膨胀土干湿循环裂隙分形研究.docx

膨胀土干湿循环裂隙分形研究【摘要】依据分形理论利用Matlab软件基于灰度编制程序对膨胀土的干湿循环裂隙图像进行分形研究。结合盒维数理论对多次往复干湿循环效应下试样表面裂隙发育规律进行量化分析。结果表明：膨胀土干湿循环裂隙具有良好的统计自相似性且裂隙发育程度与试样表面分形维数值相关性较好为膨胀土干湿循环裂隙的定量化分析提供了有效手段。随干湿循环次数增多土体内吸力值改变土表裂隙网络逐步发育连通导致土体内部拉应力大于抗拉强度值时土体进一步开裂。本研究揭示了膨胀土干湿循环裂隙的结构形态及演化趋势随干湿循环次数的变化规律实验结果可以简化裂隙量测方法利用裂隙图像的分形维数值计算表征土体裂隙发育程度推进了现阶段对于干缩裂隙的定量化描述及数值模拟研究。相关结论进一步深化了非饱和膨胀土裂隙发育与工程地质性质相关关系研究对于膨胀土分布地区滑坡灾害防治具有重要研究意义。【关键词】膨胀土干湿循环裂隙分形维数1前言膨胀土由亲水性强的蒙脱石、伊利石等矿物组分组成具有裂隙性、强胀缩性以及强度衰减性三大特性[]。膨胀土是一种具有特殊工程地质性质的高塑性黏土对环境湿度变化敏感随土体含水量变化产生剧烈的湿胀干缩变形。其力学性质受含水量及基质吸力等因素影响强烈反复胀缩变形导致土体产生初始裂隙后破坏了土体结构完整性且加剧了含水率变化速率促使外界环境对土体强度影响更显著。由于膨胀土具有裂隙性[]膨胀土分布地区多见滑坡地质灾害产生。干湿循环裂隙网络定量化分析是裂隙研究的重要内容对于土体的预测细观裂隙网络发育及演化规律、工程性质、预防裂隙发育造成的滑坡等地质灾害问题有重要意义。此外通过定量化分析裂隙网络的几何参数等指标能更直观地了解膨胀土的胀缩机理从而为建立相关膨胀土湿胀干缩变形理论模型时参数的选定提供参考依据。数字图像处理技术能精确、便捷的提取干湿循环裂隙轮廓线具有不失真、自动化、高精度等优点。因此膨胀土干湿循环效应下裂隙的结构形态及演化规律研究对于揭示滑坡破坏机理具有重要意义。目前国内外学者已对膨胀土干缩裂隙进行了大量尝试。Inoue[]对试样横截面及裂隙交点数量进行了统计并以此估算单条裂隙长度。Venkataramana[]利用光学显微镜对细观裂隙进行观察提取图像中裂隙宽度值并总结裂隙宽度计算经验公式。徐彬[]崔[]等对于膨胀土的物理力学性质进行了大量试验研究。张家俊等[]定量研究了裂隙自身发育演化规律并以二维裂隙度等裂隙几何形态参数作为量化指标。然而以上研究中鲜有基于分形维数值的膨胀土在干湿循环效应下的裂隙演化规律研究。为此本文借助Matlab编程软件以盒维数理论为基础编制程序对干湿循环裂隙图像进行分形分析研究分形维数值随干湿循环次数的变化规律对两者之间的相关性进行定量化分析。2研究方法2.1试样备制本试验所用原状膨胀土样取自广西地区某边坡埋深2～3米其基本物性指标见表1。2.2试验方法干湿循环试验增湿过程采用喷雾器淋滤脱湿过程采用烘箱控制温度为40℃烘干试样。根据取土现场测得原状膨胀土天然含水率分布数据确定干湿循环的含水率变化幅度为15%～25%如图1所示。增湿至含水率达到循环幅度最大值时将试样密封养护24h将完成养护的试样放入烘箱恒温脱湿值含水率降至15%取出土样密封养护24h完成1个干湿循环周期。在干湿循环试验中每次达到含水率极值点时对土样进行数码成像用于裂隙图像的进一步分形研究。2.3分形计算原理由于膨胀土的干湿循环裂隙网络形态具有统计自相似的分形结构[]如图2所示。因此可利用盒维数理论在Matlab软件中编制程序计算裂隙图像的分形维数值。如表2所示为安康膨胀土所取8处代表性裂隙网络测点的分形维数值对应相关系数值较高。表2数据说明膨胀土的裂隙网络机构形态具有良好的分形统计特征。将裂隙图像二值化后存储方式是以每个像素点的灰度值组成的一个灰度矩阵。通过Matlab读入灰度图像的灰度矩阵是由0和1组成的矩阵0代表该像素点为黑色即为裂隙1代表白色即为土体。盒维法的本质即为用不同大小的盒子去覆盖图片计算覆盖区域中含有目标像素的盒子总数并将盒子的尺度与盒子的数目求双对数曲线的斜率以上即为盒维数法原理如图3所示。图3网状裂隙分形模型Fig.3Thefractalmodelofnetworkfissure根据式（1）计算膨胀土干湿循环裂隙图像的分形维D。（1）式中：ε――像素边长本试样中ε=1；D――分形维数值；N（ε）――黑色像素个数。运用Matlab编制程序对裂隙图像二值化并统计黑色像素数量并根据盒维数法原理通过式（1）