文海拾萃 | 南京林业大学:基于X射线CT的介观孔隙结构和宏观-介观耦合损伤模型研究
标题:X-ray CT-based investigation of mesoscopic pore structure and macro-meso coupled damage model for anisotropic lean clay under a freeze–thaw cycle译文：基于X射线CT的介观孔隙结构和宏观-介观耦合损伤模型研究：冻融循环下各向异性贫粘土中的应用期刊：Transportation Geotechnics摘要：针对人工地层冻结（AGF）施工中冻结壁强度及地层稳定性评估的需求，研究探究了固有各向异性和冻结温度对贫粘土力学特性的影响。采用自主研制的制样设备，制备了不同取样角度（0°~90°）的各向异性粘土试样，并进行不同负温下的无侧限抗压强度（UCS）试验。结果表明UCS随取样角度减小呈指数增长。三维CT重建显示，沿自然沉积方向孔隙率最低，且孔隙参数（等效半径、喉道长度、配位数）呈取样角度依赖性正态分布。量化了冻融循环对UCS、弹性模量及孔隙率的影响，以宏观弹性模量与微观分形维数为变量建立宏观-介观耦合损伤模型。该模型可有效量化一次冻融后土体劣化程度，为AGF加固工程设计提供精确强度参数。作者：Yu Tang, Ping Yang, Jiahui Wang, Chang Huo论文链接：https://doi.org/10.1016/j.trgeo.2026.101939深部地下工程（如地铁联络通道施工）常采用人工冻结法（AGF）加固软弱富水地层。冻融循环作用会显著改变土体的微观结构和力学性能。天然沉积的粘土具有显著的各向异性特征。然而，现有研究多集中于各向同性假设，忽略了沉积各向异性对冻土力学行为的影响。此外，冻融循环对土体微观孔隙结构（如孔隙率、孔喉长度、配位数等）的演化规律及其与宏观力学性能的关联机制尚不清晰。因此，本研究针对贫粘土，通过控制取样角度（0°~90°）模拟不同沉积方向，结合高精度X射线CT扫描与力学试验，揭示各向异性粘土在冻融循环作用下的介观孔隙结构演化与宏观力学劣化机制，为人工冻结法加固工程中的冻结壁稳定性评估提供理论依据。
1. 试样制备与各向异性
控制采用泥浆固结法制备各向异性试样，以还原天然沉积过程。定义取样角度θ为试样轴线与自然沉积方向的夹角（0°为垂直沉积面，90°为平行沉积面）。使用自主设计的变角度取样装置，制备θ=0°、30°、45°、60°、90°共5组试样。通过压缩曲线验证了试样的均匀性。试样尺寸为Φ50mm×100mm和Φ19mm×20mm。
将饱和试样在-10°C环境下冻结48h（模拟AGF典型冻结温度），然后进行0次或1次冻融循环（实际工程中通常仅经历一次冻融）。采用温控环境箱进行单轴压缩试验（UCS），获得应力-应变曲线、弹性模量等参数。采用高分辨率Nano Voxel-3502E型CT系统扫描试样。利用Avizo软件进行图像预处理（中值滤波、体积编辑、阈值分割、轴连通性处理），重建三维模型。选取代表体积单元（REV）边长5mm用于定量分析。提取孔隙率、等效半径、孔喉长度、配位数等参数。采用盒计数法计算孔隙结构的分形维数（Dₙ）。基于Kachanov损伤理论，分别从宏观（弹性模量劣化）和介观（分形维数变化）角度定义损伤变量，并通过加权叠加建立宏观-介观耦合损伤模型。1. 各向异性对单轴抗压强度的影响
不同取样角度下的应力-应变曲线（-10°C）均表现为应变硬化型。UCS随取样角度增大呈指数衰减，0°方向强度最高，90°方向最低。温度越低，强度各向异性越显著：-15°C时，0°方向UCS比90°方向高22.63%。
孔隙率：总孔隙率随取样角度增大线性增加。平面孔隙率沿试样高度呈波动状，且随角度增大整体升高。倾角分布：孔隙主要沿垂直方向发育（75°~90°区间概率占42%），水平方向发育极少（0°~30°区间仅5%），证实了垂直各向异性。等效半径：呈正态分布，平均半径随角度增大从116μm增至137μm。配位数：随取样角度增大，低配位数孔隙比例减少，高配位数孔隙比例增加，连通性增强。孔喉长度：呈正态分布，峰值随角度增大左移（从274μm降至247μm），频率升高。UCS与弹性模量：经1次冻融循环后，各角度试样的UCS和弹性模量均下降。0°方向UCS从4.77MPa降至3.51MPa，90°方向从3.21MPa降至2.48MPa。孔隙率：冻融后孔隙率增加，且与UCS呈负相关。0°方向孔隙率增加16.85%，90°方向增加29.3%。分形维数：Dₙ随取样角度增大而减小，随冻融循环而减小。Dₙ与UCS变化趋势一致，可用于定量表征损伤。
基于弹性模量（宏观）和分形维数（介观）分别计算的损伤参数均随取样角度和冻融次数增加而增大。通过加权叠加建立的耦合损伤参数Wmacro-meso，其预测值与实测值高度吻合（R²=0.9928，RMSE=0.0119），且权重系数α+β=1，表明两种尺度损伤的内在耦合。1. 各向异性强度规律：通过系统控制取样角度，建立了UCS随角度指数衰减的经验模型。明确了沉积方向对冻土强度的控制作用，为冻结壁各向异性设计提供了定量依据，例如-15°C时0°方向强度比90°方向高22.63%。2. 介观孔隙结构：利用高精度CT扫描与三维重建，获得了不同取样角度下孔隙率、等效半径、孔喉长度、配位数等参数的统计分布规律。揭示了沉积作用导致的孔隙垂直优势定向排列特征，并发现取样角度增大时孔隙连通性增强、孔喉长度峰值左移。3. 宏-介观耦合损伤模型：提出以弹性模量劣化和分形维数降低为独立变量的耦合损伤模型。该模型能定量区分各向异性本征损伤与冻融诱发损伤的相对贡献，权重系数α+β=1，预测值与实测值高度吻合。4. 工程应用价值：研究结果可直接指导人工冻结法施工中冻结壁厚度设计，应考虑最不利取样方向作为控制工况。CT获取的孔隙结构参数可用于校准数值模拟中的本构模型，为软土富水地层中盾构联络通道的长期稳定性评估提供理论基础。文稿 | 王运平; 编辑 | 王运平; 审核 | 易小宇
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