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    圖形圖像處理技術(shù)統(tǒng)計(jì)土體裂隙的應(yīng)用分析

    2012-11-05 08:53:08尹志毅
    山西建筑 2012年34期
    關(guān)鍵詞:圖形圖像非飽和掃描電鏡

    尹志毅

    (呂梁公路分局,山西交口 032400)

    0 引言

    對(duì)于非飽和土而言,隨著干濕循環(huán)的進(jìn)行,其土體中裂隙的發(fā)育和發(fā)展將有較大的變化,將會(huì)直接影響到修筑在土體表面的構(gòu)筑物的穩(wěn)定性。包承綱教授指出:“膨脹土的裂隙性、脹縮性和超固結(jié)性(即所謂“三性”)是膨脹土特殊性質(zhì)的主要表現(xiàn)。對(duì)膨脹土邊坡穩(wěn)定性而言,裂隙性是關(guān)鍵因素,脹縮性是裂隙的主要內(nèi)因,而超固結(jié)性則促進(jìn)了裂隙的發(fā)育和發(fā)展”[1]。非飽和土中裂隙的定量統(tǒng)計(jì),將會(huì)直接影響到其上部的路基的安全性能評(píng)價(jià)。因此,對(duì)非飽和土的裂隙性的研究就顯得非常緊迫與重要。

    近年來,隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展,以及人們對(duì)非飽和土研究的深入,關(guān)于非飽和土體中裂隙的研究也取得了一定的進(jìn)展。但是由于受到裂隙統(tǒng)計(jì)手段等因素的限制,裂隙領(lǐng)域的研究進(jìn)展與人們的預(yù)期目標(biāo)還有很大的差距,還不能很好地解決實(shí)際工程中由于裂隙的發(fā)育發(fā)展產(chǎn)生的種種問題。目前,幾種常規(guī)的裂隙統(tǒng)計(jì)手段分別是壓汞法[2]、X 射線衍射法[3]、掃描電鏡法[4]和計(jì)算機(jī)斷面成相技術(shù)(CT)法[5]等,但這些統(tǒng)計(jì)手段均存在不足之處,因此沒有得到很好的應(yīng)用發(fā)展。本文在詳細(xì)介紹常規(guī)的裂隙統(tǒng)計(jì)手段的基礎(chǔ)上,著重介紹了一種新的裂隙統(tǒng)計(jì)手段,即基于MATLAB圖形圖像處理功能在非飽和土體裂隙統(tǒng)計(jì)中的應(yīng)用。

    1 裂隙統(tǒng)計(jì)常規(guī)手段

    1)壓汞法。

    壓汞法(Mercury porosimetry),又稱汞孔隙率法,是測(cè)定土體中部分中型和大型裂隙半徑分布的方法,其最大的特點(diǎn)是將土體中的裂隙全部簡(jiǎn)化為圓柱狀,即成為孔隙。壓汞法的基本原理是:欲使汞進(jìn)入土體孔隙內(nèi)部,則需施加外壓,而且隨著所施加外壓的增大,汞能進(jìn)入的土體孔隙的半徑越小。目前,所用的壓汞儀可以施加的最大壓力值約為200 MPa,可測(cè)得孔隙的孔半徑范圍為3.75 nm~750 nm。土體中孔隙的半徑可由下式計(jì)算所得:

    其中,P為所施加的外壓;σ為汞的表面張力系數(shù),通常取0.485 N/m;θ為汞與土體材料的接觸角,取130°;r為圓柱形孔隙的半徑。

    2)X射線衍射法。

    X射線衍射法(X-ray diffraction),是一種研究土體結(jié)構(gòu)的方法,而不是直接研究土體內(nèi)部元素的種類及其含量的方法,其基本原理是:根據(jù)X射線穿過土體晶格時(shí)所產(chǎn)生的衍射特征,鑒定土體內(nèi)部裂隙的結(jié)構(gòu)分布。在進(jìn)行土體裂隙統(tǒng)計(jì)的X射線衍射法時(shí),還需要制作專門的衍射定向片,用來輔助實(shí)驗(yàn)的順利完成。

    3)掃描電鏡法。

    掃描電鏡法(Scanning electronic microscopy),主要用來做粘土礦物的風(fēng)化程度和土體裂隙結(jié)構(gòu)的微觀鑒定,其基本原理是:從試驗(yàn)電子槍陰極發(fā)射出的電子束,由聚光鏡和物鏡匯聚成極細(xì)的電子束,然后在掃描線圈的作用下,上述電子束在土體表面進(jìn)行掃描,激發(fā)出二次電子等信號(hào),最后被二次電子檢測(cè)器接收處理后,在顯像管上顯示圖像。掃描電鏡法能夠直接觀察樣品表面的結(jié)構(gòu),對(duì)試樣的形狀沒有限制,并且樣品可進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)等操作,最終的圖像具有立體感。

    4)計(jì)算機(jī)斷面成相技術(shù)(CT)法。

    計(jì)算機(jī)斷面成相技術(shù)法(Computed Tomography),是一種有效的地球物理手段,在工程地質(zhì)勘察、構(gòu)筑物的無損檢測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,其基本原理是:用X線束對(duì)土體某一部分的一定厚度的層面進(jìn)行掃描,然后由探測(cè)器接收透過該層面的X線,等轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姽庖院螅晒怆娹D(zhuǎn)換為電信號(hào),再經(jīng)模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為數(shù)字,輸入計(jì)算機(jī)處理。最終得到的CT圖像是重建數(shù)字圖像。

    2 裂隙統(tǒng)計(jì)新方法

    1)基本原理。

    基于MATLAB的圖形圖像處理[6],是隨著圖形圖像處理技術(shù)的快速發(fā)展,近年來興起的一種對(duì)土體裂隙的發(fā)育發(fā)展變化情況,進(jìn)行連續(xù)、無損、定量統(tǒng)計(jì)的新方法,其基本原理如下:

    由照相機(jī)直接拍攝到的圖像是真彩色圖像,其在MATLAB中是以m×n×3的數(shù)據(jù)矩陣格式存儲(chǔ)的,而數(shù)組中的每個(gè)元素值定義了圖像中像素的紅、綠、藍(lán)顏色值。將真彩色圖像轉(zhuǎn)變?yōu)榛叶葓D像后,圖像中每點(diǎn)顏色的值均位于0~256之間(灰度值0為純黑,灰度值256為純白)。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),圖像中裂隙部分的灰度值集中在接近0的范圍,而未開裂部分的灰度值較大。這樣,在圖像的灰度分布頻率圖上就會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)峰值。將灰度圖像轉(zhuǎn)變?yōu)槎祱D像后,圖像的灰度值只有0和1兩個(gè)值,0代表黑色像素點(diǎn),即裂隙部分,而1代表白色像素點(diǎn),即未開裂部分。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)黑色和白色像素點(diǎn)的數(shù)量,便可求得最終土樣的裂隙率。這一切由MATLAB均可很好的實(shí)現(xiàn)。灰度圖像和二值圖像如圖1所示。

    圖1 不同圖像展示

    基于MATLAB的圖形圖像處理技術(shù),可通過圖像裁剪、圖像灰度、中值濾波等操作很好的實(shí)現(xiàn),其實(shí)現(xiàn)過程的流程,如圖2所示。

    圖2 程序流程圖

    2)新方法的應(yīng)用。

    基于MATLAB的圖形圖像處理技術(shù),雖然是近幾年才發(fā)展起來的,但是由于具有其他幾種裂隙統(tǒng)計(jì)手段所不具備的優(yōu)點(diǎn),因此,在室內(nèi)試驗(yàn)和工程現(xiàn)場(chǎng)均得到了應(yīng)用,取得了良好的效果。

    在室內(nèi)試驗(yàn)方面,袁俊平等[7]對(duì)湖北棗陽重塑膨脹土進(jìn)行了試驗(yàn)研究,在分析了土樣風(fēng)干過程中裂隙圖像的灰度熵的基礎(chǔ)上,得出了圖像灰度熵可以作為裂隙發(fā)育程度度量指標(biāo)的結(jié)論。唐朝生等[8]以南京下蜀土為試驗(yàn)對(duì)象,運(yùn)用圖形圖像處理和編程技術(shù),分析研究了粘性土干縮裂縫的形成和發(fā)展過程,并得出了土樣裂隙形態(tài)指標(biāo)隨溫度以及濕度的變化規(guī)律。

    在工程現(xiàn)場(chǎng)方面,李雄威等[9]通過室內(nèi)數(shù)碼成像記錄了不同含水率下原狀膨脹土樣的裂隙形態(tài),統(tǒng)計(jì)了膨脹土表面裂隙率隨含水率變化的規(guī)律。王軍等[10]在南水北調(diào)中線的新鄉(xiāng)潞王墳試驗(yàn)段,對(duì)膨脹巖裂隙的發(fā)育發(fā)展情況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),定量分析了裂隙的變化規(guī)律與含水率的關(guān)系。

    3)新方法的特點(diǎn)。

    綜合以上分析可知,壓汞法實(shí)際上只是測(cè)定的土體孔徑分布,X射線衍射法和掃描電鏡法只能測(cè)定某些擾動(dòng)土樣的孔隙結(jié)構(gòu)狀態(tài),CT法可以動(dòng)態(tài)、定量和無損地測(cè)定巖土材料在受力過程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化過程,但其設(shè)備很昂貴,不利于推廣應(yīng)用?;贛ATLAB的圖形圖像處理技術(shù)則很好的克服了以上缺點(diǎn),在室內(nèi)試驗(yàn)和工程現(xiàn)場(chǎng),都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)土體裂隙的方便、無損、動(dòng)態(tài)、連續(xù)和定量的測(cè)定。

    但是,由于技術(shù)水平的限制,這種新方法也存在著一定的不足。土體的裂隙是一個(gè)三維體,在長度、寬度和深度方向均有發(fā)育,但是目前圖形圖像處理技術(shù)只可以對(duì)土體表面的裂隙進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析,無法測(cè)定土體內(nèi)部裂隙的發(fā)育發(fā)展。

    3 結(jié)語

    1)壓汞法、X射線衍射法、掃描電鏡法和計(jì)算機(jī)斷面成相技術(shù)(CT)法等裂隙統(tǒng)計(jì)常規(guī)手段,在實(shí)際應(yīng)用中均存在著不足,制約了這些技術(shù)的推廣運(yùn)用,也一定程度上影響了裂隙研究的進(jìn)展。

    2)基于MATLAB的圖形圖像處理新技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)土體裂隙的方便、無損、動(dòng)態(tài)、連續(xù)和定量的測(cè)定,已經(jīng)在室內(nèi)試驗(yàn)和工程現(xiàn)場(chǎng)中均得到了應(yīng)用,并取得了良好的效果。

    3)裂隙的發(fā)育是一個(gè)三維體,而圖形圖像處理技術(shù)目前只能對(duì)土樣的表面裂隙進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,無法研究裂隙深度的開展。

    [1]包承綱.膨脹土裂隙性研究,膨脹土處治理論、技術(shù)與實(shí)踐[M].北京:人民交通出版社,2004.

    [2]苑曉青,王 清,孫 鐵,等.分級(jí)真空預(yù)壓法加固吹填土過程中孔隙分布特征[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(地球科學(xué)版),2012(1):37-38.

    [3]柏立懂,羅志華,崔可銳,等.合徐高速北段膨脹土的物質(zhì)組分及微結(jié)構(gòu)研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006(1):11-12.

    [4]李冬梅.瀝青路面抗滑集料微觀紋理系數(shù)計(jì)算及試驗(yàn)——基于掃描電鏡法[J].福建工程學(xué)院學(xué)報(bào),2009(3):54-55.

    [5]于寧飛.淺析CT技術(shù)的發(fā)展[J].科技信息,2011(11):43.

    [6]王家文,李仰軍.MATLAB 7.0圖形圖像處理[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006.

    [7]袁俊平,殷宗澤.膨脹土裂隙的量化指標(biāo)與強(qiáng)度性質(zhì)研究[J].水利學(xué)報(bào),2004(6):29-30.

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    [9]李雄威,馮 欣,張 勇,等.膨脹土裂隙的平面描述分析[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì),2009(1):16-17.

    [10]王 軍,龔壁衛(wèi),張家俊,等.膨脹巖裂隙發(fā)育的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)及描述方法研究[J].長江科學(xué)院院報(bào),2010(9):46-48.

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