（岩土工程专业论文）基于ct图像处理的冻融岩石细观损伤特性研究.pdf

论文题目：基于c t 图像处理的冻融岩石细观损伤特性研究+ j 专业：岩土工程 “ 硕士生： i 指导教师： ( 签名) 厶z 红2 ( 签名) 幽丝 i 占 ；c c t 技术为研究岩土工程材料的细观损伤演化提供了有效的测试手段，但是现有的 c t 分析方法没有充分利用试验结果所提供的c t 图像资料。本文运用数字图像处理的 原理和方法，基于损伤力学理论，提出了数字图像数值分析方法( d i g i t a li m a g e p r o c e s s i n g _ - f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) ，研究了岩石损伤演化特性，初步分析了岩石初始损 伤分布的不均匀性对寒区岩石损伤演化过程的影响。 本文研究了页岩的c t 图像增强、图像分割和边缘检测技术，得到了岩石内部的真实 细观结构图像；利用c t 图像的直方图技术动态、定量地分析了岩石的损伤演化过程；提 出了以像素点的个数为基准量的损伤变量；把数字图像处理技术和有限元数值分析方法 相结合，将所提取的二元化的细观结构图像转化为矢量化的细观结构图，将岩石c t 细观 结构图像导入到有限元软件a n s y s 中，考虑岩石的非均质性，应用d i p - - f e m 法模拟了 不同孔隙度和含水量的冻结岩石的瞬态温度场分布规律。研究结果表明：岩石初始损伤 越大、孔隙率越高、含水量越大，冻结( 融化) 周期就越短；在长期冻融循环作用下， 岩石的损伤劣化速度加快；温度场分布形态的改变首先发生在有微裂隙、孔隙的地方。 本文将岩石c t 细观损伤试验结果应用到岩石宏观损伤特性分析中，实现了细观尺度 向宏观尺度的过渡，充分利用了c t 图像资料，为冻融岩石的损伤特性研究提供了一种新 的途径。 关键词：冻结岩石；损伤；演化特性；c t 图像；数字图像处理； 数字图像有限元分析 研究类型：应用研究 + 国家自然科学基金( 4 0 3 7 2 1 1 9 ) 资助项目部分内容 摘 慧 社更 刘 杨 s u b j e c t：p r e l i m i n a r ys t u d yo nt h ec h a r a c t e r i s t i co fr o c km i c r o s c o p i c d a m a g eb a s e d o nt h et e c h n i q u eo fc ti m a g ep r o c e s s i n g u n d e rt h ef r o s ta n dt h a wc o n d i t i o n s p e c i a l t y ：g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g n a m e：l i u h u i i n s t r u c t o r ：y a n gg e n g s h e a b s t r a c t ( s i g n a t u r e )尘越尬 ( s i g n a t u r e ) _ 攀倒e t h et e c h n o l o g yo fc tp r o v i d e su sw i t hm o r ee f f i c i e n tm e a n sf o rs t u d y i n go nt h e c h a r a c t e r i s t i co fr o c km i c r o s c o p i cd a m a g ep r o p a g a t i o n ，h o w e v e r , t h ee x i s t i n gc ta n a l y s i s m e t h o d sh a v e n tm a d et h eb e s tu s eo fc ti m a g ew h i c ha r es u p p l i e db yt h ee x p e r i m e n t a l o u t c o m e t h i st h e s i sp u t sf o r w a r dan e wm e t h o d ，d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g f i n i t ee l e m e n t m e t h o d t h ep r o p o s e dm e t h o di n c o r p o r a t e st h ep r i n c i p l eo fd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n ga n d g e o m e t r yv e c t o r i z a t i o na l g o r i t h m s i n t ot h ec o n v e n t i o n a lf i n i t ee l e m e n tm e t h o d s b yt h i s m e a n st h ea u t h o rn o to n l yr e s e a r c h e st h ec h a r a c t e r i s t i co fr o c km i c r o s c o p i cd a m a g e p r o p a g a t i o nb a s e d o nt h et h e o r yo fd a m a g em e c h a n i c sb u ta l s om a k e sap r e l i m i n a r ya n a l y s i s f o rt h ei n f l u e n c eo fi n h o m o g e n e i t yo fi n i t i a ld a m a g eo nt h ed a m a g ep r o p a g a t i o nu n d e rt h e n e g a t i v et e m p e r a t u r ec o n d i t i o n t h ea u t h o rs t u d i e so nt h et e c h n o l o g yo fi m a g er e i n f o r c e m e n t ，i m a g es e g m e n t a t i o na n d e d g et e s ta b o u tc ti m a g eo fs h a l er o c k ，a n dt h e no b t a i n st h er e a l i s t i cm i c r o s t r u c t u r ei m a g ei n t h er o c k a c c o r d i n gt ot h eh i s t o g r a mo fc ti m a g ew eq u a n t i f i c a t i o n a l l ya n dd y n a m i c a l l y a n a l y z et h ed a m a g ep r o p a g a t i o no fr o c ku n d e rd i f f e r e n td a m a g es t a g e s an e wd a m a g e v a r i a b l ei sb r o u g h tu pw h i c ht a k e st h en u m b e ro fp i x e lt ob ea sr e f e r e n c eq u a n t i t y t h eb i n a r y m i c r o - s t r u c t u r ei m a g ew a sc h a n g e di n t ov e c t o r a n a t i o nm i c r o s t r u c t u r ei m a g e ，t h e ni tw a sr e a d i n t of i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea n s y s l a s t l y , t h ea u t h o rs i m u l a t e st h ed i s t r i b u t i o nl a wo f t r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l do ff r o z e nr o c kt h a th a sd i f f e r e n tr a t i o e so fp o r ea n dm o i s t u r e c o n t e n t t h es t u d y i n gr e s u l t ss h o wt h a t ：t h ew o r s et h ei n i t i a ld a m a g e ，t h eh i g h e rt h er a t i oo f p o r ea n dm o i s t u r ec o n t e n t ；t h es h o r t e rt h ef r o z e n ( m e l t e d ) c y c l e t h ed a m a g es p e e do fr o c k w i l lb eq u i c k e n e du n d e rt h ea c t i o no fl o n g t e r mf r o s ta n dt h a wc y c l e t h em o r p h o l o g yo f t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nf i r s t l yo c c u r sa tt h ep l a c ew h e r et h e r ea r es m a l lf i s s u r ea n dp o r e a p p l i a n c eo ft h ee x p e r i m e t a lr e s u l t so fr o c kc tm i c r o d a m a g ei n t oa n a l y z i n gt h e c h a r a c t e r i s t i co fr o c km a c r o d a m a g ea c h i e v e st h et r a n s i t i o nf i o mm i c r o - s c a l et om a c r o s c a l e t h i st h e s i sn o to n l ym a k e sam e a lo ft h ee x i s t i n gc ti m a g eb u ta l s op r o v i d e san e ww a yt o r e s e a r c ht h ec h a r a c t e r i s t i co f r o c kd a m a g eu n d e rt h ef r o s ta n dt h a wc o n d i t i o n k e y w o r d s ：f r o z e nr o c kd a m a g e c h a r a c t e r i s t i co f p r o p a g a t i o nc t i m a g ed i g i t a li m a g e p r o c e s s i n gd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g _ _ f i n i t ee l e m e n tm e t h o d t h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 妻料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 日期： 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：指导教师签名：矿钧乳汜 沙年6 月，日 1 绪论 1 - 1 选题的背景和研究意义 1 绪论 土、岩石等岩土工程材料是天然材料或天然材料所组成的非均质材料，它们常常由 孑l 洞、裂隙和大小不等的矿物颗粒按照不同的排列方式组合而成。这些物质的物理力学 性质各不相同，当岩土工程材料受到外力作用时，它们对外力的响应有很大的差异，同 时，它们之间的相互作用也非常复杂。因此，岩土工程材料的力学性能，如应力分布、 裂隙扩展、损伤特性等与材料的非均质性及细观结构有着密切的联系。 文献调查表明1 1 1 j ，目前大多数岩土工程材料的研究都是在传统表象理论基础上开 展的宏观分析，众多理论和数值模型忽略了材料的细观结构，在假定材料为均质或分片 均质的基础上，岩土工程材料的传统力学性能受到了较多的重视，而其细观力学性质却 被忽略。 现有的岩土力学理论多建立在材料均质假设的基础之上，继续延用连续介质力学的 假设，用其来描述介于连续介质和裂隙介质、多孔介质和散体介质之间的岩土材料的力 学特性存在一定的局限性。岩土介质在肉眼可见尺度范围内呈现不均匀性和不连续性， 在实际工程问题的力学分析中，在更大尺度范围内则是在取其统计平均意义的基础上， 岩土工程材料的不均匀性和不连续性对材料强度和变形特性的影响往往采用折减等效 的方法加以处理，然后将其视为连续介质岩土力学问题进行研究。 塑性力学重在研究颗粒间的滑移；断裂力学关注宏观裂纹的开展；损伤力学侧重于 众多微裂纹和孔洞的扩展【4 j 。这一切均要求尽可能弄清楚岩土材料的微观结构和其受力 变形扩展特性。沈珠江指出【5 j ：“2 l 世纪土力学的研究重心应当从对重塑土的数值模拟 转向对天然结构性土的数学模拟。”陈正汉更是认为【6 ：“特殊土的本构关系应充分考虑 到其独特的微观结构性。” 处于冻融环境下的岩体是一种特殊的工程地质体，由于岩体在冻结或融化过程中， 温度、水分、应力三场的相互作用是一个极其复杂的热力学、物理、化学和力学的综合 问题，冻融岩体的宏观力学性质和工程性质主要受温度、含水量、未冻含水量、冰裹体 的组构、岩体中的微裂纹、孔洞及矿物颗粒组成等因素的影响。目前对冻土的研究较多， 涉及冻岩的研究较少，其理论和数值模拟研究也多集中在对水热迁移的研究、水一热一 力与变形耦合模型的研究上。对于冻融岩土体的细观冻胀机制研究不足，对于岩体的自 然条件因素如岩体中的微裂纹、孔洞及矿物颗粒组成对冻胀力产生的影响考虑地相对较 少。对冻融岩体的非均质性和其受损扩展演化的细观力学行为进行研究将有利于深化对 岩土体结构性的认识和后期数值模拟工作的开展。 西安科技大学硕士学位论文 目前不少学者 7 - 1 2 1 开展了岩土工程材料的非均质性数值分析，这些研究主要是基于 统计学层次上生成的虚拟细观结构，使生成的细观结构中各种材料的形状和分布与材料 的真实情形尽可能一致。虽然得到了岩土工程材料的一些细观力学性质，但很少有文献 来说明这类虚拟细观结构能在多大程度上真实地体现岩土工程材料的非均质性。因此， 建立在虚拟细观结构上的力学分析是很难得到材料的真实力学性质的，要想真实地反映 岩土工程材料的细观力学性能，研究其非均质性需要开发新的数值计算方法。 过去由于试验技术和试验设备的限制难以观测到材料的内部结构因而更无法测得 岩体内部不同性质材料的真实几何分布情况。随着计算机技术的不断完善和发展，c t 识别技术不断改进成为最先进的无损检测手段，利用c t 识别技术可以无扰动地、多方 位地对各种荷载作用下岩土材料结构变化进行连续扫描，对试验过程中试样内部变化进 行动态观测，得到试样的微观结构变化、细观颗粒的物质移动、裂隙发育、局部密度的 变化情况。所得到的c t 图像是由大量投影数据求解出被检测物质密度分布函数 f ( x ，y ) ，f ( x ，y ) 对应于被检测点的x 射线吸收系数，c t 图像实质是由反映岩体内部密 度变化的c t 数构成的灰度图像，岩体内部不同物质的分布情况可以通过灰色度的变化 在图像中得到再现，图像很好地反映了材料的细观结构。 自从1 9 9 5 年杨更社教授首次把c t 识别技术用于岩石损伤特性识别研究后，越来越 多的学者利用c t 识别技术对岩土材料在不同荷载作用下的细观力学行为进行研究。当 前国内外的相关研究多集中于损伤、缺陷或裂纹等的演化机理和损伤本构关系两大领 域。由于c t 设备仅能给出扫描截面内c t 数的均值、方差和扫描截面积，若要人为地 统计出每一分辨单元的c t 数其工作量相当大，并且人为统计也很不准确，因此目前对 c t 图像的分析方法大都采用区域c t 数均值变化反映密度变化的方法，通过扫描断面整 体平均c t 数或方差变化来分析扫描断面整体细观裂纹演化趋势。 随着计算机技术的不断完善和发展，数字图像处理技术也逐渐发展成为一门独立的 学科并在各个学科领域得到广泛应用，它主要是将研究的物体转化为储存在计算机中的 数字图像，并运用计算机对图像信息进行分析和处理从而得到所需要的研究结果。但是 这项技术的优势在岩土工程领域还未充分发挥出来，对数字图像尤其是c t 图像及其处 理方法的研究总体还比较薄弱。虽已有不少学者将数字图像处理技术应用在道路状况评 估、混凝土细观结构定量观察中，如：岳中琦【l3 】等运用数字图像技术研究了沥青混凝土 中粗骨料的方位、形状和分布；k w a n 1 4 】的研究小组采用q w i n 数字图像系统对水泥混 凝土中粗骨料形状分布及骨料的厚薄率与延伸率进行了研究；r e i d 和胁i s o n 【1 5 】运用了 一系列数字图像处理技术来检测岩石表面的非连续裂纹。目前利用数字图像处理技术对 c t 图像进行处理及提取c t 图像中的有用信息的研究却鲜有报道，蒲毅彬等( 2 0 0 0 ) t 1 6 】 实现了黄土c t 图像的彩色增强显示。范留明、李宁采口”用灰度级一彩色变换方法，对 灰度c t 图像进行伪彩色增强，显著地提高了c t 图像的分辨率。尹小涛 18 】基于图形图 像处理技术进行了岩土c t 图像量化描述。 1 绪论 数字图像处理技术为c t 图像资料的计算机重建、处理和模拟提供了方便，将数字 图像处理技术用于岩石的损伤特性研究尤其是冻融环境下的岩石损伤特性研究可以为 相关研究领域的发展提供有效的测试技术，借助于数值模拟方法可以实现对冻融岩体更 确切地描述和刻画，反映冻融岩体的实际受力情况。所以，基于数字图像处理的有限元 法为研究岩石材料在冻融环境下的力学性能提供了一种新途径。 1 2 本课题的国内外研究现状 1 2 1 岩土力学c t 识别技术研究现状 早在1 9 9 5 年杨更社、谢定义u 9 j 等就把c t 识别技术用于岩石损伤特性识别研究。其 后利用c t 识别技术对岩土工程材料的细观力学行为研究方兴未艾。当前国内外的相关 研究多集中于损伤、缺陷或裂纹等的演化机理和损伤本构关系两大领域。 在国内杨更社教授 1 9 - 2 3 首次将c t 识别技术引入到岩石损伤识别，并对c t 数分布 规律和损伤的关系进行了分析；在此基础上建立了c t 数分布规律的数学模型，推导了 岩石损伤密度与c t 数的定量关系；重要的是将c t 数和岩石损伤变量联系起来，推导 了用c t 数表示岩石损伤变量的公式，通过和b e l l i o n 公式及l e m a i t r e 用材料密度表达的 损伤变量公式进行计算分析比较，验证了用c t 数表示岩石损伤变量公式的正确性，并 对岩石损伤扩展规律进行了分析，对该损伤变量和应力应变的关系进行了探讨，为后续 本构关系的建立打下了基础。葛修润、任建喜 2 4 - 3 0 进行了三轴和单轴荷载作用下煤岩破 坏全过程的细观损伤演化规律的实时动态试验，定义了一个基于c t 数的新的损伤变量： 通过单轴压缩荷载作用下岩石蠕变细观损伤演化c t 实时试验，得到了岩石蠕变损伤演 化全过程从裂纹萌生、伸长、增宽、分叉、断裂到破坏等各个阶段清晰的c t 图像，从 c t 数和c t 图像的变化规律出发，对岩石蠕变损伤三个阶段的扩展细观机制进行了分 析，完成了裂纹宽度、长度随时间变化规律的定量研究，给出了岩石蠕变细观损伤演化 的初步规律，建议用c t 数下降速度作为判断岩石蠕变损伤第3 阶段的门槛值；利用研 制的c t 专用岩石三轴试验加载设备，完成了三轴( 单轴) 压缩荷载作用下岩石损伤扩展 规律的c t 实时试验，引入了初始损伤影响因子及闭合影响系数，建议了一个新的损伤 变量，从c t 细观试验结果出发，给出了应力损伤和疲劳损伤门槛值；首次给出了基于 c t 的损伤演化方程和损伤本构关系，对岩石卸荷破坏进行的c t 分析证明卸荷破坏具有 突变性。简浩、朱维申等【3 l q2 j 用自制的与c t 机配套的专用加载装置，对含单裂纹试件 进行了单轴压缩破坏的c t 实时试验，对试件被压密一新损伤区产生一裂纹扩展的全过 程进行了监测，得到了各阶段清晰的c t 图像及c t 数资料，通过分析提出了岩石的损 伤演化率和损伤门槛值的概念，从细观角度和三维尺度上掌握了类节理岩体损伤演化特 性；并对含裂隙水压致裂的单裂纹试件进行了单轴压缩c t 试验，提出了类节理岩体脆 西安科技大学硕士学位论文 性材料的损伤演化率和损伤门槛值的概念。尚彦军口3 】利用可以测量孔隙水压力和可以控 制排水条件的静三轴试验装置结合螺旋扫描c t 设备，对香港原状全风化花岗岩进行了 三轴固结不排水( c u ) 试验的c t 动态监测研究。陈蕴生】利用c t 技术对非贯通节理试 样的单轴加载全过程进行了即时扫描，根据c t 图像灰度值均值和灰度分布随应力的变 化来分析细观损伤演化过程和机理，并绘制出损伤等值线图，基于此对检测断面损伤分 布和演化过程作了定量描述，结果显示损伤演化具有阶段性特征。李玉彬、李向良【3 5 】 利用a c t i s 微焦点x 射线c t 技术对直径2 5 m m 的样品进行成像，直观地描述了岩石 内部流体分布的特征，并利用c t 定量分析、c t 图像分析和分形几何方法对岩石孔隙进 行了定量分析。李晓军 3 6 - 3 7 1 对黄土的结构性进行了研究，分析了压实黄土的初始结构； 并对路基土进行了单轴压缩c t 试验分析，证明随着压力的增大，土体的结构性减弱； 丁卫华、仵彦卿 3 8 4 1 对单轴、三轴压缩条件下岩石的损伤演化进行了阶段划分，提出了 密度损伤增量与体应变的关系并基于x 射线密度损伤增量公式，推导出岩石体应变公 式，得到岩石内部裂纹宽度的普适性计算公式。范留明1 1 7 j 对c t 图像进行了增强处理， 提高了图像的分辨率。蒲毅彬m j 对冻土中冰、岩石和水的动态演化作了分析研究。施斌 h 叫对土体直剪试验过程中裂隙贯通破裂的过程进行了追踪演示。 在国外，m a r t i n ，r j 等 4 4 】，通过一定应变率下饱和溶灰岩无侧限压缩试验，表明随 着应变率的消长强度也随之消长，消长决定于应力腐蚀裂纹，经过对试验前后的岩样进 行c t 扫描揭示了其天然微观结构、强度特性和弹性模量的关系。k a w a k a t a , h 等【4 5 】利 用立体显微镜对砂岩表面进行了观察，利用x 射线c t 系统对裂纹进行研究，发现线性 裂纹多出在表面、裂纹之一是i i i 型和i i 型裂纹的混合作用形式，其中在准静态应力条 件下以i i i 型裂纹为主导，在高加载速率下应力降低时i i 型裂纹出现。r u i z d e a r g a n d o n a v g 等m j 利用c t 技术对易受气候影响的岩石孔隙结构进行了研究，重建的三维图像揭示 了岩石孔隙分布的空间不均匀性，c t 图像捕捉和动态跟踪了性质弱化和孔隙结构的演 化。w a n g ，l b 等【4 利用c t 技术对材料损伤进行了量化研究，利用c t 图像和虚拟分割 技术获取全断面图像，重建了三维含损混凝土结构，揭示了量化损伤参数和其在力学建 模中的应用，并在沥青混凝土中进行了验证。 1 2 2 岩土力学c t 识别技术研究中存在的问题 在对当前岩土材料力学特性的c t 研究进行分析总结的基础上，本文发现当前的 c t 试验研究存在以下问题： ( 1 ) 目前c t 试验研究大多仅利用c t 图像的感官信息进行损伤或者微裂纹出现 和演化过程的研究，没有充分利用c t 图像上的细观物理信息。不能仅靠对c t 图像的 判断来研究损伤演化过程。 ( 2 ) 对c t 试验结果的研究多建立在对整个扫描层面上的c t 数均值和方差进行 4 1 绪论 分析的基础之上，这样就对损伤信息作了均值处理，掩盖了损伤出现、发展的真实位置。 ( 3 ) 对损伤或者微裂纹演化过程的有效揭示和定量描述不足，应该加强对直观再 现损伤演化过程的研究，这对于损伤出现的时间、裂纹的扩展方向等的判断意义重大。 ( 4 ) 对基于c t 的损伤演化方程和本构关系的研究严重滞后于对c t 试验图像所 揭示物理力学现象的分析研究。 ( 5 ) 对于图像信息的研究不足，对岩土材料的非均质性力学行为的研究严重不足。 因此本文对c t 图像处理方法的研究并非仅为了更为直观地反映试验所揭示的力学 现象，更重要的是为了获取细观分析研究所需要的图像信息。 综上所述，目前岩土力学的c t 研究实际上仍处于c t 图像信息发掘和利用的初级 阶段，如何最大限度的提取并利用所获取的c t 图像资料为相关研究提供试验数据和图 像信息是本文研究的主要目的。 1 2 3 冻融岩土力学研究现状 ( 1 ) 冻土温度场的研究 世界上对冻土温度场的研究己有1 6 0 多年的历史，但直到上世纪7 0 年代后期，随 着计算机和数值方法在前苏联冻土领域的广泛应用，才使得温度场的研究在复杂的边界 条件、地质条件及考虑非线性方面在深度和广度上有了新的发展。c y m r h i t ，m h 是这门 学科的奠基人；k y 皿p 仰e b ，b a 等在温度场的热物理研究方面做出了相应的贡献。在北 美、西北欧等其它国家和地区也于上个世纪7 0 年代后期相继进入温度场的研究高潮。 b o n a i c i n a , c 和f a s a n a a ( 1 9 7 3 ) 求得了一维非线性温度场的数值解。上个世纪8 0 年代以 后，冻土研究利用其它学科的成就进一步推动温度场领域研究的发展，主要是向多维多 相非线性问题和多场相互作用问题理论模型的建立和求解发展。 我国冻土温度场研究起步较晚，正式开始温度场的研究仅有5 0 余年的历史。最初 源于人工冻结凿井温度场的研究，随后展开了相关的一系列室内外观测和试验的经验方 程计算研究，并采用稳定、非稳定一维线性问题的解析法和半解析法进行温度场变化规 律的分析，相继提出了非线性相变温度场的数值差分格式及计算方法【4 8 1 。上个世纪9 0 年代，随着有限元数值方法的进一步应用，王铁行、胡长顺等提出在考虑多种因素下以 有限元法求解冻土路基温度场的计算方法【4 9 j 。 一百多年来，冻土温度场研究从早期的定性描述发展到以计算机作为手段的数值模 拟分析，经历了观测试验经验方程、一维、二维线性稳定性分析到近期的二维非稳态温 度场数值方法模拟研究的发展过程。 在试验理论研究方面，从早期的用肉眼、简陋仪器观测到电力、水力积分仪模拟发 展到现代的以计算机控制数据采集的模拟试验研究：从最初的室内小型温度场测试试验 向室内大型模型温度场试验甚至野外的足尺模型试验过渡。 西安科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 冻土的强度与变形的微细观机理研究 由于寒区工程建设的需要，前苏联于上世纪3 0 年代初对冻胀融沉机理进行了研究， 北美在上世纪5 0 年代初开始进行冻土强度理论的研究，美国于上世纪6 0 年代以 w m h a s s 为代表开始了现场冻胀的观测工作。近年来在冻胀方面的研究主要集中于冻 胀与冰透镜体的形成和位置关系、冻胀与冻渗及冻胀过程的数值模拟方面。r d m i l l e r 5 0 ( 1 9 7 2 ) 提出正冻粘土的冰透镜体底面与冻结锋面间存在着冻结缘。w i l l i a n s ，e j 和 w o o d ，j a ( 1 9 8 5 ) f sn 通过试验测试了正冻土中的内应力变化。与此同时m a s a m if u k u d a 和s e i i t ik i n o s i t a 5 2 1 ( 1 9 8 5 ) 对土体冻胀引起对管壁产生的膨胀力进行了观测。由于试验手 段等因素的限制，没有清楚地给出测试结果的物理意义。目前由于缺乏适合的仪器设备 和方法，要通过试验观测冻土中应力的变化仍相当困难。 随着寒区工程建设的发展及人工冻结技术在地铁和采矿工程中的应用，我国在上个 世纪6 0 年代开始研究冻土强度，并于上个世纪7 0 年代系统地进行了冻土强度和蠕变研 究。 细观结构研究 蒲毅彬( 1 9 9 3 1 9 9 5 ，1 9 9 8 ) 5 3 - 5 6 开展了冻土结构c t 分析的应用技术研究，为用 c t 技术分析冻土强度与变形的细观机理奠定了基础。吴紫汪等( 1 9 9 5 ，1 9 9 6 ) 1 5 7 - 5 9 1 和 马巍( 1 9 9 4 ，1 9 9 7 ) 【6 0 6 l 】等人借助于c t 技术对冻土蠕变过程的结构变化进行了观测分 析，发现蠕变过程中结构缺陷的增生与扩展制约着土体结构的强化与弱化作用，控制着 蠕变变形的形态特征。刘增利等( 2 0 0 2 ) 【6 。叫基于冻土单轴压缩c t 试验结果，提出冻 土单轴压缩下的损伤由塑性硬化下的塑性损伤和新产生的微裂纹损伤两个阶段组成，对 两种不同损伤阶段下冻土微结构变化特征进行了讨论。杨更社、张全胜1 6 5 - 6 8 从细观损伤 力学的角度，利用c t 识别先进的试验技术研究软岩在冻结融化过程中，内部细观损伤 结构变化特征、扩展机理、冰的形成、水分的迁移及冻结状态下软岩体的损伤扩展力学 特性及力学机理，探讨了不同冻结温度、冻融循环次数及不同冻结速度条件下岩石内部 的细观损伤扩展机理、水分迁移、冰的形成及其损伤结构的变化和影响。 微观结构研究 张长庆( 1 9 9 5 ) 【6 9 7 0 】等人通过复型一电镜技术，观察了荷载作用下冻土的微观结构 变化，发现冻土变形过程中矿物颗粒产生重新定向、微裂纹的萌生、扩展、分又及贯通 现象，指出冻土结构的不同变化决定着冻土的蠕变类型。马巍等人( 1 9 9 5 ，1 9 9 6 ，1 9 9 9 ) m 7 2 1 利用复型一电镜技术研究了应变率和围压对冻结砂土强度影响的微观机理，结果发 现应变率的作用是抑制冻土结构的调整和定向，而围压对冻土结构有强化和弱化双重作 用：在0 8 m p a 范围内围压抑制了裂隙的增长，增大了粒间摩擦和咬合作用，对冻土 结构有强化作用；围压大于8 m p a 时，围压增大加剧了粒间结构破坏和孔隙冰压，对冻 土结构有弱化作用。 1 绪论 微细观结构理论分析 余群等( 1 9 9 3 ) 1 7 3 j 提出了反映冻土矿物颗粒间接触程度的间隙率概念，并根据试验 结果提出了冻土强度理论模型，该模型能很好地描述冻土强度随含水量和围压的变化。 苗天德等( 1 9 9 5 ) 【7 4 j 基于冻土蠕变过程微结构变化观测结果，提出了冻土蠕变耗散势概 念，并将其构造为含冰量、粒间定向因子及面积损伤因子等特征为结构变化的内变量函 数，由此提出了冻土蠕变的三维演化方程。齐吉琳等( 2 0 0 3 ) 【_ 7 5 】将土体结构定量化研究 引入到冻土力学中，研究了冻融前后兰州黄土和天津粉质粘土的强度参数及土的微结构 参数定量变化，从土微观结构的定量改变对土的宏观力学性质变化给予了解释。 冻土力学从最初的应用于寒区工程设计的简单唯象学的冻土宏观力学性质研究正 逐步向探索冻害原因的冻土细观机制试验研究，完成从表象到机理的进一步深化。 1 2 4 数字图像处理技术在岩土工程中的应用现状 在以多媒体和计算机网络为主要标志的数字信息时代，数字图像作为一种形象直观 的媒体，已经渗透到现实生活的各个方面，数字图像处理技术也逐渐发展成为一门独立 的学科并在各个学科领域得到广泛应用。数字图像处理是一门系统地研究数字图像理 论、技术和应用的新学科，其主要过程是将研究的物体转化为储存在计算机中的数字图 像，并运用计算机对图像信息进行分析和处理从而得到所需要的研究结果。但是，这项 技术的优势在岩土工程领域还未充分发挥出来，对数字图像及其处理方法的研究总体还 比较薄弱。 数字图像技术在岩土工程中的应用始于2 0 世纪7 0 年代对土体微观结构的研究 ”， 利用图像技术对扫描电子显微镜( s e m ) 、t e m 图像进行定量分析e 7 7 , 并成功地用在处 理微观结构单元定向性信息r 7 8 o 欧阳埏等( 1 9 9 8 ) 引利用s e m 数字图像对某些砂岩孔 隙结构进行了分形数值分析，并对图像进行了滤波处理，而且还考虑了边界噪声的影响。 近十年来，岩土c t 技术活跃，数字图像应用范围进一步扩大。杨更社等( 1 9 9 6 1n 蚰将 c t 试验数据转换成灰度图像，并利用通过图像灰度与c t 数之间的关系研究岩体损伤 特性。蒲毅彬等( 2 0 0 0 ) 阻引实现了黄土c t 图像的彩色增强显示。范留明、李宁n 7 1 为了 提高岩土c t 图像的分辨率，根据人眼的视觉特点，结合计算机数字图像颜色模式和图 像格式，采用灰度级一彩色变换方法，对灰度c t 图像进行伪彩色增强，显著地提高了 c t 图像的分辨率。田宗勇哺们应用数字图像处理技术，改善了地震c t 图像的质量，突 出图像中的有效信息，提高地震c t 技术的应用效果；并将此法用于处理三峡工程和乌 江构皮滩水利枢纽地质剖面资料，取得了较好的地质成果。周渤然储提出用c t 技术 确定砂岩孔隙度的原理和方法，使用c t 技术定量、定性地解释某些岩样的内部特征， 重矿物分布及裂缝变化情况；并采用图像减法技术消除光束硬化现象造成的误差。 数字图像处理技术已经在岩土工程领域，如在道路状况评估、混凝土细观结构定量 西安年 技大学硕士学位论文 观察中得到运用：李晓军z j 利用可同步进行c t 扫描的三轴仪，进行了沥青混合料单轴重 复加、卸载试验，利用c t 数和c t 图像分析了加、卸载过程中沥青混合料内部结构和密 度的变化，计算了不同加、卸载阶段的损伤变量，结果表明：加载初期损伤变量略有减小， 属于压密阶段，随加、卸载的进行，损伤逐渐加大；推导了损伤演化方程和强度衰减规律。 岳中琦i l3 8 3 j 等运用数字图像技术研究了沥青混凝土中粗骨料的方位、形状和分布：l i 和李炼u 0 - 1 2 1 等用二次复型技术并采用光学显微镜及扫描电镜分析了香港地区花岗岩的 破坏模式。最近，陈沙、岳中琦等畔】采用了若干数字图像技术来检测岩土材料的真实内 部结构，并把图像结构转换为矢量的多边形结构，再运用网格自动生成算法生成有限元 网格，最后用有限元方法进行了材料的非均质性力学分析，采用了一个线性有限元软件 分析了岩石内部的材料非均匀性对应力应变分布的影响；运用数字图像技术获得非均质 土样的内部结构，考虑了多种边界条件下土体的渗流情况。尹小涛【l8 】引入数学形态学、 集合论、测度论、矩阵论和计算机图像学的思想、原理、方法提出了一套岩土c t 试验 资料几何信息( 裂纹的长度、宽度、面积和形状因子) 和物理信息( c t 数) 定量分析、测量 和描述的方法及参数体系，达到了对c t 图像资料定量化描述的目的。 赵永红( 2 0 0 2 ) “”利用数字图像相关技术对岩石损伤变形进行了分析。邵龙潭( 2 0 0 1 ) “”1 利用c c d 技术实现了对三轴试验土样径向和轴向变形的数值图像测量，并研究 了这一方法的理论精度和实测精度，将数字图像处理技术与测量技术密切结合在一起运 用在岩土工程中。 数字图像处理技术还用到了工程现场。日本从2 0 世纪9 0 年代就采用地质图像处理 技术对掌子面的地质条件进行图像处理，提炼与围岩分级有关的参数、预测掌子面前方 的地质情况以及观察衬砌的开裂等，并于1 9 9 3 年清水、东亚计测会开发了隧道掌子面 图像处理系统 4 5 30 国内王川婴( 2 0 0 2 ) 对井下钻孔摄像仪软硬件进行了系统设计，不仅可 以再现深部地质构造图像的播放功能，而且能够利用摄像数据确定结构面的产状和裂隙 宽度，实现了“看”到“算”的转化。吴志勇( 2 0 0 1 ) h 印对数码摄像机采集的裂隙数据进行了 解译，基于光学成像原理在a u t o c a d 软件平台上确定了图像数据与实际裂隙之间的对 应关系，并对裂隙数据进行了整理和统计。 综上所述，目前对数字图像处理及其方法在岩土工程的研究还比较薄弱，而利用数 字图像处理技术对岩石c t 图像进行处理的研究更是很少，尤其是将数字图像处理技术 应用在冻融岩体的损伤特性中的研究还未见有报道。 1 3 本文的主要研究内容及方法 本文综合运用c t 识别技术、数字图像处理方法及有限元数值模拟等研究方法，根 据杨更社教授科研团队现有的c t 图像资料基于数字图像处理技术，获取c t 图像的灰 度直方图，根据c t 图像的直方图动态、定量地分析岩石在不同损伤应力阶段的损伤演 8 绪论 化过程：结合损伤理论，定义以像素点个数表示的损伤变量研究岩石的损伤特性；应用 数字图像的有限元数值分析方法( d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g - - f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) ，在考 虑岩石的孔隙和微裂纹等损伤分布不均匀的情况下，对负温条件下岩石的细观损伤特性 进行初步研究。研究的具体内容有： ( 1 ) 利用c t 技术获取冻融岩体的c t 图像资料，分析c t 图像的基本特征，针对 其特征对图像进行必要的预处理，降低干扰提高信噪比，为提取岩体的细观结构提供高 质量的图像数据。 ( 2 ) 实现多种c t 图像的增强方法，并比较分析各种图像增强方法的优缺点，根据 岩石c t 图像的特点选取最优的图像增强方法：利用数字图像处理技术获取c t 图像的 直方图，分析岩石在不同损伤应力阶段的损伤演化过程。 ( 3 ) 在对c t 图像增强的基础上，研究数字图像分割技术，获得c t 图像的分割图 像，与损伤理论相结合，定义以像素点个数表示的损伤变量来研究岩石的损伤特性。 ( 4 ) 对c t 图像的边缘检测技术进行研究，获得岩石材料的细观结构，直观地再现 岩体内部裂隙、孔隙及矿物颗粒的分布情况；将二元图像的细观结构图转化为矢量化的 细观结构：然后把所得到的矢量化的细观结构导入有限元分析软件a n s y s 中，对细观 结构中的不同材料赋予相应的材料参数，进行温度场数值模拟，研究其冻融损伤特性， 由此可以真实地反映冻融环境中岩石类材料的非均质性对其损伤特性的影响。 西安科技大学硕士学位论文 2 数字图像处理技术概述 数字图像处理技术始于2 0 世纪2 0 年代通讯领域的传真技术，后用于宇宙探索，是 在信号处理、计算机科学、自控理论及其它应用领域基础上发展起来的边缘学科，是当 前信息处理中十分活跃的一个分支。当今数字图像处理技术已经被广泛应用到通讯、遥 感、医学、美术、气象、刑侦、军事以及计算机科学等多个领域，但这项技术在岩土工 程领域中的应用还比较少。 2 1 数字图像处理基础 2 1 1 数字图像的概念 图像不仅仅是指通常意义的图或照片【9 ”，它可以分为两种类型【9 2 】：一种是直观视觉 图像，其灰度、色彩、形状可以从客观世界中直接摄取，例如：照片、图案、文字等； 另一种是间接转换图像，是利用“图像化”技术将研究对象的数据转换成图像格式的一种 存储方式，例如：心电图、地震图、遥感图等，其灰度、色彩、形状等信息只是一种图 像表达形式，而不是真实的视觉图像。这些图像经过数字化( 整量和采样) 处理后就形 成了以二维矩阵形式存储、能被计算机识别的数字图像。矩阵中的元素称为像素或像元 ( p i x e l ) ，行和列方向的最大像素数决定了图像的大小。 2 1 2 数字图像的类型 数字图像分为静态图像和动态图像，在静态图像中又分为向量图像( v e c t o rb a s e d i m a g e ) 和位图( b i t m a p p e di m a g e ) 两类。位图又称为栅格( r a s t e r ) 图像或光栅图像。 向量图像是由一系列线段或其他造型描述的面向对象的图形【9 3 9 4 1 ，通常以指令的形式存 在，这些指令需要大量复杂的数学解析公式描述图像中所包含的点、线段、圆、矩形等 形状和大小，因而具有较高的效率和灵活性【9 3 】，既可以节约存储开销，对图形元素任意 缩放、拉伸和旋转等几何转换，又不会引起图形失真或畸变，图像质量与计算机分辨率 无关。位图是位映射图的简称，是目前最常用的图像表达方式，它不是由数学方程式创 建和保存的，而是通过图像扫描仪、数码摄像机或数码录像机等设备经过处理后输入计 算机，或利用其他绘图软件形成。位图可分为线画图( l i n e a r t ) 、灰度图( g r a y s c a l e ) 、 索引颜色图( i n d e xc o l o r ) 和真彩图像四种类型。 2 1 3 图像文件格式 由于各种计算机图像处理软件在识别信息的种类和数量以及图像压缩方法等方面 1 0 2 数字图像处理技术概述 的差异，目前存在多种图像格式的文件。常用的图像格式有p c x 格式、b m p 格式、