基于二值法研究干濕循環(huán)后路基土體裂隙發(fā)育

李志超

摘要：本試驗對不同干濕循環(huán)幅度后，路基土重塑試樣進行了CT掃描。結果表明，通過CT圖像二值化，得到了清晰直觀的裂隙發(fā)育圖像，并證明了干濕循環(huán)幅度越大，土體裂隙發(fā)育越明顯，同時裂隙周圍土體顆粒的松散化程度越高。

Abstract： In this test， CT scans were carried out on samples of subgrade soil remodeling after different drying and wetting cycles. The results show that through the binarization of CT images， a clear and intuitive crack development image is obtained， and it is proved that the larger the dry-wet cycle amplitude， the more obvious the development of soil cracks， and the higher the degree of loosening of the soil particles around the cracks.

關鍵詞：干濕循環(huán);CT;裂隙;二值化

Key words： dry-wet cycle;CT;crack;binarization

中圖分類號：TU443? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）23-0092-02

0? 引言

鐵路路基因為長時間暴露于空氣，會受到自然環(huán)境的侵蝕。降雨時，路基土體含水率上升，高溫和日照作用下，路基土體趨于干燥，含水率變化幅度較大。路基土體長期處于加濕干燥的往復循環(huán)，即為干濕循環(huán)作用，導致其力學性能變化明顯。與此同時，土體內部的微裂隙不斷發(fā)展，勢必引起內部結構的損傷和破壞，進而降低路基的強度和抗變形能力，導致其承載力和穩(wěn)定性下降，影響鐵路路基的正常使用。

CT是一種無損檢測技術，其利用精確準直的X線束、γ射線、超聲波等，與高靈敏的探測器作用于被測物體的某一部位進行一個接一個的斷面掃描，具有掃描時間快，圖象清晰等特點，因而很快被應用到巖土材料的細觀結構分析。通過CT圖像的二值化處理，可以直觀的重現干濕循環(huán)過后路基土體內部的裂隙形態(tài)和二維分布狀況，進而揭示路基土體強度下降成因。

1? 試驗材料和基本物理性質

試驗土樣取自武漢某工地，為黏土土樣，黃褐色，硬塑狀態(tài)。本試驗主要研究路基壓實土，并制作重塑試樣，確定取土深度2-3m。試驗前風干土樣，然后去除石子、植物根系等雜物，然后通過電動粉碎機進行破碎，再過2mm篩進行基本物理性質分析。

本次試驗根據《土工試驗方法標準GB/T50123》對過篩后的土樣進行篩分。主要有顆粒分析、液塑限、擊實試驗。試驗結果見表1、表2、圖1所示。由此結果可知試驗土體為低液限土。

2? 試驗方法

試驗全部采用重塑土樣，并采用自制的加濕箱，如圖2所示。試驗方法[1-3]如下：

①將土樣風干碾碎后過0.5mm的篩，并將篩下的土放置在不透水的瓷盤內，計算所需的加水量，加純水配制成最優(yōu)含水率（16%）的所需土料，將配制好的土料放在干燥器中養(yǎng)護24h后開始制樣。

②養(yǎng)護24h后的土料按照試樣干密度為1.827g/cm3計算每個試樣所需質量，將計算每個試樣所需質量的土料放進不銹鋼材質的空心圓柱體內，利用千斤頂進行壓實制成直徑38mm、高76mm、含水率16%、壓實度0.93的試樣，最后將制作好的試樣用保鮮膜嚴密包裹后放在干燥器中養(yǎng)護24h。

③將養(yǎng)護好后的試樣（含水率16%）放入自制的加濕箱內，調節(jié)好加濕器加濕檔位，加濕至平衡含水率狀態(tài)（含水率17%），用保鮮膜包裹養(yǎng)護24h。

④在一個循環(huán)周期內，對處于平衡含水率下的試樣先加濕至最大含水率，然后干燥至最小含水率狀態(tài)，最后加濕至平衡含水率完成一次干濕循環(huán)。本次試驗分別進行±1%、±3%、±5%幅度的干濕循環(huán)試驗，為了對比循環(huán)幅度對裂隙發(fā)育的影響，不同循環(huán)幅度的試樣均進行2次干濕循環(huán)。試樣在平衡含水率、最大含水率和最小含水率時，養(yǎng)護24h。

⑤干濕循環(huán)過后，試樣養(yǎng)護24h，準備進行CT掃描試驗。本試驗采用中國科學院武漢巖土力學研究所的微米CT掃描儀 Zeiss Xradia 410Versa，掃描精度為37.95μm，可較為真實還原試樣在整個試驗過程中的裂隙發(fā)育情況。

⑥使用Image J軟件對CT掃描圖像進行二值化處理，得出試樣裂隙發(fā)育二值化圖像。

3? 試驗結果及分析

二值化[4]屬于閾值法[5]的一種，其最顯著的一個特點是，圖像中每一個像素點只有兩種取值狀態(tài)，通過黑色和白色來表現圖像狀態(tài)，其圖像模式簡單，不存在明顯的灰度過渡，在進行圖像觀測時，大多利用二值化進行分析。通過設定不同的閾值，在二維圖像上選取某個特定灰度域，并將不屬于這個灰度域的像素排除，通過二值化選取本文需要研究的目標灰度，以此在二維圖像上凸顯土體內部的裂隙二維發(fā)展特征。灰度圖像對于像素在空間的分布表現不如二值化圖像，二值化圖像裂隙和高密區(qū)域分界明顯，可以直接觀測到試樣的裂隙分布情況。

取2次干濕循環(huán)后，1%、3%、5%干濕循環(huán)幅度的CT圖像進行二值化處理，分析試樣裂隙附近的灰度變化，為了對比分析，選取一組未干濕循環(huán)試樣進行對比分析。試樣黑色區(qū)域為高密區(qū)域，白色區(qū)域為土體內部裂隙。在干濕循環(huán)前，試樣的低密度區(qū)域集中分布在試樣外表面，隨著干濕循環(huán)過程中試樣加濕-風干的反復進行，裂隙從外部開始發(fā)展，逐漸延伸到土體內部，形成帶狀的裂隙網。

如圖3-圖6所示，試樣的灰度值越大，其密度也越高，通過選定不同的閾值，只顯示GV≥150、GV≥160、GV≥170、GV≥180灰度，逐步排除試樣內部的低密度區(qū)域，可以發(fā)現，試樣的低密度區(qū)域集中分布在主要的幾條大裂隙附近，隨著干濕循環(huán)幅度的上升試樣的裂隙總量也越多。

土體裂隙從干縮狀態(tài)到加濕過程中會逐步愈合，裂隙愈合過程中試樣主裂隙會發(fā)生濕化效應[6]，裂隙周圍的土體，隨著加濕的進行，含水率上升土體強度降低導致土顆粒不斷塌落，塌落部分會持續(xù)填入裂隙中，同未產生裂隙區(qū)域相比，其強度較低，裂隙周圍土體松弛化。如圖6，試樣在干濕循環(huán)過程中未產生裂隙區(qū)域，隨著灰度域值的上升，其二值化圖像未產生明顯的變化，因而可以認為新生裂隙一般沿著已有裂隙薄弱處發(fā)展，土體低密度區(qū)域往往也分布于裂隙附近。在試樣內部，裂隙分布往往較為集中。因此循環(huán)幅度越大的試樣，土體顆粒松散化情況更為嚴重。

4? 結論

①干濕循環(huán)作用加劇了土體內部的裂隙發(fā)育，對土體結構造成不可逆轉的影響。②干濕循環(huán)過程，裂隙從土體薄弱處逐步演化發(fā)育。③試樣的裂隙面積隨著干濕循環(huán)幅度的上升而上升。④干濕循環(huán)作用導致裂隙周圍土體顆粒松弛化，干濕循環(huán)幅度越高，土顆粒松弛程度越明顯。

參考文獻：

[1]張芳枝，陳曉平.反復干濕循環(huán)對非飽和土的力學特性影響研究[J].巖土工程學報，2010，32（01）：0041-0047.

[2]李賢，彭貞.重塑膨脹土結構性損傷CT-三軸試驗研究[J]. 西南大學學報，2013（06）：0131-0136.

[3]孟杰，李喜安，趙興考.基于高精度μCT掃描的重塑黃土試樣均勻性分析[J].長江科學院院報，2019（08）：125-130.

[4]龐旭卿，胡再強.黃土剪切損傷演化及其力學特性的CT-三軸試驗研究[J].水利學報，2016（02）：180-188.

[5]Kawakata H， Cho A， Kiyama T， et al. Three dimensional observations of faulting process in Westerly granite under uniaxial and triaxial conditions by X-ray CT scan[J]. Teetonophysies，1999， 513：293-305.

[6]曹玲，王志儉，張振華.降雨-蒸發(fā)條件下膨脹土裂隙演化特征試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2016 （02）：412-421.