基于IPP圖像處理的膨脹土微觀(guān)結(jié)構(gòu)定量研究

侯超群，席 瑤，孫志彬，高可可

(1.合肥工業(yè)大學(xué)汽車(chē)與交通工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.上海中梁地產(chǎn)集團(tuán)有限公司，上海 200331)

膨脹土遇水膨脹軟化、失水收縮干裂，成分以親水性礦物為主，具有脹縮性、裂隙性和超固結(jié)性。實(shí)際工程中，膨脹土引發(fā)的災(zāi)害頻發(fā)，嚴(yán)重影響工程建設(shè)和建筑物的安全使用[1-3]。合肥地區(qū)分布著大量的膨脹土，學(xué)者對(duì)合肥膨脹土開(kāi)展了大量宏觀(guān)力學(xué)的研究[4-5]。土的工程性質(zhì)與土體結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系，對(duì)膨脹土微觀(guān)結(jié)構(gòu)的研究是解決實(shí)際工程難題的有效途徑。

近年來(lái)，眾多，學(xué)者對(duì)土膨脹的微觀(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的研究。譚羅榮等[6]通過(guò)對(duì)我國(guó)一些典型膨脹土的微觀(guān)結(jié)構(gòu)特征研究，對(duì)膨脹土微結(jié)構(gòu)單元及特征進(jìn)行分類(lèi)，研究了膨脹勢(shì)隨微結(jié)構(gòu)變化特征和力學(xué)強(qiáng)度與定向性的關(guān)系。施斌等[7]從制樣、圖像處理及化學(xué)成分等角度對(duì)土的微觀(guān)結(jié)構(gòu)分析技術(shù)進(jìn)行了研究。張季如等[8]運(yùn)用IPP對(duì)土壤的SEM圖像進(jìn)行測(cè)量和定量分析，研究了土壤的質(zhì)量分維數(shù)和表面分維數(shù)與土壤容重和孔隙度的相關(guān)關(guān)系。王寶軍等[9]利用Arc-GIS對(duì)黏性土微觀(guān)結(jié)構(gòu)圖像進(jìn)行有效提取和分析。高可可[10]等利用Arc-GIS對(duì)合肥膨脹土的微觀(guān)結(jié)構(gòu)分形特征進(jìn)行了三維定量研究。袁則循等[11]通過(guò)利用數(shù)字地形模型定量分析了多種特殊土的SEM圖像，提出了土樣微觀(guān)孔隙率的分析方法。

目前對(duì)不同浸水時(shí)間下合肥膨脹土微觀(guān)結(jié)構(gòu)的演變過(guò)程定量研究成果較少，不同浸水時(shí)間下合肥膨脹土微觀(guān)結(jié)構(gòu)演變過(guò)程，可以從微觀(guān)結(jié)構(gòu)變化對(duì)膨脹土吸水膨脹機(jī)理影響方面進(jìn)行分析。本文基于專(zhuān)業(yè)圖像處理軟件Image-Pro plus6.0(IPP6.0)定量分析了不同浸水時(shí)間下膨脹土的微觀(guān)結(jié)構(gòu)圖像，利用環(huán)境掃描顯微鏡(ESEM)掃描不同浸水時(shí)間下膨脹土樣獲取土樣的微觀(guān)結(jié)構(gòu)圖像。通過(guò)對(duì)土樣微觀(guān)結(jié)構(gòu)二值化圖像的定量化分析，準(zhǔn)確地獲取圖像中的信息。運(yùn)用小島法對(duì)土樣微觀(guān)結(jié)構(gòu)中孔隙和顆粒的分維特征進(jìn)行研究，定量地分析了膨脹土的表觀(guān)孔隙比、分形維數(shù)和組成情況隨著浸水時(shí)間的演變規(guī)律。

1 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

1.1 礦物成分情況

試驗(yàn)土樣為典型合肥膨脹土，礦物成分及其組成情況是土在宏觀(guān)中表現(xiàn)不同性質(zhì)的決定性因素，膨脹土中大量的親水性黏土礦物如蒙脫石、伊利石等是其表現(xiàn)出特殊的脹縮性能的內(nèi)部因素。通過(guò)X射線(xiàn)衍射(XRD)圖譜得到其礦物成分如表1所示。

表1 XRD試驗(yàn)半定量結(jié)果Table 1 Semi-quantitative results of the XRD test

由表1可知，黏土礦物成分中伊利石的含量最高，蒙脫石次之。此兩種黏土礦物對(duì)膨脹土的性質(zhì)有重要的影響，是膨脹土表現(xiàn)出特殊的脹縮性能的內(nèi)因。碎屑礦物成分中，石英所占比例最高。

1.2 無(wú)荷載膨脹率

含水量的大小是膨脹土表現(xiàn)出不同性質(zhì)的物理化學(xué)基礎(chǔ)，不同浸水時(shí)間下膨脹土的含水率不同，宏觀(guān)表現(xiàn)不同,文獻(xiàn)[5]研究了不同含水率對(duì)合肥膨脹土強(qiáng)度的影響。測(cè)定土樣的無(wú)荷載膨脹量[10]，獲得土樣的膨脹量隨浸水時(shí)間變化曲線(xiàn)(圖1)。測(cè)定不同浸水時(shí)間土樣含水率如表2所示。

圖1 土樣膨脹量隨浸水時(shí)間變化曲線(xiàn)[10]Fig.1 Curve of soil sample expansion with the soaking time

試樣原狀土浸水3 h浸水24 h浸水72 h含水率/%17.7920.9123.6924.70

隨著浸水時(shí)間的增長(zhǎng)，土樣的膨脹量及其變化速率在逐漸發(fā)生變化。為研究膨脹土在不同浸水時(shí)間下的微觀(guān)結(jié)構(gòu)特征演變過(guò)程，取在宏觀(guān)中土樣膨脹量特征點(diǎn)即原狀土、浸水3 h、24 h、72 h的合肥膨脹土樣進(jìn)行電鏡掃描獲取其微觀(guān)結(jié)構(gòu)。

2 微觀(guān)圖像的獲取與分析

2.1 微觀(guān)圖像的獲取

土的微觀(guān)結(jié)構(gòu)圖像大多使用電子掃描顯微鏡(SEM)技術(shù)獲取，用于SEM掃描的試樣必須是干燥的，選擇環(huán)境電子掃描顯微鏡(ESEM)對(duì)試樣進(jìn)行掃描，土樣在含水狀態(tài)下可以直接掃描。用于掃描的土樣制樣方法為：用小刀分別切取不同浸水時(shí)間下的長(zhǎng)條形土樣，在中部刻一圈深約2 mm的槽。掃描前從刻槽處用手掰開(kāi)，選取較為平整、有代表性的斷面，用洗耳球吹去松動(dòng)顆粒，然后將試樣放入粘有導(dǎo)電紙的掃描臺(tái)進(jìn)行掃描。掃描得到不同浸水狀態(tài)下土樣微觀(guān)結(jié)構(gòu)圖像如圖2所示。

圖2 不同浸水時(shí)間下合肥膨脹土ESEM圖像Fig.2 ESEM image of the Hefei expansive soil under different soaking times

由圖2可看出，原狀土的微結(jié)構(gòu)特征為粒狀堆積結(jié)構(gòu)，團(tuán)聚體相互堆積在一起，且團(tuán)粒較大；浸水3 h的微結(jié)構(gòu)特征為粒狀堆積結(jié)構(gòu)，與原狀土相比，顆粒減小，相互堆積的程度減弱，在顆粒與顆粒之間的細(xì)小孔隙增加；浸水24 h的微結(jié)構(gòu)特征為紊流結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)單元發(fā)生變化，出現(xiàn)片狀結(jié)構(gòu)，面與面、面與邊接觸增加，這些顆粒結(jié)構(gòu)與原狀土以及浸水時(shí)間短的土樣相比，顆粒的邊緣變化較大，之前的堆積狀態(tài)也發(fā)生了較大變化，孔隙出現(xiàn)逐漸變大；浸水72 h的微結(jié)構(gòu)特征為定向排列結(jié)構(gòu)和紊流結(jié)構(gòu)組合而成的復(fù)合式結(jié)構(gòu)，基本單元中的顆粒結(jié)構(gòu)已經(jīng)存在很少，主要以片狀結(jié)構(gòu)為主，并且觀(guān)察圖像可知局部存在著高度定向排列的情況，孔隙變大。

2.2 圖像處理與分析

本文基于專(zhuān)業(yè)圖像處理軟件Image-Pro Plus 6.0(IPP6.0)對(duì)土樣的ESEM圖像進(jìn)行處理和分析。對(duì)圖像依次進(jìn)行空間刻度校準(zhǔn)、圖像預(yù)處理、二值化處理、數(shù)據(jù)輸出等操作，結(jié)果如圖3所示。通過(guò)對(duì)圖像的定量分析就可以獲取圖像中特定區(qū)域的特性參數(shù)，有效地提高了圖像處理的效率和準(zhǔn)確性。

圖3 土樣ESEM圖像處理步驟Fig.3 ESEM image processing steps for the soil samples

3 土體微觀(guān)結(jié)構(gòu)定量分析

3.1 表觀(guān)孔隙比

孔隙比是衡量土體緊密程度的重要指標(biāo)。采用孔隙面積和單元體面積之比來(lái)表征其孔隙比，稱(chēng)為表觀(guān)孔隙比(e表現(xiàn))：

式中：S孔隙,S單元體——圖像中孔隙和單元體所占面積。

利用IPP對(duì)不同浸水時(shí)間下的微觀(guān)結(jié)構(gòu)圖像的孔隙面積和單元體面積進(jìn)行測(cè)量。4種不同狀態(tài)的圖片各取多張，分別求出各自的表觀(guān)孔隙比，然后求其平均值，可得表觀(guān)孔隙比隨浸水時(shí)間變化曲線(xiàn)(圖4)。試樣表觀(guān)孔隙比隨含水率變化的曲線(xiàn)如圖5所示。

圖4 土樣表觀(guān)孔隙比隨浸水時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.4 Curve of the apparent pore ratio variation with the soaking time of the soil samples

由圖4、圖5可知，土的表觀(guān)孔隙比隨著浸水時(shí)間增長(zhǎng)逐漸增大，變化速率逐漸減小，變化趨勢(shì)與試樣無(wú)荷載膨脹量變化趨勢(shì)接近。土樣微觀(guān)結(jié)構(gòu)的表觀(guān)孔隙比隨著含水率的增大近似線(xiàn)性增大。

圖5 土樣表觀(guān)孔隙比與含水率關(guān)系曲線(xiàn)Fig.5 Relationship between the apparent pore ratio and water content of the soil samples

對(duì)土樣表觀(guān)孔隙比隨含水率變化關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合關(guān)系為y=0.096 88x-0.743 0，r=0.993 26。二者線(xiàn)性關(guān)系良好。隨著含水率的增加，孔隙面積所占比例增加，土樣越來(lái)越疏松，且孔隙比變化幅度較大，這與宏觀(guān)中膨脹土在遇水之后會(huì)產(chǎn)生較大的體積膨脹，且膨脹迅速有著密切的關(guān)系。

3.2 分形維數(shù)

運(yùn)用小島法對(duì)土樣微觀(guān)結(jié)構(gòu)分形維數(shù)D進(jìn)行計(jì)算：

lnP=D/2×lnA+C

式中：P,A——圖像的周長(zhǎng)和面積;

C——常數(shù)。

對(duì)土樣的顆粒和孔隙的面積與周長(zhǎng)的雙對(duì)數(shù)關(guān)系進(jìn)行線(xiàn)性擬合，通過(guò)擬合直線(xiàn)的斜率可得其分維數(shù)：

D=k×2

式中：k——面積與周長(zhǎng)的雙對(duì)數(shù)擬合直線(xiàn)的斜率。

對(duì)不同浸水時(shí)間下合肥膨脹土微觀(guān)結(jié)構(gòu)顆粒和孔隙的分維數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖6)。由圖6可知，膨脹土顆粒和孔隙的分維數(shù)在1.1～1.3之間。隨著浸水時(shí)間的變化，顆粒和孔隙的分維數(shù)產(chǎn)生相反的變化。顆粒分維數(shù)隨著浸水時(shí)間逐漸減小， 在浸水初期分維數(shù)變化速率較快，隨著浸水時(shí)間的增加其變化速率逐漸穩(wěn)定，與膨脹量的變化趨勢(shì)一致。浸水過(guò)程中，土體微結(jié)構(gòu)發(fā)生膨脹，顆粒的自相似性變差，分維數(shù)減小。而孔隙的自相似性變好，分維數(shù)增大。在浸水作用下，顆粒和孔隙的自相似性產(chǎn)生不同的變化，顆粒和孔隙的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性產(chǎn)生不同的變化，與土樣膨脹后顆粒重新排列、孔隙重新分布有密切的關(guān)系。

圖6 不同浸水時(shí)間下土樣顆粒和孔隙分形維數(shù)Fig.6 Fractal dimension of soil particles and soil pore under different soaking times

3.3 尺度分布

考慮到膨脹土內(nèi)部團(tuán)聚體較大的特點(diǎn)，按照平均直徑的大小將顆粒和孔隙分組，按照大(>5 μm)、中(2～5 μm)、小(1～2 μm)、微(<1 μm)分成4組。利用IPP測(cè)量顆粒和孔隙的平均直徑，按照直徑的大小和所占百分比進(jìn)行分組統(tǒng)計(jì)(圖7)。由圖7可知，隨著浸水時(shí)間的增大，微、小顆粒的占比逐漸增大，中、大顆粒的占比逐漸減小。考慮到水的浸泡作用，由在含水率較低情況下相互膠結(jié)的顆粒形成的團(tuán)聚體在長(zhǎng)時(shí)間的浸泡作用下相互分離，產(chǎn)生了大量的小、微顆粒。從占比情況中分析，相互膠結(jié)成團(tuán)聚體的顆粒相互分離是膨脹土產(chǎn)生膨脹的內(nèi)在原因之一，土顆粒膠結(jié)成團(tuán)聚體相互之間間距較小，在水的浸泡作用下，團(tuán)聚體分離，顆粒之間的距離增大。在微觀(guān)情況下，顆粒間距的增大積累，在宏觀(guān)中表現(xiàn)為土樣的膨脹。

圖7 不同浸水時(shí)間下各類(lèi)顆粒和孔隙占比情況Fig.7 Proportion of various types of particles and pore under different soaking times

同樣，隨著浸水時(shí)間的增加，大孔隙和微孔隙占比減小，小孔隙占比明顯增大，中孔隙占比緩慢增大。由此可見(jiàn)，在水的浸泡作用下，土中的孔隙占比偏向均等化發(fā)展，即大、微孔隙向中、小孔隙發(fā)展，水對(duì)土的影響是對(duì)土團(tuán)聚體和土顆粒的影響，結(jié)合顆粒占比情況分析，孔隙占比出現(xiàn)這樣變化的原因在于土中微、小顆粒的增加，進(jìn)而將土中大孔隙分割，填充了微空隙。

4 結(jié)論

(1) 隨著浸水時(shí)間的增大，膨脹土微觀(guān)結(jié)構(gòu)表觀(guān)孔隙比逐漸增大，與宏觀(guān)中膨脹量變化趨勢(shì)相近，土樣表觀(guān)孔隙比與含水率線(xiàn)性相關(guān)。

(2) 膨脹土顆粒和孔隙都具有明顯的分形特征，分形維數(shù)在1.1～1.3之間，且隨著浸水時(shí)間的增大，顆粒分形維數(shù)逐漸減小，孔隙分析維數(shù)逐漸增大，二者呈現(xiàn)相反的變化。

(3) 隨著浸水時(shí)間的增大，相互膠結(jié)成團(tuán)聚體的顆粒逐漸分離，顆粒之間的間距逐漸增大，微觀(guān)中間距的積累，是宏觀(guān)中膨脹的原因之一。