基于IPP图像处理的膨胀土微观结构定量研究

侯超群，席 瑶，孙志彬，高可可

(1.合肥工业大学汽车与交通工程学院，安徽 合肥 230009；2.上海中梁地产集团有限公司，上海 200331)

膨胀土遇水膨胀软化、失水收缩干裂，成分以亲水性矿物为主，具有胀缩性、裂隙性和超固结性。实际工程中，膨胀土引发的灾害频发，严重影响工程建设和建筑物的安全使用[1-3]。合肥地区分布着大量的膨胀土，学者对合肥膨胀土开展了大量宏观力学的研究[4-5]。土的工程性质与土体结构有着密切的关系，对膨胀土微观结构的研究是解决实际工程难题的有效途径。

近年来，众多，学者对土膨胀的微观结构进行了大量的研究。谭罗荣等[6]通过对我国一些典型膨胀土的微观结构特征研究，对膨胀土微结构单元及特征进行分类，研究了膨胀势随微结构变化特征和力学强度与定向性的关系。施斌等[7]从制样、图像处理及化学成分等角度对土的微观结构分析技术进行了研究。张季如等[8]运用IPP对土壤的SEM图像进行测量和定量分析，研究了土壤的质量分维数和表面分维数与土壤容重和孔隙度的相关关系。王宝军等[9]利用Arc-GIS对黏性土微观结构图像进行有效提取和分析。高可可[10]等利用Arc-GIS对合肥膨胀土的微观结构分形特征进行了三维定量研究。袁则循等[11]通过利用数字地形模型定量分析了多种特殊土的SEM图像，提出了土样微观孔隙率的分析方法。

目前对不同浸水时间下合肥膨胀土微观结构的演变过程定量研究成果较少，不同浸水时间下合肥膨胀土微观结构演变过程，可以从微观结构变化对膨胀土吸水膨胀机理影响方面进行分析。本文基于专业图像处理软件Image-Pro plus6.0(IPP6.0)定量分析了不同浸水时间下膨胀土的微观结构图像，利用环境扫描显微镜(ESEM)扫描不同浸水时间下膨胀土样获取土样的微观结构图像。通过对土样微观结构二值化图像的定量化分析，准确地获取图像中的信息。运用小岛法对土样微观结构中孔隙和颗粒的分维特征进行研究，定量地分析了膨胀土的表观孔隙比、分形维数和组成情况随着浸水时间的演变规律。

1 试验内容与方法

1.1 矿物成分情况

试验土样为典型合肥膨胀土，矿物成分及其组成情况是土在宏观中表现不同性质的决定性因素，膨胀土中大量的亲水性黏土矿物如蒙脱石、伊利石等是其表现出特殊的胀缩性能的内部因素。通过X射线衍射(XRD)图谱得到其矿物成分如表1所示。

表1 XRD试验半定量结果Table 1 Semi-quantitative results of the XRD test

由表1可知，黏土矿物成分中伊利石的含量最高，蒙脱石次之。此两种黏土矿物对膨胀土的性质有重要的影响，是膨胀土表现出特殊的胀缩性能的内因。碎屑矿物成分中，石英所占比例最高。

1.2 无荷载膨胀率

含水量的大小是膨胀土表现出不同性质的物理化学基础，不同浸水时间下膨胀土的含水率不同，宏观表现不同,文献[5]研究了不同含水率对合肥膨胀土强度的影响。测定土样的无荷载膨胀量[10]，获得土样的膨胀量随浸水时间变化曲线(图1)。测定不同浸水时间土样含水率如表2所示。

图1 土样膨胀量随浸水时间变化曲线[10]Fig.1 Curve of soil sample expansion with the soaking time

试样原状土浸水3 h浸水24 h浸水72 h含水率/%17.7920.9123.6924.70

随着浸水时间的增长，土样的膨胀量及其变化速率在逐渐发生变化。为研究膨胀土在不同浸水时间下的微观结构特征演变过程，取在宏观中土样膨胀量特征点即原状土、浸水3 h、24 h、72 h的合肥膨胀土样进行电镜扫描获取其微观结构。

2 微观图像的获取与分析

2.1 微观图像的获取

土的微观结构图像大多使用电子扫描显微镜(SEM)技术获取，用于SEM扫描的试样必须是干燥的，选择环境电子扫描显微镜(ESEM)对试样进行扫描，土样在含水状态下可以直接扫描。用于扫描的土样制样方法为：用小刀分别切取不同浸水时间下的长条形土样，在中部刻一圈深约2 mm的槽。扫描前从刻槽处用手掰开，选取较为平整、有代表性的断面，用洗耳球吹去松动颗粒，然后将试样放入粘有导电纸的扫描台进行扫描。扫描得到不同浸水状态下土样微观结构图像如图2所示。

图2 不同浸水时间下合肥膨胀土ESEM图像Fig.2 ESEM image of the Hefei expansive soil under different soaking times

由图2可看出，原状土的微结构特征为粒状堆积结构，团聚体相互堆积在一起，且团粒较大；浸水3 h的微结构特征为粒状堆积结构，与原状土相比，颗粒减小，相互堆积的程度减弱，在颗粒与颗粒之间的细小孔隙增加；浸水24 h的微结构特征为紊流结构，结构单元发生变化，出现片状结构，面与面、面与边接触增加，这些颗粒结构与原状土以及浸水时间短的土样相比，颗粒的边缘变化较大，之前的堆积状态也发生了较大变化，孔隙出现逐渐变大；浸水72 h的微结构特征为定向排列结构和紊流结构组合而成的复合式结构，基本单元中的颗粒结构已经存在很少，主要以片状结构为主，并且观察图像可知局部存在着高度定向排列的情况，孔隙变大。

2.2 图像处理与分析

本文基于专业图像处理软件Image-Pro Plus 6.0(IPP6.0)对土样的ESEM图像进行处理和分析。对图像依次进行空间刻度校准、图像预处理、二值化处理、数据输出等操作，结果如图3所示。通过对图像的定量分析就可以获取图像中特定区域的特性参数，有效地提高了图像处理的效率和准确性。

图3 土样ESEM图像处理步骤Fig.3 ESEM image processing steps for the soil samples

3 土体微观结构定量分析

3.1 表观孔隙比

孔隙比是衡量土体紧密程度的重要指标。采用孔隙面积和单元体面积之比来表征其孔隙比，称为表观孔隙比(e表现)：

式中：S孔隙,S单元体——图像中孔隙和单元体所占面积。

利用IPP对不同浸水时间下的微观结构图像的孔隙面积和单元体面积进行测量。4种不同状态的图片各取多张，分别求出各自的表观孔隙比，然后求其平均值，可得表观孔隙比随浸水时间变化曲线(图4)。试样表观孔隙比随含水率变化的曲线如图5所示。

图4 土样表观孔隙比随浸水时间变化曲线Fig.4 Curve of the apparent pore ratio variation with the soaking time of the soil samples

由图4、图5可知，土的表观孔隙比随着浸水时间增长逐渐增大，变化速率逐渐减小，变化趋势与试样无荷载膨胀量变化趋势接近。土样微观结构的表观孔隙比随着含水率的增大近似线性增大。

图5 土样表观孔隙比与含水率关系曲线Fig.5 Relationship between the apparent pore ratio and water content of the soil samples

对土样表观孔隙比随含水率变化关系进行拟合，拟合关系为y=0.096 88x-0.743 0，r=0.993 26。二者线性关系良好。随着含水率的增加，孔隙面积所占比例增加，土样越来越疏松，且孔隙比变化幅度较大，这与宏观中膨胀土在遇水之后会产生较大的体积膨胀，且膨胀迅速有着密切的关系。

3.2 分形维数

运用小岛法对土样微观结构分形维数D进行计算：

lnP=D/2×lnA+C

式中：P,A——图像的周长和面积;

C——常数。

对土样的颗粒和孔隙的面积与周长的双对数关系进行线性拟合，通过拟合直线的斜率可得其分维数：

D=k×2

式中：k——面积与周长的双对数拟合直线的斜率。

对不同浸水时间下合肥膨胀土微观结构颗粒和孔隙的分维数进行统计(图6)。由图6可知，膨胀土颗粒和孔隙的分维数在1.1～1.3之间。随着浸水时间的变化，颗粒和孔隙的分维数产生相反的变化。颗粒分维数随着浸水时间逐渐减小， 在浸水初期分维数变化速率较快，随着浸水时间的增加其变化速率逐渐稳定，与膨胀量的变化趋势一致。浸水过程中，土体微结构发生膨胀，颗粒的自相似性变差，分维数减小。而孔隙的自相似性变好，分维数增大。在浸水作用下，颗粒和孔隙的自相似性产生不同的变化，颗粒和孔隙的结构复杂性产生不同的变化，与土样膨胀后颗粒重新排列、孔隙重新分布有密切的关系。

图6 不同浸水时间下土样颗粒和孔隙分形维数Fig.6 Fractal dimension of soil particles and soil pore under different soaking times

3.3 尺度分布

考虑到膨胀土内部团聚体较大的特点，按照平均直径的大小将颗粒和孔隙分组，按照大(>5 μm)、中(2～5 μm)、小(1～2 μm)、微(<1 μm)分成4组。利用IPP测量颗粒和孔隙的平均直径，按照直径的大小和所占百分比进行分组统计(图7)。由图7可知，随着浸水时间的增大，微、小颗粒的占比逐渐增大，中、大颗粒的占比逐渐减小。考虑到水的浸泡作用，由在含水率较低情况下相互胶结的颗粒形成的团聚体在长时间的浸泡作用下相互分离，产生了大量的小、微颗粒。从占比情况中分析，相互胶结成团聚体的颗粒相互分离是膨胀土产生膨胀的内在原因之一，土颗粒胶结成团聚体相互之间间距较小，在水的浸泡作用下，团聚体分离，颗粒之间的距离增大。在微观情况下，颗粒间距的增大积累，在宏观中表现为土样的膨胀。

图7 不同浸水时间下各类颗粒和孔隙占比情况Fig.7 Proportion of various types of particles and pore under different soaking times

同样，随着浸水时间的增加，大孔隙和微孔隙占比减小，小孔隙占比明显增大，中孔隙占比缓慢增大。由此可见，在水的浸泡作用下，土中的孔隙占比偏向均等化发展，即大、微孔隙向中、小孔隙发展，水对土的影响是对土团聚体和土颗粒的影响，结合颗粒占比情况分析，孔隙占比出现这样变化的原因在于土中微、小颗粒的增加，进而将土中大孔隙分割，填充了微空隙。

4 结论

(1) 随着浸水时间的增大，膨胀土微观结构表观孔隙比逐渐增大，与宏观中膨胀量变化趋势相近，土样表观孔隙比与含水率线性相关。

(2) 膨胀土颗粒和孔隙都具有明显的分形特征，分形维数在1.1～1.3之间，且随着浸水时间的增大，颗粒分形维数逐渐减小，孔隙分析维数逐渐增大，二者呈现相反的变化。

(3) 随着浸水时间的增大，相互胶结成团聚体的颗粒逐渐分离，颗粒之间的间距逐渐增大，微观中间距的积累，是宏观中膨胀的原因之一。