于洋

（中材地質(zhì)工程勘查研究院有限公司，北京100102）

1 引言

室內(nèi)土工試驗(yàn)主要是以分析建筑場(chǎng)地土質(zhì)特征開設(shè)的專項(xiàng)試驗(yàn)，以此指引工程設(shè)計(jì)單位出具合理的工程建設(shè)方案。 因土作為松散性材料，具有天然性、流動(dòng)性特征，故在不同土質(zhì)環(huán)境下形成的密度、沉降系數(shù)等參數(shù)多有差異，如若獲取可靠的土質(zhì)檢測(cè)結(jié)果，將為建筑設(shè)計(jì)工程師提供權(quán)威憑證。 傳統(tǒng)試驗(yàn)環(huán)節(jié)多以比重瓶法、環(huán)刀法采集土樣比重與密度參數(shù)，但考慮到人工操作中易因時(shí)間變化使土樣形態(tài)特性存在波動(dòng)，若能以圖像處理技術(shù)開展參數(shù)測(cè)量工作，有利于提升試驗(yàn)精度。

2 土工室內(nèi)試驗(yàn)的現(xiàn)實(shí)意義

針對(duì)建筑項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)地基土樣開展土工室內(nèi)試驗(yàn)具有深刻的現(xiàn)實(shí)意義。 一般情況下，土質(zhì)含水量、滲透性以及密度差異明顯的地基環(huán)境下采用的建筑設(shè)計(jì)方案不一致。 考慮到土具有易變形特性，若在土工室內(nèi)試驗(yàn)中獲取力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)，能夠?yàn)楹罄m(xù)支護(hù)邊坡設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)， 進(jìn)而避免在軟弱地基中出現(xiàn)安全事故。 由此證實(shí)：土工室內(nèi)試驗(yàn)具備提升建筑施工安全性的作用。 經(jīng)過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整合分析，可從中了解地基土質(zhì)強(qiáng)度程度，自此在數(shù)據(jù)分析中總結(jié)土質(zhì)規(guī)律，以期借助力學(xué)性質(zhì)提升建筑工程設(shè)計(jì)方案的合理性。

如在開設(shè)土工室內(nèi)試驗(yàn)分析土粒相對(duì)密度時(shí)， 可以根據(jù)土粒相對(duì)密度參數(shù)的變化范圍確定土質(zhì)成分。 通常在測(cè)定土粒相對(duì)密度（ρs）時(shí)，需要參照式（1）求值：

式中，ms為土壤固相質(zhì)量，g；Vs為土壤固相容積，cm3。

式中，mw為土壤液相質(zhì)量；ma為土壤氣相質(zhì)量；Vw為土壤液相容積；Va為氣相容積。不同基質(zhì)下土壤容積與質(zhì)量關(guān)系分布如圖1 所示。

圖1 不同基質(zhì)下土壤容積與質(zhì)量關(guān)系分布圖

土粒相對(duì)密度多為2.6～2.8 g/cm3， 若測(cè)定后發(fā)現(xiàn)該數(shù)值在1.5～1.8 g/cm3，可將該固相土壤成分認(rèn)定為淤質(zhì)土，若在2.4～2.5 g/cm3，則表示固相土壤中含有有機(jī)質(zhì)成分，并需要結(jié)合土粒相對(duì)密度指標(biāo)改善土壤性能， 即利用煤油等中性溶劑下調(diào)有機(jī)質(zhì)土，聯(lián)合抽氣排氣方式優(yōu)化土質(zhì)。 從中得出：土工室內(nèi)試驗(yàn)在土壤物理性質(zhì)等參數(shù)測(cè)量方面具有顯著價(jià)值，理應(yīng)在項(xiàng)目開工前充分組織土工試驗(yàn)詳細(xì)記錄試驗(yàn)結(jié)果。

3 室內(nèi)土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確常見因素

3.1 樣品處理技術(shù)

室內(nèi)土工試驗(yàn)在獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，常出現(xiàn)與實(shí)際情況誤差偏大的情況。究其根本，多考慮與樣本處理技術(shù)有關(guān)。傳統(tǒng)意義上應(yīng)用的樣品處理技術(shù)僅在現(xiàn)場(chǎng)以環(huán)刀法（測(cè)量土壤密度）、比重瓶法（測(cè)量土粒比重）、滲透試驗(yàn)（測(cè)量滲透系數(shù)）對(duì)土樣進(jìn)行取樣處理，后利用不同技術(shù)方法獲取相關(guān)參數(shù)。 但該技術(shù)所得到的參數(shù)范圍與實(shí)測(cè)值偏差較大， 故筆者提出圖像處理技術(shù)以彌補(bǔ)傳統(tǒng)技術(shù)不足。 圖2 為室內(nèi)土工試驗(yàn)操作現(xiàn)場(chǎng)。

圖2 室內(nèi)土工試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)操作圖

3.2 土樣輸送環(huán)境

在從現(xiàn)場(chǎng)地基采集土樣，并輸送至室內(nèi)試驗(yàn)室過程中，受季節(jié)氣候以及運(yùn)輸工具、輸送時(shí)間等因素的干擾，致使土樣出現(xiàn)松散、滲水或成分丟失問題，這樣也會(huì)降低數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。 而圖像處理技術(shù)的運(yùn)用可及時(shí)獲取第一手圖像原始形態(tài)資料，將其作為輔助信息用于土工室內(nèi)試驗(yàn)中[1]。

3.3 室內(nèi)操作條件

于土工室內(nèi)試驗(yàn)實(shí)操環(huán)節(jié)， 多與設(shè)備儀器準(zhǔn)備充足性以及外在條件有關(guān)，若溫度較高，或使用暖風(fēng)等裝置，會(huì)造成土樣水分蒸發(fā)，從而引起試驗(yàn)數(shù)據(jù)失真后果。 而提前準(zhǔn)備好圖像處理技術(shù)應(yīng)用設(shè)備，可為后續(xù)試驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)施創(chuàng)造有利條件。

3.4 數(shù)據(jù)分析質(zhì)量

在對(duì)建筑項(xiàng)目土樣進(jìn)行土工試驗(yàn)階段， 試驗(yàn)者需要統(tǒng)籌多項(xiàng)數(shù)據(jù)，且面對(duì)的樣本數(shù)量較多，造成數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)難以單純憑借人力精準(zhǔn)計(jì)算土樣參數(shù)。 若聯(lián)合技術(shù)手段把握土樣指標(biāo)規(guī)律，將進(jìn)一步增加數(shù)據(jù)精度。

4 圖像處理技術(shù)在土工室內(nèi)試驗(yàn)中的實(shí)踐路徑

4.1 加強(qiáng)圖像預(yù)處理

圖像預(yù)處理階段使用Video Reader 函數(shù)創(chuàng)建對(duì)象后讀取視頻文件，將拍攝試樣變形視頻導(dǎo)入Matlab 軟件中，逐幀讀取圖像信息，獲取視頻中的試樣振動(dòng)圖像。 在數(shù)據(jù)處理中通過逐幀比較試樣圖像內(nèi)容，掌握?qǐng)D像多方向變化規(guī)律。 在選擇圖像導(dǎo)入與檢測(cè)區(qū)域后，需通過視頻圖像處理的方法清除其中的無關(guān)信息，降低后期提取圖像坐標(biāo)的難度。 在轉(zhuǎn)換圖像類型過程中，將圖像采集裝置記錄的彩色圖像（RGB 圖像）轉(zhuǎn)變?yōu)? bit灰度圖像，在圖像灰化處理后再去噪，可以降低圖像處理精度。

同時(shí)考慮到光線、外部環(huán)境變化以及設(shè)備抖動(dòng)、圖像資料傳輸中等都會(huì)導(dǎo)致圖像噪聲。 本次研究中采用了基于濾波器的處理方法，通過線性平滑濾波器平均圖像的灰度值，當(dāng)任意一點(diǎn)像素灰度值與周圍地區(qū)平均值相同時(shí)，達(dá)到模糊、平滑圖像的效果，清除其中高頻部分，減少灰度變化。

最后做圖像邊緣形態(tài)處理， 采用膨脹與腐蝕兩種操作形態(tài)相互融合的方法達(dá)到最優(yōu)化處理效果。 其中，膨脹是對(duì)圖像做擴(kuò)張?zhí)幚?，包括增粗、加長(zhǎng)等，清除圖像中的凹陷問題；擴(kuò)張則可以用結(jié)構(gòu)元素的平移遍歷并覆蓋原圖像的像素點(diǎn)。 在本次圖像預(yù)處理中采用先腐蝕后膨脹的運(yùn)算方法， 使圖像輪廓變得更加光滑，在清除其中的細(xì)微凸起物質(zhì)后，連接細(xì)小的斷裂部位，提升圖像質(zhì)量。

4.2 優(yōu)化圖像測(cè)量

土工室內(nèi)試驗(yàn)中應(yīng)用圖像處理技術(shù)， 還需進(jìn)一步優(yōu)化圖像測(cè)量步驟。 在對(duì)地基土樣圖像展開測(cè)量時(shí)， 側(cè)重于邊緣測(cè)量。 由于土樣圖像中邊緣部位屬于像素灰度值波動(dòng)明顯區(qū)域，若能從中準(zhǔn)確測(cè)量參數(shù)信息， 可為土樣圖像的整體處理起到輔助作用。 一般情況下，以圖像處理技術(shù)測(cè)量邊界圖像時(shí)，需要按照?qǐng)D3 所示的流程采樣[2]。

圖3 土樣邊界坐標(biāo)提取流程圖

在測(cè)量邊界圖像時(shí)， 通常需要采用微分結(jié)構(gòu)將土樣邊緣圖像進(jìn)行細(xì)化處理，而后依據(jù)下列關(guān)系式掌握土樣邊界向量指標(biāo)。

式中，（x，y）為土樣圖像中任意位置；Δf（x，y）為（x，y）位置的灰度值；Gx、Gy為橫向及縱向邊緣檢測(cè)的圖像灰度值；T 為空間域處理操作動(dòng)作，如像素值之上增加20 灰度值等。

在對(duì)圖像中的灰度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)時(shí)， 可以借助SOBEL 算子實(shí)施加權(quán)處理，自此強(qiáng)化降噪效果，也能杜絕邊緣測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確現(xiàn)象。

在從土樣圖像中分析土樣邊緣規(guī)律時(shí)， 應(yīng)在微分處理原理下了解土樣圖像中像素界限分布情況， 確保經(jīng)過測(cè)量邊緣圖像灰度后，能提升圖像處理準(zhǔn)確度。 試驗(yàn)者應(yīng)在土工室內(nèi)試驗(yàn)中始終以土樣圖像為試驗(yàn)根本，便于得到優(yōu)化后的數(shù)據(jù)。

4.3 充分準(zhǔn)備試驗(yàn)設(shè)備

在以土工試驗(yàn)了解土壤特性階段， 應(yīng)充分準(zhǔn)備好土工室內(nèi)試驗(yàn)所需設(shè)備，促使圖像處理技術(shù)發(fā)揮出關(guān)鍵性作用。 以孔隙度土工試驗(yàn)為例， 試驗(yàn)者應(yīng)先行準(zhǔn)備好適宜運(yùn)用圖像處理技術(shù)的試驗(yàn)設(shè)備。其中較為關(guān)鍵的是用于承載土樣的容器。通常需要選用長(zhǎng)35 cm，厚2.5 cm 的土樣容器，并在該容器上端放置傳感器，傳感器應(yīng)距離容器頂端15 cm，傳感器設(shè)備實(shí)則是為了記錄孔隙水壓力參數(shù)，至少需要5 個(gè)傳感器，且分別放于除底部以外的5 個(gè)平面，且四周傳感器應(yīng)相距10 cm。 后向容器內(nèi)投入土樣， 可模擬建筑項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)土質(zhì)結(jié)構(gòu)分布圖知曉不同土質(zhì)成分的孔隙度指標(biāo)。

如在某粗砂層土工試驗(yàn)中，在灌入粗砂成分后，應(yīng)采集傳感器數(shù)據(jù)，并借助傳感器圖像分析沖擊荷載條件改變時(shí)，是否因孔隙度差異產(chǎn)生沉降量不同的結(jié)果。 若發(fā)現(xiàn)沉降量差值明顯， 則表明孔隙度與沖擊荷載存在密切關(guān)聯(lián)。 在計(jì)算沉降量（S）期間，可參照式（4）求取：

式 中，i 為 土 樣 圖 像 平 均 位 置；K 為 圖 像 提 取 量；ni、ni-1為 第i幅、第i-1 幅圖像。

在獲取S 值后可以采用圖像閾值將圖像分為兩種像素類型，即黑像素與白像素，進(jìn)而從黑白分明的圖像中了解土樣沉降情況。 于各個(gè)設(shè)備的支持下，將獲得帶有土壤性能分析參考價(jià)值的圖像信息[3]。

4.4 精準(zhǔn)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在土工室內(nèi)試驗(yàn)開展期間運(yùn)用圖像處理技術(shù)， 還需精準(zhǔn)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以土樣圖像對(duì)土壤物理性質(zhì)等參數(shù)進(jìn)行分析。如按照上述準(zhǔn)備的沉降量相關(guān)測(cè)量設(shè)備， 可對(duì)沉降量圖像數(shù)據(jù)加以整理。 在改變沖擊荷載條件時(shí)，能從中知曉粗砂沉降量變化規(guī)律。即初次沖擊作用下，將直接出現(xiàn)78%左右的沉降現(xiàn)象，且持續(xù)3 s 沖擊后基本保持持穩(wěn)狀態(tài)。 而且在圖像分析結(jié)果中發(fā)現(xiàn)：持續(xù)1 min 后顯然粗砂將終止沉降。 為獲得準(zhǔn)確度更高的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)先行對(duì)粗砂容器進(jìn)行靜置處理，待15 min后記錄S 值，并對(duì)比靜置前結(jié)果，若未產(chǎn)生明顯差距，驗(yàn)證粗砂層顯現(xiàn)固結(jié)狀態(tài)。 依據(jù)該結(jié)果可以在建筑工程施工環(huán)節(jié)嚴(yán)控沖擊荷載， 以免在夯擊作業(yè)或其他振動(dòng)項(xiàng)目中引起土層塌陷后果，且該土層結(jié)構(gòu)基本呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)。

數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)還應(yīng)對(duì)土工室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差情況展開綜合分析。 因記錄的粗砂層圖像會(huì)受測(cè)量數(shù)據(jù)的影響引起誤差。因此，應(yīng)保證用于土壤拍攝的攝影機(jī)，調(diào)整好像素誤差，并利用精度調(diào)節(jié)等方式，減小圖像偏差值，一般應(yīng)將像素誤差控制在0.45 mm 以內(nèi)。 與此同時(shí)，在對(duì)粗砂層不同分層結(jié)構(gòu)的圖像進(jìn)行土工試驗(yàn)階段，需要對(duì)其加以壓實(shí)處理。 由于未壓實(shí)的土壤易受外界環(huán)境改變出現(xiàn)變形情況，故應(yīng)注重?cái)?shù)據(jù)誤差。

5 結(jié)語

綜上所述，土工室內(nèi)試驗(yàn)中常受樣品處理技術(shù)、土樣輸送環(huán)境、室內(nèi)操作條件、數(shù)據(jù)分析質(zhì)量等因素影響造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。 為進(jìn)一步獲取權(quán)威數(shù)據(jù)，展現(xiàn)建筑工程設(shè)計(jì)方案的可行性價(jià)值，應(yīng)依托圖像處理技術(shù)，從圖像預(yù)處理、圖像測(cè)量、設(shè)備準(zhǔn)備以及數(shù)據(jù)分析等方面著手，確保在新技術(shù)助力下，土工室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)軌蚓哂邢鄬?duì)完善的試驗(yàn)條件，亦能優(yōu)化試驗(yàn)環(huán)境。在深入分析土樣土粒密度、含水量、滲透性等參數(shù)特征后，能指引施工人員嚴(yán)格遵照合理的施工設(shè)計(jì)方案， 依據(jù)土質(zhì)狀況正確建設(shè)建筑物，借此提高我國(guó)工程建筑建設(shè)水平，滿足新時(shí)代技術(shù)應(yīng)用需求。