一种利用图像学参数计算土体构度值的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用图像学参数计算土体构度值的方法，它涉及土力学和图像统计技术领域。首先对原状土做密度和界限含水量试验，测定土样的干密度和液性指数；然后对土体进行三维CT扫描和3D图像重构，并将图像进行切片，利用切片图像做分析，将物性参数转换成图像参数；再做构度指标与综合物性特征量之间的拟合曲线，得到关系式；将其中的物性参数用转换好的图像参数替代，最终实现用图像学参数计算构度值的方法。本发明专利技术利用孔隙的图像参数求解构度指标，避免了对原状土、重塑土、饱和土逐一进行繁琐耗时的强度试验，将简单成熟的密度和界限含水量测试与新技术三维CT扫描结合起来，仅需对原状土进行直接测试，较大地提高了工作效率。

A Method for Calculating Soil Structure Degree Using Image Parameters

The invention discloses a method for calculating soil structure degree value by using image parameters, which relates to the technical field of soil mechanics and image statistics. Firstly, the density and limit water content of undisturbed soil are tested to determine the dry density and liquid index of soil samples; secondly, the three-dimensional CT scanning and 3D image reconstruction of soil are carried out, and the images are sliced and analyzed, and the physical parameters are transformed into image parameters; secondly, the fitting curve between the structural index and the comprehensive physical characteristics is made to obtain the physical properties. The parameters are replaced by the converted image parameters, and finally the method of calculating the structure values with the image parameters is realized. The method uses the image parameters of pore to solve the structural index, avoids the tedious and time-consuming strength test of undisturbed soil, remolded soil and saturated soil one by one, combines the simple mature density and limit water content test with the new technology three-dimensional CT scanning, only needs to test the undisturbed soil directly, and greatly improves the work efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种利用图像学参数计算土体构度值的方法
本专利技术涉及的是土力学和图像统计
，具体涉及一种利用图像学参数计算土体构度值的方法。
技术介绍
土体构度是衡量土体结构性强弱的一个物性指标，与土的粒度、密度、湿度指标一起用于揭示土的基本物理性质，也是近年来土力学研究的热点，土结构性的研究是“21世纪土力学的核心问题”。土体构度的定义式为mu＝q02/qs·qr，其中q0、qs和qr分别为原状土样、饱和土样及重塑土样的强度，要获取某个土体的构度值mu，须采用试验的方法分别测试这3个不同的强度值。最初，骆亚生、邵生俊等人采用三轴试验分别获取土体的上述3种状态(原状、饱和、重塑)的抗剪强度，从而计算得到土的构度指标mε；后来陈存礼等采用侧限压缩试验，计算得到土的构度指标mσ；最近的是邵生俊等采用无侧限压缩试验计算土的构度指标mu；从试验方法的复杂性和花费时间上来看，三轴试验＞侧限压缩试验＞无侧限压缩试验。但即便是最为简便的无侧限压缩试验，也需要测定相同干密度下原状土、重塑土和饱和土的无侧限抗压强度。试样制备时，原状土样需切割试样尺寸为Φ39.1mm×H80mm。重塑土样需先把烘干的土碾碎、过0.5mm孔径筛，配置与原状土样具有相同干密度和含水率的重塑土，闷料24h混合均匀后进行压样，一次成型。饱和土样采用抽真空饱和法制备，土样放入真空缸并与抽气机接通，抽气时间不少于1h，然后徐徐注入清水，待水淹没饱和器后开管夹使空气进入真空缸，静置10h，使试样充分饱和。无侧限压力仪试验时需连续记录每类土样的每件样品的应力、应变值，画出多条应力-应变曲线，求出各类土样无侧限抗压强度值。整个试验过程繁杂而耗时。
技术实现思路
为解决
技术介绍
中的问题，本专利技术避免对原状土、重塑土、饱和土都做强度试验(此处指三轴试验、侧限压缩试验、或无侧限压缩试验)，而只对原状土做一些简单的物性测试，并采用三维CT扫描新技术，主要利用扫描获取的图像学参数来确定土体构度。研究思路是将某些物性参数转化为图像参数替代，并找到构度指标与综合物性特征量之间的关系，从而可实现利用图像学参数计算土体构度的方法。为了实现上述目的，本专利技术通过如下的技术方案来实现：一种利用图像学参数计算土体构度值的方法，其步骤为：(1)对原状土做密度试验，测试土样的干密度ρd；(2)对原状土做界限含水量测定，测试土样的液性指数Il；(3)按照土体密度的定义可以推导出：式①中，ρ为土样的天然密度，m为土样的质量，V为土样的总体积，ms为土粒的质量，w为土样的天然含水率；(4)土体的体积V进一步可表达为：式②中，V为土样的总体积，Vs为固体土颗粒体积，Vv为孔隙的体积，e0为孔隙比；(5)将式②代入式①，得：(6)将原状土采用计算机断层成像技术(CT)进行扫描，并进行3D图像重构；(7)将步骤(6)获得的3D重构图像进行切片，切片厚度为1个像素大小，切片数量为q，输出每个切片的图像；(8)孔隙的体积Vv是一个物性参数，要将其转换为图像参数，需对步骤(7)获得的每个切片图像做分析，然后累计所有切片中孔隙的体积，则式④中，Aji为第j层切片第i个孔隙的面积，Rj为第j层切片的厚度，即1个像素大小，且在同一个样品中R1＝R2＝...＝Rq；(9)土样的总体积该式中Vv为孔隙总体积，n为孔隙率；对三维CT图像做切片分析，得到每个切片的面孔隙率，nj为第j层切片的面孔隙率，则(10)土粒质量ms、土样的总体积V、干密度ρd以及孔隙率n有如下关系：将式⑤代入其中，则得到(11)将步骤(8)得到的式④和步骤(10)得到的式⑥同时代入步骤(5)得到的式③中，可得：化简后可得：(12)做出构度指标mu与综合物性特征量IL·ρd/(ρwe0)之间的拟合曲线，得到两者之间的指数关系：该式内ρw为水的密度，取1.0g/cm3，则该式简化为(13)将式⑧代入式⑦，最终得到构度指标与图像参数的关系式式⑨中左边均为物性参数，其中干密度ρd由步骤(1)获得，液性指数IL由步骤(2)获得；等式右边均为三维CT扫描的图像参数，其中分子由步骤(9)获得，分母由步骤(8)获得，整个等式只有一个未知量构度mu，故可以求出。有益效果本专利技术未采用原有的利用土体强度参数q0、qs和qr求解构度的思路，转而利用孔隙的图像参数求解构度指标，是一种全新的方法。由于避免了对原状土、重塑土、饱和土逐一进行繁琐和耗时的强度试验，采用了简单的原状土物性测试和岩土三维CT扫描新技术，较大地提高了工作效率。本专利技术仅需进行密度和界限含水率2项试验，均为最基础的简单试验，耗时短，花费少；且三维CT扫描的结果除了可用于提取本专利技术所需的切片图像参数，还可用于分析研究土体的微结构特征，甚至后者才是它的主要用途，从节约成本的角度而言是有利的。附图说明下面结合附图来进一步说明本
技术实现思路
；图1为本专利技术步骤(6)三维CT扫描后的3D图像重构结果图；图2为本专利技术步骤(7)的切片结果图，其中左图为3D图像的横切片，右图为3D图像的纵切片；图3为本专利技术步骤(8)对每个切片图像的统计分析图，其中右图中深色为第j层切片的孔隙分布面积，左图为每个切层的孔隙面积乘以切片厚度，然后累加为总孔隙体积；图4为本专利技术步骤(12)的构度指标mu与综合物性特征量ILρd/(ρwe0)的拟合曲线，图中方程为本专利技术进行拟合后的方程。具体实施例下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。实施例1：一种利用图像学参数计算土体构度值的方法。选取一块取自山西省介休市梁家村黄土剖面的土样，取样深度为4.5m，样品大小为5×5×5cm，编号为1#号土样，其步骤为；(1)对1#号土样的原状土，按照《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)进行密度测试，使用环刀法，获得干密度指标ρd＝1.45g/cm3。(2)对1#号土样的原状土，按照《土工试验方法标准》(GB/T50123-1999)进行界限含水率测试，使用液塑限联合测定法，获得液性指数Il＝-0.24；(3)直接使用(4)直接使用(5)直接使用(6)将1#号土样原状土制成Φ20mm×H20mm的柱状样品，进行三维CT扫描，得到13.5140μm分辨率的TIFF格式透射图像2971张；运用CTPro3D软件，在“Centerofrotation”菜单中确定“旋转轴心的偏差”，在“Setup”菜单中修正“Beamhardening”值以除去低能射线产生的伪影，在“Calibration”菜单中修正“Noisereduction”值以降低重构图像的噪音，最后点击“Volume”菜单中的“Start”按钮进行3D图像重构。(7)将步骤(6)获得的3D重构图像运用VGStudioMax2.1软件进行切片，切片厚度间隔为1个像素大小，即13.5140μm，输出每个切片的ImageStack图像。(8)将步骤(7)获得的每个切片ImageStack图像做分析，使用VGStudioMax2.1软件识别每张切片上的每个孔隙分布面积Aji。第j层切片的厚度为Rj＝1个像素大小＝13.5140μm，切片数量＝扫描获得的透射图像张数＝2971张，且在同一个样品中切片厚度均相等。将每张切片的孔隙面积乘以切片厚度，得到每张切片的孔隙体积，对所有切片的孔隙体积求和，则总孔隙体积(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用图像学参数计算土体构度值的方法，其特征在于，其步骤为：(1)对原状土做密度试验，测试土样的干密度ρd；(2)对原状土做界限含水量测定，测试土样的液性指数Il；(3)按照土体密度的定义可以推导出：

【技术特征摘要】
1.一种利用图像学参数计算土体构度值的方法，其特征在于，其步骤为：(1)对原状土做密度试验，测试土样的干密度ρd；(2)对原状土做界限含水量测定，测试土样的液性指数Il；(3)按照土体密度的定义可以推导出：式①中，ρ为土样的天然密度，m为土样的质量，V为土样的总体积，ms为土粒的质量，w为土样的天然含水率；(4)土体的体积V进一步可表达为：式②中，V为土样的总体积，Vs为固体土颗粒体积，Vv为孔隙的体积，e0为孔隙比；(5)将式②代入式①，得：(6)将原状土采用计算机断层成像技术(CT)进行扫描，并进行3D图像重构；(7)将步骤(6)获得的3D重构图像进行切片，切片厚度为1个像素大小，切片数量为q，输出每个切片的图像；(8)孔隙的体积Vv是一个物性参数，要将其转换为图像参数，需对步骤(7)获得的每个切片图像做分析，然后累计所有切片中孔隙的体积，则式④中，Aji为第j层切片第i个孔隙的面积，Rj为第j层切片的厚度...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐亚明，毕银强，薛强，李政国，
申请(专利权)人：中国地质调查局西安地质调查中心，
类型：发明
国别省市：陕西,61