呂澄滸，樊秀峰,2，吳振祥,2，王曉搖

(1.福州大學 紫金地質(zhì)與礦業(yè)學院， 福建 福州 350108; 2.地質(zhì)工程福建省高校工程研究中心， 福建 福州 350108)

碎石土是一種土石混合體，顆粒大小混雜，結(jié)構(gòu)多元，土體內(nèi)分布著許多大孔隙，顆粒粗大的大孔隙域與顆粒細小的基質(zhì)域并存，不同于其他均質(zhì)邊坡相對均勻的滲流特性，此類邊坡易形成局部集中、流速快的滲流網(wǎng)[1]，在地下水和降雨條件下，水流繞過大部分土壤基質(zhì)域，沿著大孔隙通道快速進入深層[2]，形成連通大孔隙優(yōu)先滲流通道，引發(fā)碎石土邊坡失穩(wěn)等自然災害。目前已有研究表明碎石土大孔隙空間分布特征對優(yōu)先流的產(chǎn)生密切相關。因此，展開碎石土大孔隙結(jié)構(gòu)特征定量化研究，對預防此類邊坡災害發(fā)生十分必要。

目前，國內(nèi)外學者對大孔隙界定方法主要有當量孔徑法、毛細勢界定法、導水率法及功能界定法等[3]，其中當量孔徑法是最直接的方法。國外方面，Beven等[4]曾將土壤中大孔隙當量孔徑界定為0.03 mm～3.00 mm；Carey等[5]將大于1 mm的孔隙定義為大孔隙。國內(nèi)方面，吳華山等[6]將孔徑大于0.3 mm孔隙看做大孔隙；王偉等[7]在研究林地得到大孔隙半徑大多在0.3 mm～3.0 mm之間。

已往對大孔隙結(jié)構(gòu)研究的方法主要有：水分滲透曲線法[8]、張力入滲儀法[9]、切片法[10]、染色示蹤法[11]。在眾多學者們既往研究試驗過程中，難以避免會對土樣造成不同程度的擾動，影響試驗結(jié)果的準確性。而CT掃描法[12-13]是一種非破壞性探測技術，它可以在不影響土體結(jié)構(gòu)的前提下，快速精確獲取土壤的大孔隙結(jié)構(gòu)，且CT技術對掃描碎石土稍大尺寸土樣有一定的優(yōu)勢。隨著高精度CT掃描儀的應用，極大地提高了掃描的準確度，從而實現(xiàn)對小于1 mm的大孔隙結(jié)構(gòu)進行定性分析。此外，已有對碎石土大孔隙結(jié)構(gòu)的研究只是局限于定性，大孔隙空間分布規(guī)律如何定量描述方面還沒有涉及，其次對大孔隙參數(shù)定量分析不夠深入，仍僅是大孔隙度、數(shù)量和直徑等參數(shù)的初步統(tǒng)計分析，研究成果未成體系。

綜上所述，本文在已有豐富的研究成果基礎上，采用圖像0.32 mm分辨率的高精度CT掃描機，故將識別到等效直徑大于0.32 mm的孔隙定義為大孔隙。通過對CT圖像進行二值化和大孔隙參數(shù)提取，以細觀角度定量分析大孔隙特征和分布規(guī)律，從而為水分沿其快速下滲研究提供可靠理論依據(jù)，這對于強降雨型碎石土邊坡失穩(wěn)的研究、揭示發(fā)生機理具有重要的意義。

1 取樣與研究方法

1.1 原狀土取樣

選取福建安溪某地碎石土邊坡作為取樣地點，在該試驗區(qū)選擇兩個距離5 m左右的區(qū)域分別挖取相同深度的土樣作為A和B，圖1為原狀土取樣圖。為保護原狀土的完整孔隙結(jié)構(gòu)，本文采取從四周豎直向內(nèi)開挖的方式進行取樣。具體取樣過程如下：用量尺劃定一個大約半徑為50 cm的圓形區(qū)域，由周邊向圓心方向依次進行垂直人工開挖，開挖過程中確保中間半徑20 cm的土體不受擾動，再將土柱修剪成尺寸半徑為20 cm，高為30 cm的圓柱體。最后，將在現(xiàn)場燒融的石蠟澆注在土柱周圍，對其進行蠟封，再用保鮮薄膜將蠟封的土柱進行密封，小心裝入特制好的土柱模型中，用法蘭盤固定好，示意圖見圖2。

(a) 土樣A (b) 土樣B

圖2 土柱模型裝置示意圖

1.2 土樣的基本物理力學性質(zhì)

試驗所取土樣為崩坡積的典型碎石土，其天然狀態(tài)下的物理指標及顆粒級配曲線見圖3和表1。由圖3可知現(xiàn)場取回土樣的不均勻系數(shù)Cu分別為26.47和25.01，說明土樣中的顆粒級配懸殊、差異大，顆粒級配曲線的曲率系數(shù)Cc為0.60和0.52，級配較差。

表1 天然狀態(tài)碎石土的基本物理指標

圖3 天然狀態(tài)碎石土的顆粒級配曲線

1.3 CT掃描過程

本文選用Revolution 256排512層超高端螺旋CT掃描機是美國GE公司耗時7年研制的尖端產(chǎn)品，如圖4所示。將土柱試樣居中放置掃描架，掃描儀器參數(shù)調(diào)試完成后，將相鄰兩CT切片的實際距離設置為0.625 mm，對整個土柱“自上而下”進行360度全方位掃描，每個土樣掃描共得到480個切片圖像，得到CT掃描值范圍-1 024 HU～3 071 HU。

圖4 CT掃描儀

1.4 CT圖像二值化處理

本文將在已有二值化處理研究的基礎上對操作步驟進行優(yōu)化：先將切片的CT值分割為-1 024 HU～-500 HU，-500 HU～1 300 HU，1 300 HU～3 071 HU三個等級范圍，并分別賦予其不同的顏色，綠色部分代表碎石，黃色部分代表土壤基質(zhì)和根系，黑色部分代表孔隙，見圖5(a)，通過圖像處理軟件對賦予顏色的CT圖像進行統(tǒng)一裁剪，裁去滲流區(qū)域以外的CT圖像，見圖5(b)，再通過Python軟件中執(zhí)行灰度圖像處理命令自動生成最佳閾值的灰度圖，繼續(xù)執(zhí)行二值化命令，輸出二值化圖像，圖像中黑色為土體中的大孔隙，白色為碎石、土壤基質(zhì)等結(jié)構(gòu)，見圖5(c)。CT掃描成像過程中，由于土體結(jié)構(gòu)對X射線存在吸收作用，使得CT圖像出現(xiàn)不可避免的噪點，最后通過圖像處理軟件Image-Pro-Plus 6.0對二值化的圖片進行濾鏡降噪處理，得到完整的二值化圖像見圖5(d)。

圖5 CT圖像二值化過程

1.5 大孔隙參數(shù)的提取

通過Image J軟件灰度識別功能，精確提取二值化處理后CT圖像的大孔隙形狀特征，再運用顆粒分析功能對大孔隙面積、周長、尺寸等形狀參數(shù)進行定量化分析；其中大孔隙尺寸包括費雷特直徑(Feret)、最大費雷特直徑、最小費雷特直徑、等效面積圓直徑等。由于以上幾何參數(shù)是通過軟件直接從圖像分析獲取的，因此被稱之為基本幾何尺寸參數(shù)[14-16]，相關參數(shù)示意圖如圖6所示，已有研究表明這幾個參數(shù)可以客觀表征大孔隙的空間分布規(guī)律[14-18]，本文將這種方法遷移到碎石土大孔隙研究中，進一步分析了大孔隙的形狀參數(shù)，如扁平度、成圓率、整體輪廓系數(shù)和圓度。

圖6 大孔隙幾何參數(shù)示意圖

扁平度(Aspect Ratio，AR)表征大孔隙的狹長程度，其定義為最大Feret直徑與最小Feret直徑的比值，計算公式如下：

(1)

式中：AR為扁平度；L為該大孔隙單元的最大Feret直徑，mm；B為該大孔隙單元的最小Feret直徑，mm。

成圓率(Form Factor，F(xiàn)F)表征大孔隙形狀接近于圓的程度，即大孔隙形狀越接近于圓形，其數(shù)值越趨近于1，反之，表示大孔隙形狀越不規(guī)則，計算公式如下：

(2)

式中：FF為成圓率；A為大孔隙面積，mm2；P為大孔隙周長，mm。

整體輪廓系數(shù)(Convexity)表征大孔隙棱角突出程度和輪廓粗糙變化程度，定義為等效面積圓的周長與孔隙周長的比值，計算公式如下：

(3)

式中：Con為整體輪廓系數(shù)；D為等效直徑，mm；P為大孔隙周長，mm。

2 結(jié)果分析

2.1 大孔隙分布特征

2.1.1 大孔隙度隨深度變化趨勢分析

大孔隙度是CT圖像中各大孔隙面積占CT圖像總面積的百分數(shù)，其確定方法是計算二值化處理后的黑色像素區(qū)域面積和完整圖像像素面積，二者之比可得到該CT切片的大孔隙度，其中黑色像素代表大孔隙。由于CT掃描過程時將切片間距設置為0.625 mm，共得到480張切片圖像。若統(tǒng)一處理分析，工作量十分冗雜，為了提高工作效率，每隔10張?zhí)崛∫粡埱衅瑘D像進行統(tǒng)計分析，即層間距為6.25 mm。對垂直深度方向下大孔隙度的變化趨勢進行統(tǒng)計學分析，得到大孔隙度隨深度方向的變化趨勢，見圖7。從圖中可以看出，兩個試樣在不同深度處大孔隙度變化范圍介于11.9%～33.8%之間，大孔隙度隨著深度先增加，到深度180 mm后開始逐漸減小的趨勢，均是位于較淺的土樣大孔隙度大于位于較深位置的大孔隙度，并且兩個土樣在同一深度處的大孔隙度也是較為接近的。

2.1.2 不同孔徑級別的大孔隙數(shù)量分析

為研究不同孔徑大孔隙在垂直深度方向上的分布情況，本文從兩個土樣中各選擇10張CT切片圖像，分別進行處理、計算和統(tǒng)計。通過Image J軟件對大孔隙數(shù)量按孔隙尺寸將其分為不同的孔隙等級進行統(tǒng)計。計算結(jié)果顯示土樣A和土樣B的大孔隙等效直徑上限值分別為23.21 mm和25.67 mm。在已有研究基礎上，本文將大孔隙按等效直徑大小劃分為8個級別，即：0.32 mm～2 mm(1級)，2 mm～5 mm(2級)，5 mm～8 mm(3級)，8 mm～11 mm(4級)，11 mm～14 mm(5級)，14 mm～17 mm(6級)，17 mm～20 mm(7級)和大于20 mm(8級)。

圖7 大孔隙隨深度方向上變化趨勢圖

圖8為不同孔徑級別大孔隙數(shù)量占總數(shù)比值及累計占比曲線圖。

圖8 不同孔徑級別大孔隙數(shù)量分布及累計曲線占比圖

從圖8中可以看出大孔隙數(shù)量占比主要集中在第1—第3孔徑級別，且兩個土樣在第1—第3孔徑級別中大孔隙數(shù)量占該總數(shù)量比重分別為73.11%和75.65%，可以得出碎石土中有75%左右以上大孔隙直徑在0.32 mm～8.00 mm范圍內(nèi)。隨著深度的增加，第4—第6孔徑級別的大孔隙數(shù)量比重明顯高于表層，達到一定深度后，其大孔隙數(shù)量比重也越來越少。與以往研究結(jié)果相比，植物根系腐爛和干濕循環(huán)等因素引起的孔徑大都是小于1 mm，動物活動引起的孔徑在2 mm～4 mm范圍內(nèi)[19]，由此可見，表層碎石土的大孔隙主要是由于植物根系腐爛、干濕循環(huán)等因素造成的，而顆粒粒徑相差懸殊是造成孔隙大于8 mm的主要原因。

2.2 大孔隙形狀特征分析

對兩個土樣的各10張CT切片圖像二值化處理并進行計數(shù)統(tǒng)計后，對各CT切片中各大孔隙形狀參數(shù)的平均值進行了計算：圓度、成圓率、整體輪廓系數(shù)和扁平度，并分析各參數(shù)在垂直深度上的分布趨勢。

從圖9可以看出圓度、成圓率、整體輪廓系數(shù)在深度0 mm～90 mm范圍內(nèi)隨深度增加，其平均值無明顯變化；當深度超過90 mm左右時，圓度和成圓率均隨著深度增加有輕微降低趨勢，到深度大于210 mm左右后，圓度和成圓率逐漸恢復為淺層深度的變化規(guī)律。同一試驗區(qū)距離相近的兩個土樣在同一深度上的形狀參數(shù)差別不大，沿垂向深度的變化趨勢也基本一致。

圖9 各大孔隙形狀參數(shù)平均值隨深度變化趨勢圖

2.2.1 扁平度分析

圖10為大孔隙扁平度隨深度變化趨勢圖。從圖可知，兩個土樣的大孔隙扁平度在深度0 mm～90 mm范圍內(nèi)變化不大，但超過90 mm左右后發(fā)生較為明顯波動，呈現(xiàn)增加的趨勢；在深度180 mm后，扁平度又逐漸減小趨于穩(wěn)定。認真對比90 mm～180 mm范圍的CT圖像，如圖11所示，可見該范圍內(nèi)切片圖像的大孔隙形狀呈狹長且不規(guī)則，故扁平度大于其它區(qū)域。

圖10 大孔隙扁平度隨深度變化趨勢圖

圖11 A#z=120 mm和B#z=150 mm的二值化圖像

2.2.2 圓度分析

為探究土樣淺層與深層大孔隙形態(tài)的差異性，故選擇深度為60 mm和210 mm處切片圖像，分別對兩個土樣進行大孔隙圓度統(tǒng)計分析。結(jié)果表明，圓度均介于0.07～1.00范圍內(nèi)。為此，以0.1為一個級別，將圓度劃分10個等級，對每個圓度等級的大孔隙數(shù)量進行統(tǒng)計分析。圖12為圓度分布圖，在不考慮0.9～1.0之間形態(tài)分布的情況下，其余大孔隙均服從正態(tài)分布，并且期望值均為0.6左右。對比淺、深層的切片圖像可以看出，深層切片圖像的大孔隙在0.2～0.4級別的頻數(shù)明顯大于淺層切片，這表明深層土體的大孔隙形態(tài)比淺層的更復雜，大孔隙形狀呈狹長且不規(guī)則。

2.2.3 成圓率分析

在得知土樣深度對大孔隙成圓率無顯著影響后，為探究不同深度處碎石土大孔隙成圓率與孔隙直徑的關系，在上文的基礎上統(tǒng)計不同孔徑級別(與2.1.2節(jié)大孔隙直徑級別劃分相同)的平均成圓率，統(tǒng)計結(jié)果見圖13。從圖中可知，大孔隙直徑對成圓率有顯著影響，且隨著大孔隙直徑的增大，其成圓率呈線性降低，即孔徑越大，其成圓率越小，大孔隙形狀愈不規(guī)則。為此在圖13基礎上，利用一次函數(shù)y=ax+b進行擬合，進一步探究大孔隙直徑與成圓率的關系。根據(jù)擬合結(jié)果可知，兩個土樣的大孔隙直徑與成圓率之間的平均相關性均大于0.9，各土樣不同深度的大孔隙成圓率與孔徑級別的擬合函數(shù)較為相似，表明碎石土的大孔隙成圓率與孔徑級別之間存在一定的線性關系。

圖12 圓度分布圖

圖13 不同孔徑級別大孔隙成圓率變化趨勢圖

2.2.4 整體輪廓系數(shù)分析

圖14為不同孔徑級別孔隙整體輪廓系數(shù)變化趨勢圖。對兩個土樣各10張CT切片圖像上的大孔隙整體輪廓系數(shù)按不同孔徑級別(與2.1.2節(jié)大孔隙直徑級別劃分相同)進行統(tǒng)計計算，并求出各孔徑級別大孔隙整體輪廓系數(shù)的平均值。由圖可知，兩個土樣均整體表現(xiàn)出大孔隙整體輪廓系數(shù)隨著孔徑級別增大而逐漸減小的趨勢，這表明大孔隙的等效直徑越大，整體輪廓系數(shù)越小，其輪廓的凹凸程度越明顯。另外，在總體變化趨勢表現(xiàn)平滑情況下，而深度240 mm和270 mm處切片的大孔隙整體輪廓系數(shù)受孔徑級別影響的變化趨勢波動程度較大，主要是由于這兩處的大孔隙數(shù)量相對來說較少，導致其統(tǒng)計分析離散性也較大。

圖14 不同孔徑級別孔隙整體輪廓系數(shù)變化趨勢圖

3 結(jié) 論

(1) 碎石土大孔隙具有分布離散性大、結(jié)構(gòu)差異性明顯、形狀不規(guī)則等特點。

(2) 碎石土在不同垂向深度處大孔隙有明顯差異，大孔隙度變化范圍介于11.9%～33.8%之間，大孔隙度隨著深度先增加后減小的趨勢，位于淺層的土樣大孔隙度大于深層位置的土樣大孔隙度。

(3) 碎石土樣中約有75%以上大孔隙直徑在0.32 mm～8.00 mm范圍內(nèi)，孔徑越大，其孔隙數(shù)量越少。土樣中部大孔徑級別的孔隙數(shù)量明顯高于表層，通過對比已有研究成果，表層碎石土的大孔隙主要是由于植物根系腐爛、干濕循環(huán)等因素造成，而顆粒粒徑相關懸殊形成大孔隙骨架，經(jīng)滲流作用后連成貫通通道是造成孔隙大于8 mm的主要原因。

(4) 大孔隙直徑對成圓率影響較為明顯。大孔隙直徑與成圓率之間的平均相關性均大于0.9，碎石土的大孔隙成圓率與孔徑級別之間存在一定的線性關系，即大孔隙直徑越大，孔隙成圓率越低。

(5) 碎石土大孔隙的等效直徑越大，整體輪廓系數(shù)越小，其輪廓的凹凸程度越明顯。同一試驗區(qū)距離相近的兩個土樣在同一深度上的形狀參數(shù)差別不大，沿垂向深度的變化趨勢也基本一致。