融土樣的CT掃描軸向縱截面圖。利用VGStudio MAX軟件缺陷分析模塊對三維CT模型發(fā)生頸縮段進行測量，可準確獲得在不同冷端溫度條件下凍融后土樣的最終高度、頸縮段深度和軸向頸縮量。在-5 ℃、-7 ℃、-10 ℃和-15 ℃4種冷端溫度條件下，試樣高度較凍融前原狀土分別降低0.7 mm、0.5 mm、0.4 mm和0.4 mm。由此可見凍融后試樣高度減小量隨冷端溫度的降低而減小，即隨溫度梯度的增加而減小。此外，4種條件下試樣靠近暖端位置均出現(xiàn)了收縮現(xiàn)象，并且沿試樣高度方向軸向收縮并不均勻，這與Hamilton (1966)早期對凍結壓實黏土的觀測正好相反。

在-5 ℃、-7 ℃、-10 ℃和-15 ℃4種冷端溫度下凍融土樣的頸縮段長度分別為38.8 mm、33.7 mm、25.9 mm和16.1 mm。隨著冷端溫度降低，土樣凍融頸縮段長度值減小，即頸縮段長度隨凍結溫度梯度增大而減小。對比凍融前后靠近暖端位置處土樣的直徑，可以發(fā)現(xiàn)4種條件下土樣半徑的變化量從1.7 mm到1.2 mm，與凍融頸縮段長度的變化規(guī)律相似，冷端溫度越低，土樣直徑變化量越小，即凍結溫度梯度越大，土樣發(fā)生頸縮處直徑變化量越小。

4 基于CT的凍融土體積收縮率

凍融頸縮現(xiàn)象的觀測結果表明凍融后土樣會發(fā)生體積收縮。通過對凍融前后土樣進行CT掃描，獲得三維CT重建模型。利用土樣、試樣筒和空氣之間較大的CT圖像灰度差異(X射線衰減程度不同)，可以簡便地通過設置閾值進行識別土樣，進而精確測量出土樣的體積。因此，凍融前后土樣的體積變化，可以通過對比土樣凍融前后體積變化量進行定量描述。由前述對凍融過程水分遷移和凍結鋒面處吸力的機理解釋可知，凍融后土樣體積收縮是凍結緣的吸力作用下產生的水分遷移而導致。假設土體融化過程沒有外力作用下，土樣除了冰水之間的相變外不產生附加變形，那么凍融過程試樣上部收縮應變主要是由凍結過程負孔壓作用下吸力引起的。

基于此，定義凍融過程體積變化率，即以土樣凍融過程產生的體積變化量除以土樣實際凍結的體積，其為一無量綱的量，能夠用以表述無附加荷載條件下封閉系統(tǒng)單向凍融土樣，溫度梯度作用下產生內部水分重分布而導致的短期體積收縮的程度。

(1)

VF=HF×A

(2)

(3)

式中，Tf為凍結冷端溫度。

5 凍融體積收縮率與凍結完成時間關系

上述結果表明，凍融前后水分遷移導致的沿試樣高度水分重分布與試樣土體結構的改變程度密切相關，其中最明顯的體現(xiàn)在孔隙率和干密度的變化及凍融體積收縮方面。

對于本次試驗所用的非飽和軟黏土，凍結鋒面附近產生的負孔隙水壓力引起真空，會從上部的孔隙中遷移孔隙水至凍結緣附近，形成冰透鏡體。在凍結鋒面逐漸向暖端發(fā)展過程中，靠近暖端位置的土體內部孔隙水壓力降低而有效應力增加，最終導致上部土樣壓密收縮。凍結過程中，在凍結鋒面附近孔隙水凍結，由于產生水冰相變導致體積增大，并有可能擴大土孔隙。然而，由于孔隙冰壓力對土中空氣的壓縮和來自試樣筒側向壓力的限制，這種發(fā)生水冰相變帶來的土孔隙擴大的趨勢將受到一定限制。隨凍結過程中凍結鋒面不斷向暖端移動，整體試樣表現(xiàn)為上部出現(xiàn)土體被擠密，越靠近暖端這種擠密現(xiàn)象越明顯。而土樣下部凍結過程有相變產生的體積膨脹量，隨著融化過程而消失，遷移來的水分完全填充了土樣下部，靠近土樣邊緣處將伴隨部分水分的排出，最終凍融結束后表現(xiàn)為土樣體積的收縮。

基于該機制，可以認為凍融體積收縮直接與凍結完成時間(凍結過程達到動態(tài)平衡的時間)相關。因為當凍結結束時，凍結鋒面將動態(tài)穩(wěn)定于某一固定位置，此時處于水熱平衡的動態(tài)過程，整個試樣的溫度和水分不再發(fā)生變化，即土樣結構處于穩(wěn)定狀態(tài)。4種冷端溫度條件下的土樣凍融體積收縮率與凍結完成時間呈較好的線性關系，即凍結完成時間越短，冷端溫度越低，凍結溫度梯度值越大，凍融體積收縮率也越低(圖8)。這也佐證了上述非飽和軟黏土凍結過程產生體積變化的機制。

6 結論

(1)利用工業(yè)CT掃描及三維數(shù)據模型重構，能夠較好地展示軟黏土凍融前后細觀變形特征。

(2)4種冷端溫度條件下原狀軟黏土凍融后試樣形態(tài)均發(fā)生了不同程度的體積收縮，工業(yè)CT掃描能有效地揭示土體凍融變形體積變化量。

(3)基于軟黏土三維CT模型的精準測量，提出并精確計算得到凍融后土體的體積收縮率。

(4)軟黏土凍融體積收縮率與凍結冷端溫度呈指數(shù)衰減關系，凍融體積收縮率與凍結完成時間呈線性正相關。