CN104297270B - 一种基于ct扫描的红黏土试样含水率测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于CT扫描的红黏土试样含水率测试方法。通过选取所需直径、若干不同干密度和不同含水率的圆柱试件，将所述圆柱试件进行CT扫描，近似按四等分分三层进行，拾取各断面的平均CT值，并取同一试件三个断面的平均值作为该试件的最终CT数据；复测CT扫描过的试件含水率，对各试件CT值、测试的试件含水率、拟定的试件干密度进行拟合，得到红黏土试样的CT值与含水率和干密度的关系式。本发明可以在不破坏试件的情况下观测到其断面的含水率，保证了不破坏试件的前提下连续性地观测试件的含水率变化，对于无损、连续性研究土体水汽迁移规律具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明属于土木工程技术领域，尤其涉及一种基于CT扫描的红黏土试样含水率测试方法。
背景技术
我国南方地区气候环境湿热，地质与水文条件复杂，红黏土分布广泛。由于红黏土具有颗粒细、持水能力强等特点，且现行以最大干密度为目标的施工控制含水率远低于平衡含水率，因此，在当地气候环境影响下，红黏土路基内部湿度状态随时间和空间的稳定性差，完工后的路基含水率将增大至某一与气候、水文等条件相适应的平衡状态，从而导致道路整体承载力下降和累计永久变形持续增大，并由此引发道路病害。现场实测表明，南方某高速公路红黏土路基经过17年运营与完工后的状态相比，含水率升高66％，承载力下降了86％。因此，红黏土路基水汽迁移规律的研究是保证路基湿度稳定，提高其耐久性的重要课题，符合国家“十二五”高技术研究发展计划(863计划)将“高耐久的公路基础设施建设技术与装备”的研发列为战略重点的科技导向。目前，很多学者通过测定室内土柱在不同压实度、含水率等初始状态和不同湿度、温度等环境条件下的含水率分布研究路基土水汽迁移规律。所用的土体含水率测定方法有烘干法、电阻法、中子法、γ射线(透射)法或时域反射仪法(TDR法)等。
烘干法是目前国际上测定含水率的标准方法，其结果比较准确。但取样会破坏土体，定点测量时不可避免由于取样位置而带来误差，不可能长期定点监测。电阻法是利用土体两点间的电阻和含水率的关系进行含水率测试。该方法成本较低，能重复使用，可不破坏土体进行连续自动监测。但任何与土体水分变化无关的土体电导的变化也会被检测到，使结果出现偏差。中子法的基本原理是埋入待测土体中的中子源不断发射快中子，快中子进入土体介质与各种原子、离子相碰撞，快中子损失能量，从而导致其慢化。通过测定慢中子云的密度与水分子间的函数关系确定土体中的水分含量。利用中子仪测定土体含水率不破坏土体结构，可定点连续监测。但中子仪垂直分辨率较差，没有特殊措施时，不能测定地表(0～20cm)土体含水率，同时中子仪价格昂贵。γ射线(透射)法利用放射源137Cs放射出γ射线，用探头接收γ射线透过土体后的能量，与土体水分含量换算得到测定值。γ射线法与中子仪法有许多相同的优点，如快速和不破坏土体结构，能连续定点监测，且γ射线比中子仪的垂直分辨率更高。然而，γ射线是原子核被激发而产生，辐射很大。Topp等用TDR测定了脉冲波的传播时间，并得出该传播时间在大部分土体中与土体含水率成比例的结论。TDR仪测定的土体表层的含水率比中子仪所测定的精度要高得多，且快速、准确、安全(无任何辐射)、一般不需标定。但其价格昂贵，在测定时测点要埋设多个探头。
由此可见，上述含水率测定方法中，烘干法和TDR方法无法进行试样含水率的无损测试，电阻法、中子法、γ射线(透射)法虽可无损和连续测试试样含水率，但存在测试精度不高、安全性低或设备昂贵等不足。为此，寻找一种连续、非破坏、安全性更高的红黏土试样含水率室内测定方法，对于研究南风湿热地区红黏土路基的水汽迁移规律和湿度的稳定性具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于CT扫描的红黏土含水率测试方法，可安全、无损、连续性地观测试件断面的含水率，从而保证试验试件的完整性和观测含水率数据的连续性。
本发明是这样实现的，一种基于CT扫描的红黏土试样含水率测试方法，包括以下步骤：
(1)选取所需直径以及96％、93％和90％三种压实度下对应干密度的若干圆柱试件，各圆柱试件目标含水率从1％开始，按一定的阶梯取若干含水率值；
(2)将所述圆柱试件进行CT扫描，近似按四等分分三层进行；
(3)拾取各断面的平均CT值，并取同一试件三个断面的平均值作为该试件的最终CT值；
(4)复测CT扫描过的试件含水率；
(5)对各试件CT值、测试的试件含水率和选定的试件干密度进行拟合，得到红黏土试样的CT值与含水率和干密度的关系式。
优选地，所述步骤(1)包括以下步骤：
第一步：将制备好含水率为6％以上的土料分五层放进对开模中，每层用小铁棍轻捣，然后放进压力机压实成型，得到含水率为6％以上的96％、93％和90％三种压实度对应的干密度的试件，采用保鲜膜进行密封保水；
第二步：将制备好的含水率为6％的土料分五层放进对开模中，每层用小铁棍轻捣，然后放进压力机压实成型，得到96％、93％和90％三种压实度对应的干密度的试件，然后通过烘箱在30℃下进行烘干，根据试件质量控制试件含水率，使含水率达到6％以下各目标含水率后采用保鲜膜进行密封保水；
第三步：在CT扫描试验前，将密封的试件水平放置15天，并每隔2天转动试件。
优选地，所述步骤(3)包括以下步骤：
第一步：采用CT线阵DR扫描获得各不同目标含水率和不同干密度的试件断面的raw文件；
第二步：采用CT系统后期处理软件MagicEyeICT2.0的图像重建功能中的FBP重建得出试件断层的CT文件；
第三步：采用CT系统后期处理软件MagicEyeICT2.0的密度测量功能测出各试件断面的平均CT值。
相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：本发明可以在不破坏红黏土试件的情况下观测到其断面的含水率，保证了不破坏试件的前提下连续性地观测试件的含水率变化，对于无损、连续性研究红黏土土体水汽迁移规律具有重要的意义。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；其中，1-X射线发射源，2-X射线接收器，3-X射线，4-旋转平台，5-土体试件，6-被扫描断面(距离试件顶面15cm)，7-被扫描断面(距离试件顶面35cm)，8-被扫描断面(距离试件顶面55cm)；
图2是压实度为96％、93％及90％的圆柱试件CT值与含水率关系图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
试验土料为南方湿热地区典型红黏土路基填料，取自江西省某高速公路改扩建工程K16+400断面，最大干密度为1.949g/cm3。
一种基于CT扫描的红黏土试样含水率测试方法，包括以下步骤：
(1)选取所需直径以及压实度的若干圆柱试件，各圆柱试件目标含水率从1％开始，按一定的阶梯取若干含水率值
在步骤(1)中，采用自主研制的对开模配合压力机进行试件成型，试件为φ7.2×7.0cm的圆柱体(5)，试件高度7cm。试件的压实度为96％、93％和90％(对应的试件干密度分别为1.871g/cm3、1.812g/cm3和1.754g/cm3)；试件的目标含水率分别为1％、3％、6％、9％和12％。
更具体的，步骤(1)包括以下步骤：
第一步：将制备好含水率为9％和12％的土料分五层放进对开模中，每层用小铁棍轻捣，然后放进压力机压实成型，得到两种含水率下96％、93％和90％三种压实度(对应的试件干密度分别为1.871g/cm3、1.812g/cm3和1.754g/cm3)的试件，采用保鲜膜进行密封保水。
第二步：由于含水率为6％以下的试件难以成型，将制备好的含水率为6％的土料分五层放进对开模中，每层用小铁棍轻捣，然后放进压力机压实成型，得到含水率为6％的96％、93％和90％三种压实度(对应的试件干密度分别为1.871g/cm3、1.812g/cm3和1.754g/cm3)的试件，然后通过烘箱在30℃下进行烘干，根据试件质量控制试件含水率，使含水率达到1％、3％后采用保鲜膜进行密封保水。
第三步：为保证烘干后的试样内部含水率均匀，CT扫描试验前将试件水平放置15天，并每隔2天转动试件60°以保证水分得到充分的平衡。
(2)将所述圆柱试件进行CT扫描，近似按四等分分三层进行。
在步骤(2)中，将成型好的试件放置于CT旋转平台中，进行CT扫描，近似按四等分分三层进行，层位分别距离试件顶面15cm、35cm和55cm，参照图1所示，其中，1-X射线发射源，2-X射线接收器，3-X射线，4-旋转平台，5-土体试件，6-被扫描断面(距离试件顶面15cm)，7-被扫描断面(距离试件顶面35cm)，8-被扫描断面(距离试件顶面55cm)。
(3)拾取各断面的平均CT值，并取同一试件三个断面的平均值作为该试件的最终CT值
在步骤(3)中，采用系统自带的后期处理软件MagicEyeICT2.0拾取各断面的平均CT值，并取同一试件三个断面的平均值作为该试件的最终CT值。步骤(3)更具体包括以下步骤：
第一步：采用CT线阵DR扫描获得各试件断面的raw文件。
第二步：采用CT系统后期处理软件MagicEyeICT2.0的图像重建功能中的FBP重建得出试件断层的CT文件。
第三步：采用CT系统后期处理软件MagicEyeICT2.0的密度测量功能测出各试件断面的平均CT值。
(4)复测CT扫描过的试件含水率
(5)对各试件CT值、测试的试件含水率和选定的试件干密度进行拟合，如图2所示。得到红黏土试样的CT值与含水率和干密度的关系式。
在步骤5中，根据各试件的CT值并与扫描后试验测得的含水率、选定的干密度数据代入Origin软件进行拟合，得到红黏土试样的CT值与含水率和干密度的关系式，如下式所示：
HU＝2.6949ρd+0.01838ρdw-0.2246 (1)
式中：HU为CT值；ρd为土样干密度；w为土样含水率。
利用上述拟合方程结合CT扫描可以反算出试件的含水率或干密度。
为验证上述公式测试红黏土试样含水率的准确性，试验后随机制作了3个干密度下该红黏土的试件进行CT扫描，拾取了三个扫描断面的平均CT值，并将三个扫描断面的CT值的平均值作为该试件的CT值。表1为3个试件采用拟合的数值方程反算出的含水率与实测含水率的结果，由表中的数据可以看出，断面实测含水率和CT扫描测得含水率相差不大，表明采用拟合的方程(1)用于测定红黏土试样的含水率准确性高，并且含水率测定时不破坏试件的完整性，从而保证了采用土柱试件进行土体水汽迁移规律研究试验的连续性。
表1 通过拟合方程计算和实测的含水率对比
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于CT扫描的红黏土试样含水率测试方法，包括以下步骤：
(1)选取所需直径以及96％、93％和90％三种压实度下对应干密度的若干圆柱试件，各圆柱试件目标含水率从1％开始，按一定的阶梯取若干含水率值；
(2)将所述圆柱试件进行CT扫描，近似按四等分分三层进行；
(3)拾取各断面的平均CT值，并取同一试件三个断面的平均值作为该试件的最终CT值；
(4)复测CT扫描过的试件含水率；
(5)对各试件CT值、测试的试件含水率和选定的试件干密度进行拟合，得到红黏土试样的CT值与含水率和干密度的关系式；
其特征在于，所述步骤(1)包括以下步骤：
第一步：将制备好含水率为6％以上的土料分五层放进对开模中，每层用小铁棍轻捣，然后放进压力机压实成型，得到含水率为6％以上的96％、93％和90％三种压实度对应的干密度的试件，采用保鲜膜进行密封保水；
第二步：将制备好的含水率为6％的土料分五层放进对开模中，每层用小铁棍轻捣，然后放进压力机压实成型，得到96％、93％和90％三种压实度对应的干密度的试件，然后通过烘箱在30℃下进行烘干，根据试件质量控制试件含水率，使含水率达到6％以下各目标含水率后采用保鲜膜进行密封保水；
第三步：在CT扫描试验前，将密封的试件水平放置15天，并每 隔2天转动试件60°；
其中，所述红黏土试样的CT值与含水率和干密度的关系式为：HU＝2.6949ρd+0.01838ρdw-0.2246；其中，HU为CT值；ρd为土样干密度；w为土样含水率。
2.如权利要求1所述的基于CT扫描的红黏土试样含水率测试方法，其特征在于，所述步骤(3)包括以下步骤：
第一步：采用CT线阵DR扫描获得各不同目标含水率和不同干密度的试件断面的raw文件；
第二步：采用CT系统后期处理软件MagicEyeICT2.0的图像重建功能中的FBP重建得出试件断层的CT文件；
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