數(shù)字圖像技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用探討

曲柏恒

（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心吉林總隊(duì)，長春 130033）

在城鎮(zhèn)現(xiàn)代化進(jìn)程不斷加快背景下，開展建筑施工作業(yè)遇到需處理的巖土工程情況越來越多，而做好地下深入探究工作，可以為建筑工程順利實(shí)施奠定良好基礎(chǔ)。不過受巖體十分復(fù)雜、采用技術(shù)手段落后等因素影響，導(dǎo)致巖土工程地質(zhì)勘察所得信息結(jié)果不夠真實(shí)準(zhǔn)確，而將數(shù)字圖像技術(shù)應(yīng)用到其中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)巖土工程的定量分析，在促進(jìn)所得數(shù)字信息與圖像信息相互轉(zhuǎn)化中，使巖土工程探究分析更為便捷、高效[1]。

1 數(shù)字圖像技術(shù)的基本概述

數(shù)字圖像技術(shù)又被稱為計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，實(shí)際運(yùn)用時(shí)可以將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，依托計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的高效處理。數(shù)字圖像技術(shù)包含了圖像變換、圖像增強(qiáng)復(fù)原、圖像分類識(shí)別、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量等內(nèi)容，在工業(yè)生產(chǎn)、現(xiàn)代通信、工程測(cè)量等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。將數(shù)字圖像技術(shù)引入到巖土工程測(cè)試領(lǐng)域，可以借助數(shù)碼照相機(jī)、透射電鏡技術(shù)、計(jì)算機(jī)層析技術(shù)等，獲取豐富的數(shù)字圖像，再通過數(shù)字圖像技術(shù)處理，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)巖土體力學(xué)性質(zhì)、現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)等信息的有效分析與把握[2]。另外，對(duì)數(shù)字圖像技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行歸納，主要有：①再現(xiàn)性好。相較于模擬圖像處理，數(shù)字圖像處理不會(huì)因?yàn)閳D像儲(chǔ)存、復(fù)制、傳輸?shù)龋霈F(xiàn)圖像質(zhì)量降低的情況，甚至還可以借助圖像處理軟件對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改善。②適用面寬。圖像的信息來源比較多，可以是電子顯微鏡圖像，也可以是遙感影像或者航空照片。③靈活性高。依托數(shù)字圖像技術(shù)，不僅可以完成線性運(yùn)算，還能開展非線性處理工作，實(shí)際應(yīng)用中要結(jié)合實(shí)際分析不同圖像、數(shù)據(jù)之間存在的內(nèi)在邏輯關(guān)系，通過運(yùn)算分析來有效應(yīng)用[3]。

2 數(shù)字圖像技術(shù)在巖土工程中的應(yīng)用

2.1 在宏觀變形領(lǐng)域中應(yīng)用

數(shù)字圖像技術(shù)在巖土工程的宏觀變形領(lǐng)域中的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在以下幾方面：①實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試研究中，可以將數(shù)字圖像技術(shù)用于分析可視化和數(shù)字化分析現(xiàn)象，在三軸試驗(yàn)、巖體斷裂過程分析等中，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)測(cè)試過程的有效監(jiān)控，應(yīng)用中可以將相機(jī)放到有限的空間內(nèi)容，完成測(cè)試工作后提取所拍攝圖像中的重要數(shù)據(jù)，比如在巖土材料剪切過程中，經(jīng)常會(huì)遇到應(yīng)變局部化的情況，不過在實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)剪切帶的擴(kuò)展進(jìn)行監(jiān)測(cè)難度比較大，而應(yīng)用數(shù)字圖像技術(shù)處理以后，就可以直接通過三軸測(cè)試單元，對(duì)三軸電池內(nèi)部的真實(shí)視圖進(jìn)行有效捕捉，使巖土材料剪切試驗(yàn)和三軸試驗(yàn)變得更為直觀，針對(duì)測(cè)試過程中的細(xì)節(jié)也能通過數(shù)字圖像數(shù)據(jù)挖掘出來，并在模型試驗(yàn)研究中得到有效應(yīng)用[4]。②地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)。由于數(shù)字圖像技術(shù)本身擁有實(shí)時(shí)、高效和精準(zhǔn)等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，將之運(yùn)用到巖土工程測(cè)量中，可以借助孔徑雷達(dá)有效掌握亞厘米精度空間連續(xù)變形情況，進(jìn)而為滑坡、塌陷等地質(zhì)災(zāi)害科學(xué)評(píng)估預(yù)測(cè)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。具體實(shí)踐中，利用數(shù)字圖像技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的巖土監(jiān)測(cè)分析工作，依托遙感和地理信息系統(tǒng)建立地區(qū)地理數(shù)據(jù)庫，然后基于建立起來的數(shù)字高程模型，對(duì)監(jiān)測(cè)地區(qū)地形特征和地質(zhì)災(zāi)害圖進(jìn)行確定，甚至還可以利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)不同時(shí)期拍攝到的圖像進(jìn)行銳化、去噪等處理，然后在前后對(duì)比分析中及時(shí)發(fā)現(xiàn)巖土工程內(nèi)部存在的病害，進(jìn)而為工程整體穩(wěn)定性情況分析和后續(xù)開展科學(xué)化施工提供有力的數(shù)據(jù)支持。

2.2 在非可視領(lǐng)域中應(yīng)用

由于數(shù)字圖像技術(shù)也是一種粒子追蹤方法，將之運(yùn)用到巖土工程非可視領(lǐng)域中，也能對(duì)圖像中斑點(diǎn)、粒子的位移情況進(jìn)行有效確定，具體表現(xiàn)：①微觀結(jié)構(gòu)。在準(zhǔn)確把握巖土體內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)及其組成以后，可以有效預(yù)測(cè)分析巖土體在外力作用下的應(yīng)力應(yīng)變狀況，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)巖土體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)和破壞機(jī)制的控制。實(shí)際操作中，可以運(yùn)用數(shù)字圖像技術(shù)對(duì)土和巖體進(jìn)行定量化的研究與分析，在準(zhǔn)確把握巖土材料的顆粒形狀、粒徑球度等信息數(shù)據(jù)后，對(duì)出現(xiàn)的變形破壞情況作出宏觀解釋，甚至還可以在了解巖土顆粒微觀物理力學(xué)性質(zhì)以后，依托得到的相關(guān)物理參數(shù)建立離散元模型，以更好把握巖石、土體的微觀結(jié)構(gòu)和相應(yīng)物理力學(xué)數(shù)值[5]。②高速動(dòng)力學(xué)。巖體在遭受到外界荷載作用以后會(huì)被破壞，且?guī)r體遭受外力越大，破壞的速度也會(huì)越快，勘察人員可以通過破裂面的特征，來分析對(duì)裂紋的性質(zhì)，操作中對(duì)數(shù)字圖像技術(shù)進(jìn)行運(yùn)用，就可以直接通過高速攝像機(jī)來獲取巖體破壞過程，在明確裂紋起始位置和之后延伸以后，確定裂紋的形成機(jī)制。另外，還可以運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)，對(duì)巖體材料自身性質(zhì)進(jìn)行細(xì)致探究，涉及到的內(nèi)容有研究和分析結(jié)構(gòu)面數(shù)量、充填介質(zhì)等在沖擊狀態(tài)下巖土破裂過程。③聲學(xué)成像?？紤]到巖土體的材料性質(zhì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在很大程度上決定了巖土體的力學(xué)性能和整體穩(wěn)定性，因此加強(qiáng)巖土內(nèi)部信息研究顯得十分有必要。實(shí)際操作中一般會(huì)運(yùn)用聲學(xué)成像技術(shù)開展工作，作為一種可以將聲學(xué)信息有效轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信息的技術(shù)，實(shí)踐中可以充分利用這項(xiàng)技術(shù)非接觸性、穿透性較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息的有效探究與分析，比如在對(duì)樁基缺陷進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析時(shí)，可以通過開展超聲波鉆孔作業(yè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)深部巖體結(jié)構(gòu)面特征的有效了解，然后利用三維聲發(fā)射定位和計(jì)算機(jī)斷層成像技術(shù)，有效把握巖體緩慢破壞進(jìn)程，最后形成高分辨率的地質(zhì)形態(tài)，便于發(fā)現(xiàn)樁基存在缺陷，然后對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化處理[6]。

2.3 在應(yīng)力探測(cè)領(lǐng)域中應(yīng)用

考慮到巖土內(nèi)部應(yīng)力分布和加載卸載應(yīng)力傳導(dǎo)，會(huì)直接影響到整個(gè)巖土體的穩(wěn)定性，而要掌握這一情況，就要借助數(shù)值模擬或者室內(nèi)試驗(yàn)手段，探究巖體內(nèi)部應(yīng)力分布及傳導(dǎo)規(guī)律。操作中無論采用哪種方式，都需要運(yùn)用數(shù)字圖像技術(shù)進(jìn)行處理分析，實(shí)踐中會(huì)在獲取土石混合體相片和進(jìn)行數(shù)字圖像處理以后，開展顆粒流建模模擬工作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)土石混合體力學(xué)性質(zhì)的有效掌握，有了數(shù)字圖像技術(shù)的支持，便于勘察人員直觀看到巖石材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)，然后采用有限元法-離散元法得到巖樣破裂時(shí)的應(yīng)力分布狀況。

3 實(shí)際案例分析

3.1 工程概況

某建筑工程總面積約為2 500 萬m2，主要是由3棟15~22 層的高層住宅樓組成，建筑結(jié)構(gòu)為框架結(jié)構(gòu)。在開展建筑施工之前對(duì)工程巖土情況進(jìn)行細(xì)致分析，發(fā)現(xiàn)場(chǎng)地地形地貌呈現(xiàn)出東南西北低、中部地形起伏不大、區(qū)境兼有丘陵低山等的特點(diǎn)。在地質(zhì)構(gòu)造上較為簡單，沒有發(fā)現(xiàn)大的斷裂和褶曲，地層主要是由人工填土、粉質(zhì)黏土、粉土和卵石土等構(gòu)成。該區(qū)地下水類型主要為孔隙型潛水，且水量十分豐富，水位年變化幅度約為2.0 m[7]。在全面系統(tǒng)把握和分析該建筑項(xiàng)目的地質(zhì)水文條件后，在開展地下基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施工時(shí)，為保證巖土穩(wěn)定性和增加支擋結(jié)構(gòu)，決定將鋼筋或鋼索的一端固定到孔底的穩(wěn)定巖土體中，再將鋼筋拉緊產(chǎn)生一定的回彈力，然后將鋼筋的另一端固定到巖土體或者支擋結(jié)構(gòu)表面，以最大程度地增大滑動(dòng)面上的抗剪強(qiáng)度，起到提高巖土體穩(wěn)定性的作用。為有效掌握預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)在張拉荷載作用下的斷面特性和不同錨固施工形式下巖土體細(xì)觀位移發(fā)展?fàn)顩r，決定借助室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)字圖像變形量測(cè)方法開展深入探究，具體過程和結(jié)果見下。

3.2 試驗(yàn)介紹

在開展模型試驗(yàn)工作之前，需要做好試驗(yàn)材料、裝置等準(zhǔn)備工作，涉及到的試驗(yàn)材料主要是由石粉、砂、水等混合料配置而成，在澆筑模型之前將錨桿放置到預(yù)定位置，澆筑過程中要保證位置固定準(zhǔn)確不可發(fā)生偏移，待完成模型澆筑工作以后，就可以撤除玻璃，并在觀測(cè)面上撒上一層標(biāo)準(zhǔn)砂作為觀測(cè)點(diǎn)，對(duì)于試驗(yàn)過程所使用的照明設(shè)備、數(shù)碼相機(jī)等也要加以調(diào)試，以便后續(xù)正常拍攝作業(yè)。同時(shí)，在整個(gè)試驗(yàn)過程中，分級(jí)加載主要是以模型錨桿的位移作為控制條件，并根據(jù)實(shí)際位移量在桿體對(duì)應(yīng)的位置做標(biāo)志，在讀取圖像桿體標(biāo)志點(diǎn)的像素垂直位移值及代表的實(shí)際長度后，就可以得到桿體相對(duì)應(yīng)的位移量[8]。

3.3 單錨工況

在位移場(chǎng)發(fā)展方面，初始錨桿長度為100 mm，在完成配置工作以后混合料演變?yōu)橛菜軤顟B(tài)，這對(duì)于硬質(zhì)桿體來說，較軟混合料更容易引發(fā)拉力變形情況，且在這過程中可以直觀地看到錨桿體周圍軟弱巖土體的位移發(fā)展?fàn)顩r，如圖1 所示。錨固體的位移主要是沿著錨桿軸向發(fā)生，在桿體兩側(cè)呈現(xiàn)出U 型對(duì)稱分布的特點(diǎn)，側(cè)面反映隨著荷載不斷增大，錨桿體位移情況也會(huì)隨之增長，軸向位移的影響范圍也會(huì)朝著端部發(fā)展，甚至還會(huì)在錨固段前部出現(xiàn)隆起現(xiàn)象。而徑向位移的發(fā)生更多體現(xiàn)在內(nèi)錨固段尾部，這是因?yàn)槭艿缴习魏奢d作用影響，桿體與周圍介質(zhì)的黏結(jié)作用有向桿體移動(dòng)發(fā)展的趨勢(shì)，在桿體上拔以后，錨固段所隆起的巖土體就會(huì)失去周圍介質(zhì)的約束作用，進(jìn)而出現(xiàn)徑向位移的狀況，涉及到的錨固段表面巖土體會(huì)開始向兩側(cè)進(jìn)行擴(kuò)展[9]。在錨固體剪應(yīng)變場(chǎng)發(fā)展方面，一旦錨桿周圍巖土體出現(xiàn)抗剪強(qiáng)度不夠的情況，就會(huì)對(duì)周圍巖土體造成較大的擾動(dòng)和破壞。為了對(duì)張拉荷載作用下的周圍巖土體破壞形態(tài)有一個(gè)直觀細(xì)致的了解，需要采用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)巖土體破壞方式進(jìn)行定性分析，如圖2 所示。透過所得剪應(yīng)場(chǎng)發(fā)展圖，發(fā)現(xiàn)剪應(yīng)變場(chǎng)底部已經(jīng)出現(xiàn)超出錨端部一定距離的情況，這一現(xiàn)象與錨桿張拉形成的位移場(chǎng)影響范圍是基本吻合的，不過這一過程錨桿形成的剪應(yīng)力依然達(dá)不到巖土體的極限抗剪強(qiáng)度，可以判定剪應(yīng)變區(qū)內(nèi)的巖土體依然處于彈性階段。

圖1 錨固體周圍軟弱巖土體位移場(chǎng)云圖

圖2 桿體上拔剪應(yīng)變場(chǎng)情況

3.4 群錨工況

在錨間巖土體位移發(fā)展方面，試驗(yàn)過程可以發(fā)現(xiàn)相較于單錨工況分析，巖土群錨相互作用機(jī)理更加復(fù)雜，考慮到實(shí)際巖土錨固工程施工的經(jīng)濟(jì)性和安全性，在很大程度上取決于群錨之間發(fā)生的相互作用，因此如何科學(xué)合理利用群錨之間巖土體的自身承載力，防止錨固段張拉裂縫出現(xiàn)，成為本次試驗(yàn)探究的重點(diǎn)內(nèi)容。操作中通過數(shù)字圖像技術(shù)，可以直觀看到雙錨同時(shí)張拉錨間土體位移場(chǎng)的實(shí)際發(fā)展和演化過程，特別是在張拉初期階段，位移場(chǎng)并不能夠發(fā)生相互影響作用，但是隨著桿體不斷的上拔，對(duì)巖土體帶來的影響也會(huì)逐漸朝著錨固段底部轉(zhuǎn)移，整個(gè)過程對(duì)巖土體進(jìn)行改變主要是以軸向位移為主，所得到的變形強(qiáng)化作用也是群錨應(yīng)力疊加形成的最終結(jié)果。在錨間距影響方面，由于錨桿間距的選擇是錨固工程設(shè)計(jì)中需要考慮的一項(xiàng)重要內(nèi)容，因此在該試驗(yàn)過程中，將群錨間距設(shè)置為錨桿直徑的1.2 倍，借助數(shù)字圖像技術(shù)對(duì)錨桿間距帶給錨固體位移的影響進(jìn)行細(xì)致觀察與分析，透過圖3可以發(fā)現(xiàn)，伴隨著桿體間距不斷的減小，錨固體內(nèi)外側(cè)巖土體變形情況也存在較大差異，其中外側(cè)巖土體變形會(huì)在上拔荷載作用下，朝著桿體軸向和徑向2 個(gè)方向移動(dòng)，內(nèi)側(cè)巖土體變形主要為軸向位移，這一位移情況的發(fā)生主要受到拉伸變形影響[10]。

圖3 錨桿間對(duì)錨間巖土體位移的影響

3.5 結(jié)果分析

通過運(yùn)用數(shù)字圖像技術(shù)對(duì)巖土錨固效應(yīng)的細(xì)觀機(jī)制進(jìn)行試驗(yàn)探究，發(fā)現(xiàn)在單錨工況下，軸向位移主要發(fā)生在桿體的兩側(cè)位置，且會(huì)呈現(xiàn)出U 型對(duì)稱發(fā)展的特征，在準(zhǔn)確把握這一情況后，可以將桿體周圍巖土體位移劃分為3 個(gè)區(qū)域，即兩側(cè)斜上方隆起區(qū)、軸向拉伸中部拉伸區(qū)和后端橫向擾動(dòng)區(qū)，最終試驗(yàn)也表明巖土體破壞是以一種近似于錐體的形式發(fā)生。而在群錨工況下巖土體更多是出現(xiàn)拉伸變形的情況，且隨著拉伸區(qū)軸向位移的不斷增強(qiáng)，另外區(qū)域徑向位移會(huì)呈現(xiàn)出不斷減弱的趨勢(shì)。再借助室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)字圖像變形量測(cè)，對(duì)預(yù)應(yīng)力錨固結(jié)構(gòu)在張拉荷載作用下的斷面特性進(jìn)行深入研究后，可以準(zhǔn)確把握位移情況發(fā)生的內(nèi)在作用機(jī)理，然后根據(jù)所得圖像信息對(duì)工程施工進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保整個(gè)巖土體穩(wěn)定性和建筑的實(shí)際使用性能。

4 結(jié)束語

伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷的發(fā)展，各種建設(shè)項(xiàng)目也日漸增多，在開展建筑項(xiàng)目作業(yè)時(shí)，利用常規(guī)技術(shù)方法分析巖土工程的水文地質(zhì)情況，只能獲得定性描述分析，無法獲取巖土的深度數(shù)據(jù)情況。而數(shù)字圖像技術(shù)作為一種精度較高和非接觸的光學(xué)測(cè)量手段，將之運(yùn)用到巖土工程中，借助現(xiàn)代信息技術(shù)能有效獲取豐富的巖土數(shù)字圖像，在加強(qiáng)巖土體力學(xué)性質(zhì)分析、巖土室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)量中，完成對(duì)巖土工程的定量定性分析，推動(dòng)巖土工程獲得進(jìn)一步的發(fā)展。