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(jìn)行了CT掃描。結(jié)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(guān)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(xiàn)標(biāo)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(fù)循環(huán)，即為干濕循環(huán)作用，導(dǎo)致其力學(xué)性能變化明顯。與此同時，土體內(nèi)部的微裂隙不斷發(fā)展，勢必引起內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷和破壞，進(jìn)而降低路基的強(qiáng)度和抗變形能力，導(dǎo)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(shù)，其利用精確準(zhǔn)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(jìn)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(yīng)用到巖土材料的細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析。通過CT圖像的二值化處理，可以直觀的重現(xiàn)干濕循環(huán)過后路基土體內(nèi)部的裂隙形態(tài)和二維分布狀況，進(jìn)而揭示路基土體強(qiáng)度下降成因。

1? 試驗材料和基本物理性質(zhì)

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(fēng)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(jī)進(jìn)行破碎，再過2mm篩進(jìn)行基本物理性質(zhì)分析。

本次試驗根據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)GB/T50123》對過篩后的土樣進(jìn)行篩分。主要有顆粒分析、液塑限、擊實試驗。試驗結(jié)果見表1、表2、圖1所示。由此結(jié)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(fēng)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(nèi)，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(hù)24h后開始制樣。

②養(yǎng)護(hù)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(zhì)量，將計算每個試樣所需質(zhì)量的土料放進(jìn)不銹鋼材質(zhì)的空心圓柱體內(nèi)，利用千斤頂進(jìn)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(yán)密包裹后放在干燥器中養(yǎng)護(hù)24h。

③將養(yǎng)護(hù)好后的試樣（含水率16%）放入自制的加濕箱內(nèi)，調(diào)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(hù)24h。

④在一個循環(huán)周期內(nèi)，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(jìn)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(jìn)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(hù)24h。

⑤干濕循環(huán)過后，試樣養(yǎng)護(hù)24h，準(zhǔn)備進(jìn)行CT掃描試驗。本試驗采用中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)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(jìn)行二值化處理，得出試樣裂隙發(fā)育二值化圖像。

3? 試驗結(jié)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(xiàn)圖像狀態(tài)，其圖像模式簡單，不存在明顯的灰度過渡，在進(jìn)行圖像觀測時，大多利用二值化進(jìn)行分析。通過設(shè)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(biāo)灰度，以此在二維圖像上凸顯土體內(nèi)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(xiàn)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(jìn)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(jìn)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(nèi)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(fēng)干的反復(fù)進(jìn)行，裂隙從外部開始發(fā)展，逐漸延伸到土體內(nèi)部，形成帶狀的裂隙網(wǎng)。

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(nèi)部的低密度區(qū)域，可以發(fā)現(xiàn)，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(yīng)[6]，裂隙周圍的土體，隨著加濕的進(jìn)行，含水率上升土體強(qiáng)度降低導(dǎo)致土顆粒不斷塌落，塌落部分會持續(xù)填入裂隙中，同未產(chǎn)生裂隙區(qū)域相比，其強(qiáng)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(chǎn)生裂隙區(qū)域，隨著灰度域值的上升，其二值化圖像未產(chǎn)生明顯的變化，因而可以認(rèn)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(nèi)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(yán)重。

4? 結(jié)論

①干濕循環(huán)作用加劇了土體內(nèi)部的裂隙發(fā)育，對土體結(jié)構(gòu)造成不可逆轉(zhuǎn)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(dǎo)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。

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