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

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．

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［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．

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