摘要：以宁波地区软黏土固化土为研究对象，利用QUANTA FEG 650型号场发射扫描电镜和能谱仪进行固化土进行SEM图像扫描成像，同时借助于IPP软件建立三维空间计算模型，对固化土的三维孔隙率进行定量研究。
引言
近二三十年，领域内的众多学着采取各种不同的方法，对细颗粒结构微观图像进行了大量的统计、计算研究，取得了一些定性和定量的研究成果。其中，在软土微观孔隙研究中取得的成就主要有：王宝军[1]等利用GIS软件对SEM图像进行三维可视化分析，利用GIS 提供的面积和体积计算方法，分别研究了土样孔隙度的二维和三维计算方法。张先伟[2]等利用Matlab计算了基于灰度的三维孔隙率，并分析压缩过程中孔隙率的变化，得到的三维孔隙率物理意义明确，取法简单，有较高的准确性的特点。袁则循等[3]提出利用数字地形模型（DTM）计算三维孔隙度的方法，该方法无需选取阀值对图像进行分割，避免了由于阀值选取引起的统计误差，该方法能比较真实的反映土体的孔隙度。施斌[4]等利用微观结构试验，提出了一个计算红黏土孔隙比的计算模型。
本文以宁波地区软黏土固化土为研究对象，利用QUANTA FEG 650型号场发射扫描电镜和能谱仪进行固化土进行SEM图像扫描成像，同时借助于图像分析软件Image-Pro Plus（IPP）建立三维空间计算模型，对固化土的三维孔隙率进行定量研究。
试验设备及材料
1 设备 试验仪器采用荷兰FEI公司生产的QUANTA FEG 650型场发射扫描电镜。
2 试验材料 本试验采用的土为宁波土掺入固化剂CL-16后20个不同龄期的固化土。
固化土微观孔隙率研究
1固化土三维孔隙率计算原理及模型
通过SEM扫描的图像，像素是其大小的体现，在二维灰度平面，灰度值表达其深浅颜色，而不同的灰度决定于阈值的取值，阈值可调节范围为0~255。在Image pro plus（IPP）中，设定一个阈值，图片中的像素就会呈现黑白色，其表达的意思即为黑色为土，白色为孔隙。如图2所示固化土三维孔隙率计算模型，平面二维方向由像素来表示，高度方向通过阈值来表示。我们可以这样想象，当一个阈值Ym变化到下一个阈值即Ym+1时，二维平面的像素面积增大了，也就是说在此期间其表达的土孔隙体积增大了，增大部分的体积我们可以用微积分思维考虑，处于微观领域，其变化的值可以认为是极小的。最终我们得到以下三维孔隙率的计算公式：
（1）
式中，Ym为阈值；Am表示当阈值取为Ym时，二维平面的像素面积。
2.固化土微观孔隙率的定量分析
鉴于试样自身的局限性，每张图片只能代表固化土某一局部的信息，为了更具说服力，本文在进行SEM图像采集时共制样10组，每组试样分别在不同区域采集SEM图像10张，共计100张SEM图像，最终以平均值作为统计结果评价固化土特性。
2.1孔隙率变化分析
阈值从0~255变化并分别取值，经过IPP分析得到每一阈值对应的孔隙像素之和，带入公式（1）求三维孔隙率。在此过程中，由于有20个不同龄期的试样，每个试样有是10个组，每组10张图片，每张图片有266个数据，信息量实在过于庞大，不得不借助于宏文件进行处理。统计结果如下：
图2 三维孔隙率随阈值变化曲线
图1是平面孔隙率随阈值变化曲线，平面孔隙率表示的是白色部分的像素统计总和除以总像素得到。图2是本文公式（1）计算得到的三维孔隙率随阈值变化曲线。
2.2阈值的取值选择
平面孔隙率为图像孔隙像素面积与整个图片像素面积之比。平面孔隙率的值随着阈值的增大而增大，阈值随着从0~255变化，平面孔隙率值从0~1随之改变，但是这个值如果作为一个三维孔隙率来考虑，显然是不妥当的，因为没有一个土样的孔隙率可以达到1。此土样真实的宏观孔隙率为0.355，此时对应的阈值为95，平行组其余九个阈值为90，89，96，93，92，95，88，89，98，其平均值为93，这说明统计法用来确定孔隙率是可行的，但是这仅仅适用于统计孔隙率的大小。
图2是通过式（1）计算公式得出的孔隙率随阈值变化情况，三维孔隙率的最大统计值为0.553。同理，此土样的宏观孔隙率为0.355，那么对应的阈值为102，其他九个平行组平均阈值为108。从图2中对应的孔隙数量统计表中可以看出，此阈值下，孔隙数量已经在曲线后段平稳状态，从三维角度考虑，可以认为此土样孔隙体积与总体积之比，其值跟真实情况相符，说明式（1）满足土颗粒三维空间孔隙体积率统计计算。
四 小结
基于土体三维空间孔隙率计算模型，通过TPP软件分析固化土20个不同龄期的SEM图像，经过统计分析，定量研究固化土孔隙率的情况，得到每个图片在每个阈值下的孔隙个数、孔隙面积，并得出两者与阈值之间的曲线关系。
参考文献：
[1]王宝军， 施斌， 蔡奕， 等. 基于GIS的黏性土SEM图像三维可视化与孔隙度计算[J]. 岩土力学， 2008， 29（1）：251-255.
[2]张先伟， 王常明， 李忠生， 等. 不同地区结构性软土基本性质的对比研究[J]. 工程勘察， 2010， 38（5）：6-10.
[3]袁则循，毛灵涛，赵丹. 基于数字地形模型土微结构三维孔隙度的计算方法[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版）， 2011，30（5）：734-737.
[4]施斌.江洪涛.黏性土微观结构分析技术研究[J].岩石力学与工程学报，2001，20（6）：864-870
论文作者:陆建阳
论文发表刊物:《基层建设》2018年第24期
论文发表时间:2018/9/18
标签：孔隙论文; 阈值论文; 图像论文; 微观论文; 平面论文; 像素论文; 模型论文; 《基层建设》2018年第24期论文;