一种基于数字图像处理的土体收缩特性曲线计算方法与流程

1.本发明涉及一种土工测试计算领域，特别涉及一种基于数字图像处理的，土体干燥过程收缩变形特性曲线计算方法。


背景技术：

2.土体中亲水性黏土矿物含量对其力学性质具有显著影响，较多的黏土矿物成分会使土体在干燥过程中产生显著的收缩变形特性，进而影响其工程性质。例如，作为垃圾填埋场阻隔材料的膨胀土，黏粒含量较高，由于环境条件发生变化导致土体含水量降低，引起土体收缩变形，甚至产生裂纹，降低其对填埋垃圾的隔断效果；用于核废料地质封存缓冲填充材料的黏性土，在辐射热作用下，土体遭受升温脱湿干燥过程，呈现出非饱和状态，含水率低吸力高，导致土体力学特性改变，对核废料长期稳定封存造成威胁。
3.收缩特性曲线除了可定量分析土体收缩变形性质以外，还与土体持水特性密切相关，在表征含水量变化引起土体变形等力学行为中，收缩特性曲线与土水特征曲线同等重要。因此如何准确表征土体收缩变形特性，定量描述土体变形随含水量或者土水比的演化规律，是对分析收缩变形力学机理的有益探索。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于数字图像处理技术的土体收缩特征曲线计算方法，该方法可有效地提升土体孔隙比随土水比或含水率演化的定量表征精度，为研究土体干燥收缩机理提供有效手段。
5.本发明一种基于数字图像处理的土体收缩特性曲线计算方法，步骤如下：（1）试样制备，测定试样土体初始含水率ω0，给定干密度ρd，计算初始含水率下试样实际质量m
ss
；压实试样，根据环刀尺寸计算压实试样质量ms和初始体积v0，其中，ms=（1 0.01
×
ω0）
×
ρd×v0
，v0根据环刀内径和厚度计算；称取并记录环刀质量mh、标定承样板质量mb及环刀与压实试样总质量m
h s
，考虑制样过程土颗粒的损耗，初始含水率下试样实际质量m
ss
为环刀与压实试样总质量m
h s
与环刀质量mh的差，即m
ss
=m
h s-mh；（2）完成试样制备，进行抽真空饱和，待试样完全饱和后，称取并记录环刀与试样总质量m
h sa
；完成称重后将试样从环刀中脱模取出，置于已知尺寸的标定承样板上称取承样板与饱和试样总质量m
b sa
，进行图像采集，通过软件imagej筛选图像进行二值化处理，获得试样及标定承样板的面积和高度的数字图像，计算试样饱和后的体积v
sa
，即v
sa
=h
sa
×asa
，h
sa
=p
sh
×
hb/p
bh
，a
sa
=p
sa
×ab
/p
ba
，其中，h
sa
为计算饱和试样高度，p
sh
为标定承样板高度像素，hb为标定承样板实际高度，p
bh
为饱和试样高度像素， a
sa
为计算饱和试样面积，p
sa
为标定承样板面积像素，ab为标定承样板实际面积，p
ba
为饱和试样面积像素；
（3）试样脱湿试验，将承样板与试样放入给定相对湿度的保湿容器内，定时采集承样板与试样总质量数据mi，i≥1，i表示次数，并进行面积与高度的图像采集，直至试样土体在该相对湿度条件下48小时内质量变化小于0.01g为止；所述试样脱湿试验，在不同相对湿度保湿容器内重复步骤（3），其中相对湿度大于85%时，每4小时采集一次数据，当相对湿度小于85%时，每8小时采集一次数据；（4）通过质量变化数据和数字图像计算试样脱湿过程中的相关数据；根据初始体积v0、初始含水率ω0、初始含水率下试样质量m
ss
、计算实际土样的初始干密度ρ
d0
=m
ss
/（1 0.01
×
ω0）/v0；根据实际土样的初始干密度ρ
d0
和土颗粒比重gs，计算试样实际的初始孔隙率n0与初始孔隙比e0，即n0=1-ρ
d0
/gs，e0=n0/(1-n0)；根据土体饱和体积v
sa
和初始孔隙比e0，计算试样土颗粒体积vs=v
sa
/(1 e0)；根据试样土颗粒体积vs和初始孔隙比e0，计算试样孔隙体积vv=vs×
e0；根据初始含水率ω0、土颗粒比重gs、初始孔隙比e0，计算试样初始饱和度s
r0
=ω0×gs
/e0；根据承样板与饱和试样总质量m
b sa
及当前记录的承样板与脱水试样总质量mi，计算当前试样中剩余水的质量m
wi
=m
b sa-mi；根据脱水试样数字图像，计算当前试样体积vi，i≥1，i表示次数；根据当前试样体积vi及土颗粒体积vs，计算当前试样孔隙比ei=（v
i-vs）/vs及当前试样孔隙率ni=（v
i-vs）/vi，i≥1，i表示次数；假设水的密度ρw=1g/cm3，因此当前试样中剩余水的质量m
wi
即为当前剩余孔隙水体积v
wi
，根据当前剩余孔隙水体积v
wi
及土颗粒体积vs，计算当前试样土水比r=v
wi
/vs， i≥1，i表示次数；根据当前试样中剩余水的质量m
wi
、当前试样体积vi及土颗粒体积vs，计算试样当前饱和度s
ri
=m
wi
/(v
i-vs)
×
100%，i≥1，i表示次数；（5）根据步骤（4）的数据，进行对比分析，绘制孔隙比、孔隙率、体积应变等随饱和度的变化曲线，给出孔隙比及收缩率随土水比的演化规律。
6.本发明基于数字图像处理技术，通过对高精度相机采集的数字图像与质量数据进行处理，通过软件imagej筛选图像边界并进行二值化处理，可计算试样图像像素值，进而通过标定已知尺寸图像获得试样尺寸；结合体变数据，通过计算质量变化数据获得土体含水率、孔隙比、饱和度等指标，进而定量描述孔隙比随含水量或者土水比的变化规律，对表征试样收缩变形特性及土体分类方法具有重要意义，对于研究土体干燥收缩具有重要的科学意义和工程价值。
附图说明
7.图1是本发明基于数字图像处理的土体收缩特性曲线计算方法流程图；图2是实施例试样体积应变与根据质量变化和体积改变计算出的试样饱和度关系图；图3是实施例试样孔隙比与饱和度之间的关系图；图4是实施例试样孔隙率与饱和度之间的关系图；
图5是实施例孔隙比与体积含水率之间的关系图；图6是实施例孔隙率与体积含水率之间的关系图；图7是实施例粉土孔隙比与土水比表征的收缩特征曲线及收缩率曲线；图8是实施例黏性土孔隙比与土水比表征的收缩特征曲线及收缩率曲线。
具体实施方式
8.下面结合附图与实施例对本发明内容作进一步的说明，但不是对本发明的限定：实施例1参照图1，一种基于数字图像处理的土体收缩特性曲线计算方法，以粉状土为例，计算方法步骤如下：（1）试样制备，测试粉状土体试样初始含水率ω0，给定干密度ρd，计算初始含水率下试样实际质量m
ss
；压实试样，根据环刀尺寸计算压实试样质量ms和初始体积v0，其中，ms=（1 0.01
×
ω0）
×
ρd×v0
，v0根据环刀内径和厚度计算；称取并记录环刀质量mh、标定承样板质量mb及环刀与压实试样总质量m
h s
，考虑制样过程土颗粒的损耗，初始含水率下试样实际质量m
ss
为环刀与压实试样总质量m
h s
与环刀质量mh的差，即m
ss
=m
h s-mh；（2）完成试样制备，进行抽真空饱和，待试样完全饱和后，称取并记录环刀与饱和试样总质量m
h sa
；完成称重后将试样从环刀中脱模取出，置于已知尺寸的标定承样板上称取承样板与饱和试样总质量m
b sa
，进行图像采集，通过软件imagej对采集的图像进行二值化处理，获得试样及标定承样板的面积和高度的数字图像，计算试样饱和后的体积vsa；本实施例中，打开软件imagej，点击open
→
选择图片，点击process
→
find edges，自动获取图像边界，点击process
→
binary
→
make binary对试样进行二值化处理，选择魔法棒，进行试样边界拾取，点击analyze
→
measure，获得试样的面积或高度像素，根据已知尺寸的标定承样板相应像素及几何尺寸，即可计算试样高度或面积；计算试样饱和后的体积v
sa
，即v
sa
=h
sa
×asa
，h
sa
=p
sh
×
hb/p
bh
，a
sa
=p
sa
×ab
/p
ba
，其中，p
sh
为标定承样板高度像素，hb为标定承样板实际高度，p
bh
为饱和试样高度像素，p
sa
为标定承样板面积像素，ab为标定承样板实际面积，p
ba
为饱和试样面积像素，a
sa
为计算饱和试样面积，h
sa
为计算饱和试样高度；（3）试样脱湿试验，将承样板与试样放入给定相对湿度的保湿容器内，定时记录承样板与试样总质量数据mi（i≥1），i表示次数，并进行面积与高度的图像采集，直至试样土体在该相对湿度条件下48小时内质量变化小于0.01g为止；在不同相对湿度保湿容器内重复步骤（3），其中相对湿度大于85%时，采集频次适当提高，每4小时采集一次数据，当相对湿度小于85%时，每8小时采集一次数据；（4）通过质量变化数据和数字图像计算试样脱湿过程中的相关数据；根据初始体积v0、初始含水率ω0、初始含水率下试样质量m
ss
、计算实际土样的初始干密度ρ
d0
=m
ss
/（1 0.01
×
ω0）/v0；根据实际土样的初始干密度ρ
d0
和土颗粒比重gs，计算试样实际的初始孔隙率n0与
初始孔隙比e0，即n0=1-ρ
d0
/gs，e0=n0/(1-n0)；根据土体饱和体积v
sa
和初始孔隙比e0，计算试样土颗粒体积vs=v
sa
/(1 e0)；根据试样土颗粒体积vs和初始孔隙比e0，计算试样孔隙体积vv=vs×
e0；根据初始含水率ω0、土颗粒比重gs、初始孔隙比e0，计算试样初始饱和度s
r0
=ω0×gs
/e0；根据承样板与饱和试样总质量m
b sa
及当前记录的承样板与脱水试样总质量mi（i≥1）i表示次数，计算当前试样中剩余水的质量m
wi
=m
b sa-mi（i≥1），i表示次数；根据脱水试样数字图像，计算当前试样体积vi（i≥1），i表示次数；根据当前试样体积vi（i≥1）及土颗粒体积vs，计算当前试样孔隙比ei=（v
i-vs）/vs（i≥1）及当前试样孔隙率ni=（v
i-vs）/vi（i≥1），i表示次数；假设水的密度ρw=1 g/cm3，因此当前试样中剩余水的质量m
wi
（i≥1）即为当前剩余孔隙水体积v
wi
（i≥1），根据当前剩余孔隙水体积v
wi
（i≥1）及土颗粒体积vs，计算当前试样土水比r=v
wi
/vs（i≥1），i表示次数；根据当前试样中剩余水的质量m
wi
（i≥1）、当前试样体积vi（i≥1）及土颗粒体积vs，计算试样当前饱和度s
ri
=m
wi
/(v
i-vs)
×
100%（i≥1），i表示次数；（5）根据步骤（4）的数据，进行对比分析，绘制孔隙比、孔隙率、体积应变随饱和度的变化曲线，给出孔隙比及收缩率随土水比的演化规律为：粉状土收缩过程分为三个阶段，分别为比例收缩、残余收缩和零收缩阶段，在土水比小于0.5时，粉土收缩速率趋于零。
9.实施例2采用实施例1的方法，以黏性土为例，进行基于数字图像处理的土体收缩特性曲线计算，参照图8，黏性土试样孔隙比和收缩速率随土水比变化的收缩特性曲线，黏性土收缩过程分为三个阶段，分别为比例收缩、残余收缩和非零收缩阶段，与粉土不同，黏性土存在明显的非零收缩阶段，且在残余收缩阶段的收缩速率较高，当土水比小于0.1时，黏性土收缩速率仍然有所增加。
10.参照图2，实施例试样体积应变随饱和度的变化趋势，随着饱和度的降低，两种试样体变逐渐增加，黏性土体变随饱和度变化明显高于粉土，黏性土最大体积应变值约为16.5%，粉土最大体变约为4.6%。
11.参照图3，实施例试样孔隙比随饱和度的变化趋势，随着饱和度的降低，黏性土和粉土的孔隙比在饱和度大于95%时出现陡降，而后黏性土孔隙比随饱和度逐渐下降，粉土孔隙比随饱和度的下降逐渐趋于平稳。
12.参照图4，实施例试样孔隙率随饱和度的变化趋势，随着饱和度的降低，黏性土和粉土的孔隙率在饱和度大于95%时出现陡降，而后黏性土孔隙率随饱和度逐渐下降，粉土孔隙率随饱和度的下降逐渐趋于平稳。
13.参照图5，实施例试样孔隙比随体积含水率的变化趋势，随着体积含水率的降低，黏性土和粉土的孔隙比逐渐降低，体积含水率大于0.1时，黏性土孔隙比随体积含水率下降较快，当体积含水率小于0.1时，逐渐趋于平稳，体积含水率大于0.4时，粉土孔隙比随体积含水率下降较快，当体积含水率小于0.4时，逐渐趋于平稳。
14.参照图6，实施例试样孔隙率随体积含水率的变化趋势，随着体积含水率的降低，黏性土和粉土的孔隙率逐渐降低，体积含水率大于0.1时，黏性土孔隙率随体积含水率逐渐
降低，当体积含水率小于0.1时，趋于平稳，体积含水率大于0.4时，粉土孔隙率随体积含水率逐渐降低，当体积含水率小于0.4时，逐渐趋于平稳。
15.参照图7，实施例粉土试样孔隙比和收缩速率随土水比变化的收缩特性曲线，粉土收缩过程分为三个阶段，分别为比例收缩、残余收缩和零收缩阶段，在土水比小于0.5时，粉土收缩速率趋于零。