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第 34 卷 第 1 期 岩 土 工 程 学 报 Vol.34 No.1 2012 年 .1 月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Jan. 2012 基于数字图像的大型堆积体细观力学特性及 力学参数研究 徐安权 1，2，徐卫亚1，2，石 崇1，2，李德亮1，2 1. 河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点试验室，江苏 南京 210098；2. 河海大学岩土工程科学研究所，江苏 南京 210098 摘 要大型堆积体常见于西南水电工程中，其力学性质极其复杂，需从细观结构上对其加以研究，才能从本质上揭 示其力学特性及变形破坏的特征和规律。将数字图像处理技术DIPT应用到堆积体的数值模拟中，自行开发了 Photo-To-FLAC3D PTF自动建模程序，可实现对堆积体图像的分析处理、信息获取并自动生成细观模型文件的全过程， 为堆积体力学行为的模拟提供了新的建模方法。以澜沧江古水水电站堆积体边坡为例，对实拍数码照片采用 PTF 实现 其细观模型快速、准确的建立，运用三轴数值模拟试验对其力学特性及力学参数进行分析和研究。研究表明，堆积体 变形表现出明显的“欺软怕硬”特性，受力表现出“贯穿带”的特性。提出随机统计分析法对堆积体力学参数进行研 究，通过随机选取多组现场照片进行分析，由统计分析得出的力学参数与实际工程物理实验的参数非常接近，说明该 力学参数研究方法的可信性，为堆积体力学参数的选取提供了一条新的路径和依据，是大型原位试验的有益补充。 关键词堆积体；数字图像处理；细观模型；力学特性；力学参数 中图分类号TU432 文献标识码A 文章编号1000–4548201201–0058–07 作者简介徐安权1986– ，男，江苏大丰人，硕士，主要从事岩石力学与工程方面的研究工作。E-mail anquanxu。 Micromechanical properties and mechanical parameters of talus deposit based on digital image technology XU An-quan1, 2 , XU Wei-ya 1, 2, SHI Chong1, 2, LI De-liang1, 2 1. Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2. Institute of Geotechnical Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China Abstract Talus deposit is often seen in hydropower projects in the southwest of China. Its mechanical properties are so complex that the microstructural study is often used to reveal the essence of its deation and damage. The digital image processing technology DIPT is introduced to the simulation of talus deposits. Based on the study of DIPT, a Photo-To-FLAC3D PTF auto-modeling program is developed. It is able to realize the whole process analyzing and processing the digital images, acquiring the ination and establishing the micro-model files. A new modeling is developed for the mechanical behaviors of talus deposits. As an example, some talus deposit data of Gushui Hydropower Station are used. A micro-model for the talus deposit is established fast and correctly by means of the PTF from the field digital photo. The mechanical properties and parameters are studied by the numerical simulation of triaxial tests. The results show that the talus deposit has the feature of “bully” in deation while that of “Unicom band” under force. A random statistical analysis for the mechanical parameters is proposed by selecting field multiple photos. The mechanical parameters based on the statistical analysis are very close to those of experiments in the actual engineering, indicating that the new of acquiring mechanical parameters is credible. A new way is opened up for selecting the mechanical parameters of talus deposits, which provides a useful supplement for large-scale field tests. Key words talus deposit; digital image technology; micro-model; mechanical property; mechanical parameter 0 引 言 堆积体广泛分布于中国西部地区，是水电工程领 域常见的不良地质体，其力学机理、参数确定是岩土 ─────── 基金项目国家自然科学基金项目（50911130366） ；新教师资助基金 项目（20090094120017） 收稿日期2010–12–13 第 1 期 徐安权，等. 基于数字图像的大型堆积体细观力学特性及力学参数研究 59 工程中的难点。以其为介质的边坡、洞室等水工建筑 物稳定性差、危害巨大，应对其深入研究。作为一种 有别于岩体与土体的复杂地质材料， 堆积体主要特点 ①堆积体可看作由“二元介质”组成，即软弱的砂土 和坚硬的块石，砂土为基质，块石为填充物，其力学 特性、强度参数与堆积体结构组成密切相关；②不同 粒径的块石分布具有强烈的不均匀性和随机性，任何 试样的代表性都有限，相应数值计算的模型存在巨大 困难。 近年来，对堆积体的研究主要集中在现场实验和 数值模拟两方面[1-3]。通过研究可以发现，堆积体的力 学性质极其复杂，受物质组成、结构分布、含石量、 粒径大小、排列方式等因素的影响，需从细观结构上 加以研究，才能从本质上揭示其力学特性和变形破坏 的特征和规律。传统的物理实验和随机模拟模型都难 以对堆积体的细观结构特征进行描述，因此研究存在 很大的制约性。 数字图像处理技术[4-8]在岩土工程领域的广泛应 用使得对堆积体细观结构的研究成为可能。Yue 等[9] 利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；Lebourg 等[10]基于数字图像处理技 术对冰水堆积物中块体的大小和形状进行了研究； Reid 等[11]运用数字图像技术检测岩石表面的非连续 裂纹。 然而，以往对堆积体的力学特性和力学参数仍缺 乏深入的研究，特别是堆积体力学参数的获取方法十 分有限，针对上述问题，本文采用数字图像处理技术 对堆积体的细观力学特性和力学参数进行研究，自行 开发了 Photo-To-FLAC3D PTF自动建模程序， 为堆积 体力学行为的模拟提供了新的建模方法。以澜沧江古 水水电站堆积体边坡为例，对实拍的现场数码照片采 用 PTF 建立其细观数值模型， 运用三轴数值模拟试验 对其力学特性及力学参数进行分析和研究。提出力学 参数估算的随机统计分析法，为堆积体力学参数的选 取开辟了一条新的路径和依据。 1 “概念模型”的建立 1.1 数字图像处理技术 数字图像处理是指将图像信号转换为数字信号， 并利用计算机对其进行处理的过程。数字图像由一个 个像素点构成， 在 Matlab 中以一个三维矩阵对其信息 进行存储， 离散函数 , , f i j k即可实现对图像矩阵信 息的任意提取， 其中 , i j代表像素点在该图像对应像 素点矩阵中的行、列号，k代表通道信息，彩色图像 3k ，分别代表 R，G，B 通道。基于此，即可实现 对图像信息的处理，通过输入 ,,1Rf 即可获取图 像的 R 通道信息，R 通道信息以一个二维矩阵进行存 储，可以用式（1）表示， 1,1 1,2 1, 2,1 2,2 2, , ,1 ,2 , RRRM RRRM R i j R NR NR N M          ， 1 其中任一值的范围为[0～255]。常用的颜色空间 很多，如 RGB、CMYK、HSI、HSV、HSL 等。其中， HSI 色彩空间是用色调Hue、色饱和度Saturation和 亮度Intensity来描述色彩。HSI 对于人的视觉特性较 RGB 的优越性使之经常被用于人的视觉系统。 在图像 处理和计算机视觉中也经常采用 HSI 色彩空间，这大 大简化了图像分析和处理的工作量[12]。 HSI 色彩空间和 RGB 色彩空间只是同一物理量 的不同表示法，因而它们之间存在着转换关系。按照 关系式 （2） 可将 RGB 色彩空间转化为 HSI 色彩空间。 3 RGB I   ， 2 2 2 2 arccos 2 2 2πarccos 2 RGB RGRB GB BG H RGB RGRB GB BG                 ，3 3 min ,, 1 R G B S RGB     ， 4 式中，min , , R G B表示每个像素中R，G，B的最小 值，式（3）要求满足,RG RB。 1.2 数字图像预处理 堆积体数码照片通常摄于野外，其成像质量受环 境、相机等各种因素的制约，结果往往不尽如人意， 所拍得的二元介质差异不明显，图像噪声较大，这也 为后期的数字图像处理带来麻烦。因此，有必要先对 数码照片进行预处理。 通常采用PhotoShop等图像软件对图像进行去噪 处理，增加图像的亮度和对比度，以提高堆积体二元 介质的差异，这样在对堆积体进行数字图像结构建模 时更容易设定二元介质的阈值，建立的细观结构模型 也就更加真实可靠。 1.3 概念模型的建立 堆积体概念模型的建立过程实际上就是图像数字 信息向细观结构建模信息的转换过程。由数字图像获 取的图像信息，经数字图像处理系统处理后可获取堆 积体二元介质的相关信息并输出， 再利用Fortran语言 60 岩 土 工 程 学 报 2012 年 编制相关接口程序，实现二元介质信息到CAD以及 FLAC3D信息的转换。整个信息的获取与转换过程构 成了数字图像处理技术建模的核心。堆积体数字图像 处理技术细观结构建模流程图如图1所示。 图 1 堆积体数字图像处理技术结构建模流程图 Fig. 1 Flow chart of structural modeling for talus deposits based .on digital image processing technology 根据以上流程图，基于MATLAB7.0平台[13]开发 了PTF自动建模程序。 该程序可实现对堆积体数字图 像的分析处理、信息获取并最终建立概念模型的全过 程。 通过现场实拍的数码照片， 采用PTF实现其细观 结构概念模型快速准确的建立，如图2所示。 图 2 堆积体 PTF 自动建模程序处理过程 Fig. 2 Process of PTF auto-modeling program 2 细观特征研究 堆积体细观结构的复杂性决定了其力学性质的复 杂性，因此有必要对其细观结构特征加以研究，探求 其细观结构上的规律性。 堆积体概念模型建立之后，其相应的信息矩阵可 以作为细观结构特征研究的基础。通过编制相应的石 块信息搜索算法，即可实现对石块信息的准确快速搜 索并对此进行统计分析。 图3给出了堆积体石块信息搜索算法流程图。 图 3 堆积体石块信息搜索算法流程图 Fig. 3 Flow chart of search algorithm for rock ination 2.1 含石量 根据上述获取的石块细观信息，将石块像素点数 （白色区域）除以图像总像素点数即为该图像的含石 量。搜索得石块像素点数为13611，图像大小为200 200，可得该图像的含石量为34。 2.2 石块大小分布 根据搜索算法可获得每一石块的大小信息，以石 块像素点数表征石块大小。为消除因图像噪声等产生 的误差，设置阈值指标t以辨别石块真伪。若石块大 小小于t，则认为石块信息不可信，舍弃；反之则认 为石块信息可信。对石块按从小到大进行排序，以石 块个数为横坐标，石块大小为纵坐标可绘制出石块大 小分布的离散点图，如图4所示。 图 4 石块大小分布的离散点图 Fig. 4 Discrete points of size distribution for rock 第 1 期 徐安权，等. 基于数字图像的大型堆积体细观力学特性及力学参数研究 61 将石块大小信息按区间进行统计分析，结果可由 PTF程序直接给出，如表1所示。 表 1 石块区间大小信息统计分析结果 Table 1 Statistical results of interval size ination for rock 石块大小区间 石块数/个 石块大小 所占比例/ 0～100 58 3551 26.1 100～200 17 2673 19.6 200～300 11 2955 21.7 300～600 10 4432 32.6 由统计分析可知，石块区间分布比较均匀。 3 几何矢量化 以上堆积体概念模型尚不能直接用于数值计算， 需对其数据格式和建模比例进行转换。其几何矢量化 实现过程如图5所示。 图 5 几何矢量化实现过程 Fig. 5 Process of geometric vectoring 3.1 数据格式转换 编制接口程序，将记录堆积体信息的文档导入 CAD，再将CAD数据转为FLAC3D可接受的格式， 继而导入建模，由此完成从概念模型到数值模拟模型 的转换。该过程亦可实现对堆积体模型的人工修改， 若数字图像处理部分有些许瑕疵，可在CAD中进行 人工修改再导入建模。 3.2 建模比例转换 从概念模型到数值模型的转换过程中，将像素尺 寸按比例转换为模型的实际尺寸，其转换比例为 L S N  ， 5 式中，S代表每一像素点所代表的实际尺寸，L代表 图像在横向或纵向上的实际尺寸，N代表图像在横向 或纵向上的像素点数目[14]。 对于图2中的堆积体， 其实际尺寸为100 cm100 cm，像素尺寸为200200，0.50S  cm/像素，在转 换过程中，直接乘以S即可转换为实际尺寸下的数值 模型。 4 力学特性研究 4.1 模型的建立 以FLAC3D为平台，采用三轴数值模拟试验进行 堆积体力学特性研究。 模型尺寸为1.00 m1.00 m0.005 m，共有 40000个单元，其中土体单元数为26389个，石块单 元数为13611个，网格单元大小为0.005 m0.005 m 0.005 m。 图6给出由堆积体现场照片建立的数值模 拟网格模型。 图 6 堆积体概念模型和数值模拟网格模型 Fig. 6 Conceptual model and numerical simulation grid model 4.2 模型参数选取 澜沧江古水水电站堆积体基质由砂土、 粉土构成， 充填块石、碎石成分，充填物为变质砂岩、板岩。本 构模型采用莫尔–库仑模型，土体和砾石的物理力学 参数如表2所示。 表 2 堆积体岩土力学参数 Table 2 Geotechnical parameters of talus deposit 名称 3 /t m    K /GPa G /GPa c /kPa  / t  /MPa 土体1.9 0.0350.014 30.0 160.09 砾石2.7 24 13 120.0 452 4.3 试验步骤 堆积体三轴数值模拟试验的具体步骤[15]如下 （1）选取“试件”的一个方向作为轴压方向，其 他方向作为围压方向，施加约束条件。 （2） 保持加载速度不变， 直至 “试件” 屈服破坏， 记录轴压方向和侧压方向多个测点的应力和位移值并 绘制轴压方向的应力–位移关系曲线。 （3）对同一“试件” ，改变施加的围压（侧向压 力）大小，重复步骤2，以3次模拟试验为一组。 （4）数据处理，绘制应力–位移关系曲线上的 “屈服点” 对应的主应力莫尔圆， 求取抗剪强度参数。 4.4 试验结果分析 图7给出了某一围压作用下轴压方向的应力–位 移关系曲线图。 根据数值模拟的试验结果，揭示堆积体变形特性 如下 （1）堆积体表现出明显的“欺软怕硬”特性，加 62 岩 土 工 程 学 报 2012年 载初期，砾石只作为传递外力给土体的载体，土体承 担了绝大多数变形，直至发生屈服；随后砾石发生变 形，两者相互挤压、咬合，共同承受外力作用，直至 整体发生屈服、 破坏。 因此加载初期存在一段压密段。 图 7 轴压方向的应力–位移关系曲线图 Fig. 7 Curve of stress-displacement relationship in axial direction （2）由于砾石与土体的相互挤压、咬合，对应力 应变曲线的形态有重要影响，导致该曲线会出现两次 以上的爬升。 图8给出了x方向和z方向的位移图。 图 8 x, z 方向位移图 Fig. 8 Charts of displacement in directions of x, z 轴压方向即z方向的位移图呈层状分布，由上而 下位移值逐渐减小，说明堆积体轴压方向的位移受石 块影响较小。 x方向的位移图表明堆积体侧向位移受石块影响 较为明显，石块和土体的位移呈现错动状态，这与实 际受力运动状态相符。 图9给出了三轴压缩的大、小主应力图。 图 9 大、小主应力图 Fig. 9 Charts of major and minor principal stresses 从大、小主应力图中我们可以明显的看出，受石 块分布的影响，应力图形成一条条随石块分布的“贯 穿带” ， 贯穿带内石块与土体共同受力， 贯穿带外土体 则受力较小。 上述应力图揭示了石块分布对堆积体应力分布的 影响，堆积体的应力分布与其石块分布具有高度的一 致性。基于这一发现，通过勘探等手段获取了堆积体 中石块分布的规律后，即可无须计算从而定性的对堆 积体中应力分布规律做出描述，这一发现对于研究堆 积体力学特性很有意义。 5 力学参数研究 依上述试验步骤， 求取抗剪强度参数。 图10为根 据堆积体三轴数值模拟试验输出的主应力求取堆积体 抗剪强度参数的示意图。 图 10 抗剪强度参数的求取 Fig. 10 Calculation of shear strength parameters 针对前述堆积体， 选取20组现场照片， 采用上述 方法进行了20组共60次三轴模拟试验，每组试验围 压分别采用200，400，600 kPa，采用如图10所用方 法计算单组试验的强度参数，汇总如表3所示。 表 3 三轴数值模拟试验抗剪强度参数 Table 3 Shear strength parameters by numerical simulation of .triaxial tests 编号 c/kPa / 编号 c/kPa / 1 57.2 29.3 11 36.3 26.2 2 47.5 34.6 12 62.5 32.6 3 72.3 31.4 13 57.2 36.5 4 68.8 27.1 14 52.8 32.4 5 87.3 31.4 15 53.4 28.3 6 56.4 24.5 16 48.4 33.7 7 77.2 39.3 17 75.3 34.2 8 64.7 26.7 18 63.7 41.6 9 42.2 38.2 19 84.2 36.8 10 58.4 31.9 20 67.1 35.4 对20组抗剪强度参数进行分析， 得到其统计特征 值如表4所示。 根据澜沧江省古水水电站可行性研究阶段工程资 料可知，该堆积体共做室内物理力学性状试验23组， 第1期 徐安权，等. 基于数字图像的大型堆积体细观力学特性及力学参数研究 63 平均内摩擦角为29.2，平均黏聚力为49.0 kPa[16]。 表 4 抗剪强度参数统计特征值 Table 4 Statistical characteristics of shear strength parameters 参数名称 最大值 最小值 均值 标准差 c/kPa 87.3 36.3 61.6 13.4 / 41.6 24.5 32.6 4.6 数值试验与室内试验对比如表5所示， 结果发现 数值试验成果比室内试验成果黏聚力偏高25.7，内 摩擦角偏高11.6，这是因为室内试验受试验条件所 限， 需剔除块度较大的砾石， 导致实际测得参数略低。 上述分析表明基于数字图像的堆积体建模及力学参数 选取方法是可信的。 在堆积体区域内， 其空间结构近似服从正态分布， 对数值试验的抗剪强度参数c和进行 2 分布假设 检验。 结果表明c和均接受服从正态分布 , N c分 布的假设，且可信程度较高，c和具体取值如表5 所示。 表 5 本文数值试验与工程物理试验所得参数对比 Table 5 Comparative analysis of parameters from numerical simulation and physical experiments 参数名称 室内试验 数值试验 绝对误差 相对误差/ c/kPa 49.0 61.6 12.6 25.7 / 29.2 32.6 3.4 11.6 黏结力与摩擦角直方图以及拟合正态分布曲线如 图11所示。 图 11 黏结力与摩擦角直方图以及拟合正态分布曲线 Fig. 11 Histogram and fitted normal distribution curves for bond ..strength and friction angle 6 结 论 利用数字图像处理技术建立堆积体二元介质细观 结构模型，并运用有限差分法研究其力学特性和力学 参数，得到结论如下 （1）传统的现场实验和随机模拟手段研究堆积 体存在很大的局限性。数字图像处理技术可实现堆积 体细观结构模型快速、准确的建立。本文基于 MATLAB平台自行开发了Photo-To-FLAC3D（PTF） 自动建模程序，该程序可实现对堆积体数字图像的分 析处理、信息获取并建立模型的全过程，为堆积体力 学行为的模拟提供了新的建模方法。 （2） 以澜沧江古水水电站堆积体边坡为例， 运用 有限差分软件FLAC3D进行三轴数值模拟试验，揭示 了堆积体的变形和力学特性。堆积体的变形表现出明 显的“欺软怕硬”的特性，其受力表现出“贯穿带” 的特性， “贯穿带”内石块与土体共同受力，堆积体的 应力分布与石块分布具有高度的一致性。 （3）由于堆积体的特殊性、复杂性和多样性，其 力学参数常常很难选取。本文提出随机统计分析法对 堆积体力学参数进行研究，通过随机选取多组现场照 片按照三轴数值模拟试验结果进行分析，由统计分析 得出的力学参数与实际工程物理实验的参数非常接 近，说明该力学参数研究方法的可信性。因此在少量 的室内试验基础上采用随机统计分析法补充堆积体力 学参数的研究，不仅可节省有限的经费，也为工程人 员选取堆积体力学参数提供了一条新的路径和依据。 参考文献 [1] 徐鼎平, 汪 斌, 江龙剑, 等. 冰碛土三轴数值模拟试验方 法探讨[J]. 岩土力学, 2008, 2912 3466–3470. 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