基于二值法研究干湿循环后路基土体裂隙发育

李志超

摘要：本试验对不同干湿循环幅度后，路基土重塑试样进行了CT扫描。结果表明，通过CT图像二值化，得到了清晰直观的裂隙发育图像，并证明了干湿循环幅度越大，土体裂隙发育越明显，同时裂隙周围土体颗粒的松散化程度越高。

Abstract： In this test， CT scans were carried out on samples of subgrade soil remodeling after different drying and wetting cycles. The results show that through the binarization of CT images， a clear and intuitive crack development image is obtained， and it is proved that the larger the dry-wet cycle amplitude， the more obvious the development of soil cracks， and the higher the degree of loosening of the soil particles around the cracks.

关键词：干湿循环;CT;裂隙;二值化

Key words： dry-wet cycle;CT;crack;binarization

中图分类号：TU443                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）23-0092-02

0  引言

铁路路基因为长时间暴露于空气，会受到自然环境的侵蚀。降雨时，路基土体含水率上升，高温和日照作用下，路基土体趋于干燥，含水率变化幅度较大。路基土体长期处于加湿干燥的往复循环，即为干湿循环作用，导致其力学性能变化明显。与此同时，土体内部的微裂隙不断发展，势必引起内部结构的损伤和破坏，进而降低路基的强度和抗变形能力，导致其承载力和稳定性下降，影响铁路路基的正常使用。

CT是一种无损检测技术，其利用精确准直的X线束、γ射线、超声波等，与高灵敏的探测器作用于被测物体的某一部位进行一个接一个的断面扫描，具有扫描时间快，图象清晰等特点，因而很快被应用到岩土材料的细观结构分析。通过CT图像的二值化处理，可以直观的重现干湿循环过后路基土体内部的裂隙形态和二维分布状况，进而揭示路基土体强度下降成因。

1  試验材料和基本物理性质

试验土样取自武汉某工地，为黏土土样，黄褐色，硬塑状态。本试验主要研究路基压实土，并制作重塑试样，确定取土深度2-3m。试验前风干土样，然后去除石子、植物根系等杂物，然后通过电动粉碎机进行破碎，再过2mm筛进行基本物理性质分析。

本次试验根据《土工试验方法标准GB/T50123》对过筛后的土样进行筛分。主要有颗粒分析、液塑限、击实试验。试验结果见表1、表2、图1所示。由此结果可知试验土体为低液限土。

2  试验方法

试验全部采用重塑土样，并采用自制的加湿箱，如图2所示。试验方法[1-3]如下：

①将土样风干碾碎后过0.5mm的筛，并将筛下的土放置在不透水的瓷盘内，计算所需的加水量，加纯水配制成最优含水率（16%）的所需土料，将配制好的土料放在干燥器中养护24h后开始制样。

②养护24h后的土料按照试样干密度为1.827g/cm3计算每个试样所需质量，将计算每个试样所需质量的土料放进不锈钢材质的空心圆柱体内，利用千斤顶进行压实制成直径38mm、高76mm、含水率16%、压实度0.93的试样，最后将制作好的试样用保鲜膜严密包裹后放在干燥器中养护24h。

③将养护好后的试样（含水率16%）放入自制的加湿箱内，调节好加湿器加湿档位，加湿至平衡含水率状态（含水率17%），用保鲜膜包裹养护24h。

④在一个循环周期内，对处于平衡含水率下的试样先加湿至最大含水率，然后干燥至最小含水率状态，最后加湿至平衡含水率完成一次干湿循环。本次试验分别进行±1%、±3%、±5%幅度的干湿循环试验，为了对比循环幅度对裂隙发育的影响，不同循环幅度的试样均进行2次干湿循环。试样在平衡含水率、最大含水率和最小含水率时，养护24h。

⑤干湿循环过后，试样养护24h，准备进行CT扫描试验。本试验采用中国科学院武汉岩土力学研究所的微米CT扫描仪 Zeiss Xradia 410Versa，扫描精度为37.95μm，可较为真实还原试样在整个试验过程中的裂隙发育情况。

⑥使用Image J软件对CT扫描图像进行二值化处理，得出试样裂隙发育二值化图像。

3  试验结果及分析

二值化[4]属于阈值法[5]的一种，其最显著的一个特点是，图像中每一个像素点只有两种取值状态，通过黑色和白色来表现图像状态，其图像模式简单，不存在明显的灰度过渡，在进行图像观测时，大多利用二值化进行分析。通过设定不同的阈值，在二维图像上选取某个特定灰度域，并将不属于这个灰度域的像素排除，通过二值化选取本文需要研究的目标灰度，以此在二维图像上凸显土体内部的裂隙二维发展特征。灰度图像对于像素在空间的分布表现不如二值化图像，二值化图像裂隙和高密区域分界明显，可以直接观测到试样的裂隙分布情况。

取2次干湿循环后，1%、3%、5%干湿循环幅度的CT图像进行二值化处理，分析试样裂隙附近的灰度变化，为了对比分析，选取一组未干湿循环试样进行对比分析。试样黑色区域为高密区域，白色区域为土体内部裂隙。在干湿循环前，试样的低密度区域集中分布在试样外表面，随着干湿循环过程中试样加湿-风干的反复进行，裂隙从外部开始发展，逐渐延伸到土体内部，形成带状的裂隙网。

如图3-图6所示，试样的灰度值越大，其密度也越高，通过选定不同的阈值，只显示GV≥150、GV≥160、GV≥170、GV≥180灰度，逐步排除试样内部的低密度区域，可以发现，试样的低密度区域集中分布在主要的几条大裂隙附近，随着干湿循环幅度的上升试样的裂隙总量也越多。

土体裂隙从干缩状态到加湿过程中会逐步愈合，裂隙愈合过程中试样主裂隙会发生湿化效应[6]，裂隙周围的土体，随着加湿的进行，含水率上升土体强度降低导致土颗粒不断塌落，塌落部分会持续填入裂隙中，同未产生裂隙区域相比，其强度较低，裂隙周围土体松弛化。如图6，试样在干湿循环过程中未产生裂隙区域，随着灰度域值的上升，其二值化图像未产生明显的变化，因而可以认为新生裂隙一般沿着已有裂隙薄弱处发展，土体低密度区域往往也分布于裂隙附近。在试样内部，裂隙分布往往较为集中。因此循环幅度越大的试样，土体颗粒松散化情况更为严重。

4  结论

①干湿循环作用加剧了土体内部的裂隙发育，对土体结构造成不可逆转的影响。②干湿循环过程，裂隙从土体薄弱处逐步演化发育。③试样的裂隙面积随着干湿循环幅度的上升而上升。④干湿循环作用导致裂隙周围土体颗粒松弛化，干湿循环幅度越高，土颗粒松弛程度越明显。

参考文献：

[1]张芳枝，陈晓平.反复干湿循环对非饱和土的力学特性影响研究[J].岩土工程学报，2010，32（01）：0041-0047.

[2]李贤，彭贞.重塑膨胀土结构性损伤CT-三轴试验研究[J]. 西南大学学报，2013（06）：0131-0136.

[3]孟杰，李喜安，趙兴考.基于高精度μCT扫描的重塑黄土试样均匀性分析[J].长江科学院院报，2019（08）：125-130.

[4]庞旭卿，胡再强.黄土剪切损伤演化及其力学特性的CT-三轴试验研究[J].水利学报，2016（02）：180-188.

[5]Kawakata H， Cho A， Kiyama T， et al. Three dimensional observations of faulting process in Westerly granite under uniaxial and triaxial conditions by X-ray CT scan[J]. Teetonophysies，1999， 513：293-305.

[6]曹玲，王志俭，张振华.降雨-蒸发条件下膨胀土裂隙演化特征试验研究[J].岩石力学与工程学报，2016 （02）：412-421.