软土微观结构表面起伏的三维可视化及分形维数的计算.pdf

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1、第20卷1期应用基础与工程科学学报Vo1．20．No．12012年2月JOURNALOFBASICSCIENCEANDENGINEERINGFebmarv2012文章编号：1005-0930(2012)01-0103-010中图分类号：TU447文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1005-0930．2012．O1．012软土微观结构表面起伏的三维可视化及分形维数的计算张先伟2，王常明，马栋和(1．吉林大学建设工程学院，吉林长春130000；2．中国科学院武汉岩土力学研究所，岩土力学与工程国家重点实验室，湖北武汉430071

2、)摘要：结构表面的起伏程度是衡量土微观结构的重要特征，目前研究多是二维定性与定量的分析方法，难以全面、真实地反映土的结构表面起伏情况．通过对青岛、广州和中山地区原状软土扫描电镜照相，将SEM图像的灰度设为结构表面至成像表面的距离，根据相互垂直剖面的微观孔隙大小确定了灰度与像素之间转换关系，进而获得软土的三维微观信息，将其导入三维地学软件实现了微观结构表面的三维可视化．该方法操作简单，通过可视化操作可以更直观观察土的结构形态，获得的信息量远远超过二维图像本身．通过改进后的投影覆盖法，提出了一个计算土的结构表面起伏真实分形维数D(2≤D<3)的

3、方法，得到青岛软土的D大于广J,r1软土和中山软土的D，说明青岛软土结构表面起伏最复杂．关键词：软土；微观结构；三维可视化；结构表面起伏；分形维数土的微观结构研究中使用最广泛研究手段之一即扫描电子显微镜(SEM)，它的放大倍数大，观察样品的景深广、视场宽、图像具有一定的立体感．目前，根据土的SEM图像进行微观结构研究多是二维定性与定量分析J，但二维SEM图像中也包含着土颗粒大小、颗粒与孔隙的排列形式，颗粒表面形态等大量三维信息]．三维微观结构的展现可使SEM图像中的颗粒与孔隙关系更加直观，还能得到颗粒表面起伏情况，其获得的信息量远远超过二维

4、图像本身．随着计算机技术的迅速发展，三维可视化技术在岩土工程的多个领域，特别是在三维地质体建模方面得到了广泛的应用．该技术优势在于，利用逼真的三维动态显示效果，直观地观察复杂的空间结构．若将其应用于土的微观结构的三维展示中，可增强对土微观机理的理解．王宝军利用GIS提供的三维可视化方法和三维分析模块，通过对土样的微观结构图像进行处理和分析，实现了微观结构表面的三维重建和可视化]，但这仅在ArcGIS软件得以实现，而且没有说明三维图像的横纵比例如何调试．本文对3种软土的收稿日期：2010-07-01：修订日期：2011-02．14基金项目：国

5、家自然科学基金项目(40572153)作者简介：张先伟(1982一)，男，博士，助理研究员．E-mail：zhangxianwei414@163．c0m通信作者：王常明(1966一)，男，教授，博士生导师．E-mail：wangchin@163．com_应用基础与工程科学学报Vo1．20相互垂直剖面进行电镜扫描照相，提取SEM图像的灰度作为结构表面的高程信息，导入地质分析软件中实现软土微观结构表面的三维可视化．利用改进后的投影覆盖法，提出了计算软土微观结构表面起伏分维值的计算方法，这为我们研究软土微观结构表面起伏情况提供了一种三维的定性与定

6、量方法．1土样性质与试验方法1．1土样性质试验对象为青岛、广州、中山地区的海积软土．表1与表2是软土的基本物理力学性质指标和矿物成分．可见，3种软土具有典型软土工程地质特性，表现在含水率大于40％，孑L隙比大于1，压缩性较大．软土中粘土矿物主要是伊利石、绿泥石和高岭石，粘土矿物约占总矿物含量的26％_33％．表1软土的基本物理力学性质指标Table1Physicalandmechanicalparametersofsoftclays注：I．伊利石；K．高岭石；Ch．绿泥石；Q．石英；fs．碱性长石；PI．斜长石1．2试验方法采用冷冻真空升华

7、干燥法进行天然软土样品的制备．先将土样切成1cm。左右的土块，将其在液氮(沸点一196~C)中快速冷冻1h，使土中液体成为不具膨胀性的非结晶态冰，然后在一50~C状态下用冷干机抽真空24h以上使土中非结晶的冰升华，通过蒸汽抽走，从而达到土样既干燥又不变形的目的J．采用掰断的方法获得扫面电镜的拍摄面，可防止破坏结构表面的完整性．利用电镜对土样照相时采用统一的放大倍数(2000倍)，观测分为竖直剖面与水平剖面2个方向．得到软土的大量SEM图像，限于篇幅，列举6幅图片供分析，如图1所示．应用基础与工程科学学报Vo1．20对SEM图像比例尺转换，得

8、到其实际尺寸561xm×381~m，即一个单位像素代表0．07m．图1(a)与图1(b)展现的是青岛软土相互垂直的结构剖面特征，可以认为图1(a)中灰度变化范围最大的那一处对应于