基于SEM 和IPP測定軟黏土接觸面積的試驗

徐日慶，徐麗陽，鄧祎文，朱亦弘

（1.浙江大學 濱海和城市巖土工程研究中心，浙江 杭州310058；2.浙江大學 軟弱土與環境土工教育部重點實驗室，浙江 杭州310058）

Terzaghi［1］于1925年首次提出了土的微觀結構概念.目前比較公認的觀點是：土的結構是指土粒本身的形狀、大小特征，土粒在空間的排列形式、孔隙狀況及粒間接觸和聯結特征的總和［2］.掃描式電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）的出現促進了土的微觀結構研究.譚羅榮［3］認為土的微觀結構研究的目的之一是通過微觀結構的研究成果，將它與宏觀特性之間建立定量的聯系，以估算和預測某些性質的變化范圍和變化趨勢；沈珠江［4］指出建立土的結構性模型是21世紀土力學的核心問題；施斌［5］認為黏性土微觀結構是確定土體工程性質的一個十分重要因素.

土體結構研究中3大關鍵問題：結構土樣制備技術、結構定量化研究、微觀結構與宏觀力學性質之間的關系研究［6-7］.土樣制備方面，莫斯科大學研制出結構土樣制備儀器，之后李生林等［8］、吳義祥［9］相繼開發了結構土體制備裝置.定量研究方面，利用圖像處理技術可以獲取土的結構要素量化參數；分形理論的發展促進了土體結構定量化研究.但對微觀結構與宏觀力學性質之間的關系研究還在探索階段.這是因為在微觀和宏觀這2種尺度上，罕有一種理論或數學工具能將兩者統一起來［6］.目前可行的方法是從統計意義上建立微觀與宏觀之間的關系.

近幾年，宋丙輝等［10］、戴張俊等［11］從分形維數的角度建立了微觀和宏觀之間的關系.本文從接觸面積的角度，建立微觀和宏觀之間的關系.即選取微觀的接觸面積和宏觀的孔隙率這2個指標，通過試驗測定并擬合得到定量關系.陳宗基［12］提出黏土中片狀顆粒的接觸形式有點接觸、線接觸和面接觸.這些接觸區域面積的總和即為本文研究的軟黏土接觸面積.本文試驗以浙大紫金港黏土為研究對象，采用SEM 掃描電鏡，對黏土微觀結構進行定性和定量研究.重點測定了黏土的接觸面積，并擬合得到孔隙面積比和孔隙率的數學關系.

1 試驗儀器、材料與方法

1.1 試驗儀器

試驗儀器采用荷蘭FEI公司生產的QUANTA FEG 650型場發射掃描電鏡（如圖1所示）.SEM 電鏡主要由真空系統、電子束系統以及成像系統組成.電子束系統發射高能的入射電子轟擊物質表面，產生二次電子、背散射電子等，由探頭接收后成像.

圖1 場發射掃描電鏡Fig.1 Field emission scanning electron microscope

1.2 試驗方案

設計制備16種不同孔隙率的試驗飽和土，依次測試含水率和密度得到孔隙率后，制成SEM 電鏡試驗土樣.采用SEM 電鏡的環境掃描GSED探頭，拍攝土樣微觀結構照片，對微觀形貌進行定性分析后再作定量處理.采用圖像處理軟件Image Pro-Plus6.0（簡稱IPP6.0）分割出照片中的孔隙和土顆粒接觸區域，并測定接觸面積.換算成孔隙面積比后與物理試驗測定的孔隙率進行擬合分析，建立定量關系.

1.3 試樣制備

本試驗采用的原料土取自浙江大學紫金港校區的紫金港路隧道開挖軟黏土，黏土物理指標見表1，其中w 為含水率，γ為容重，ds為土粒相對密度，n為孔隙率，wL為液限，wP為塑限.將軟黏土切成小塊放入烘箱，控制溫度105～110 ℃，烘干時間不少于12h，碾碎，過0.25mm 篩，置于密封桶中備用.

表1 黏土的物理指標Tab.1 Physical properties of clay

1.3.1 試驗土樣制備 擬制備16種不同孔隙率的試驗土樣.對每個樣稱取相同質量的烘干土，加入不同體積的水，用擊實法配制不同孔隙率的土樣.然后進行物理試驗測出每種土樣的含水率和密度，計算得到相應的物理試驗孔隙率.試驗土樣物理指標見表2（其中16號土樣是原狀黏土）.其中，ρ為密度，e為孔隙比.

表2 試驗土樣的物理指標Tab.2 Physical properties of test soil

1.3.2 SEM 樣品制備 SEM 樣品制備是拍攝SEM照片的基礎，減少對土樣原始組構的擾動至關重要.環境掃描GSED探頭能夠實現對含水樣品的觀察，因此土樣制備的關鍵是獲取新鮮平整的觀察表面.將試驗土樣用細鋼絲鋸切成約2.0cm（長）×1.5cm（寬）×1.5mm（高）的長條形土樣，在中部刻一圈深約0.5 mm 的槽.在掃描前，從刻槽的部位把土樣分開，從中選擇比較平整的有代表性的新鮮斷面.再用吸球輕輕吹走表面浮土，從而獲得保持原始結構形態的土樣表面.烘干土樣的SEM 樣品制備步驟與此類似，不同之處在于試驗土樣是烘干的.制備完畢把土樣迅速移至樣品臺進行SEM 電鏡試驗.

1.4 圖像采集

通過SEM 電鏡進行圖像采集可以準確獲取土樣表面特征，圖像采集需解決以下問題：放大倍數、圖像數量、加速電壓、對比度、亮度的確定以及拍照探頭的選擇等.對于加速電壓、對比度、亮度等，根據照片的情況適時調整，下文不再詳述.

放大倍數越大，所能觀察到的細節越豐富.本試驗研究了放大倍數對接觸面積測定結果的影響，結果表明放大倍數對試驗結果影響不大，故決定采用1 000倍的放大倍數.所得圖像尺寸單位是像素，每像素對應的實際尺寸為24.4nm.

由于土樣在不同的分析區域微觀結構狀況可能存在差別，為確保SEM 圖像的代表性，需要對試驗土樣拍攝多張照片，合適的照片數量能夠保證黏土經過放大后的微觀照片真實反映均質黏土的性狀.Mouret等［13］研究了水泥凈漿和水泥砂漿在200倍的放大倍數時照片數量對數據組統計方差的影響，結果表明20張照片可使方差足夠小.Scrivener［14］指出，在400倍的放大倍數下，10張照片就已經足夠使標準誤差降低到0.6%.綜合考慮后決定對每種試驗土樣分別拍攝25張照片.

SEM 電鏡的拍照探頭有：背散射BSED探頭、環境掃描GSED 探頭和二次電子ETD 探頭等.GSED探頭的特點是可以觀察含適量水分的樣品和非導電材料樣品，這是因為GSED 探頭不需要幾千伏高壓，可以在較低真空環境下工作；而對于非導電樣品能消除荷電效應，省去了對土樣的干燥、噴金等制樣環節，使土樣能保持原有的微觀形貌.而BSED探頭和ETD探頭都需要很高的真空度，無法觀察含水土樣.BSED探頭拍攝的照片反映樣品表面細節不如GSED 探頭和ETD探頭.所以觀察形貌時GSED探頭和ETD探頭優于BSED探頭.故本試驗拍攝含水試樣照片時選用GSED探頭，觀察烘干土樣形貌時選用ETD探頭.

2 SEM 圖像處理

本試驗采用軟件Image Pro-Plus6.0進行圖像處理和定量分析.首先對圖像作增強、除噪等預處理，后續圖像處理主要分以下2個步驟：1）圖像分割：即確定閾值，以分割孔隙和土顆粒接觸區域.2）特征提取：將灰度圖像轉化為二值圖像，提取孔隙和土顆粒接觸區域的輪廓，并測定接觸面積.

2.1 圖像分割

SEM 圖像是灰度圖像，本試驗圖像分割目的是區分孔隙與土顆粒接觸區域，從本質上說是將各像素進行分類的過程［15］.通過取閾值進行分類，灰度高于閾值的區域為土顆粒接觸區域，灰度低于閾值的區域為孔隙，進而獲得二值圖像.合理選取閾值，是圖像分割的關鍵.現有的二維圖像處理方法中缺乏閾值確定標準，圖像分割受閾值影響較大［16-17］.受到形態學分水嶺分割思想［18-19］的啟發，本文提出基于實測孔隙率的灰度閾值分割方法.即通過SEM 圖像三維處理得到的圖像孔隙率，與物理試驗孔隙率對比，確定閾值選擇范圍，再通過人工對比原圖像和閾值范圍內二值圖像確定閾值.這給出了分割孔隙和土顆粒接觸區域的閾值確定標準，為合理選取閾值提供了參考.

SEM 圖像中的三維信息是通過圖像的灰度值來表現的［16］.圖像的灰度可理解為經過取整簡化后的結構表面至成像表面的距離［17］.故可建立如下三維模型.如圖2所示，將圖2（a）進行三維處理，即把圖像所在的平面視為x-y 平面，把像素灰度值作為垂直于x-y 平面的第3個維度z＝f（x，y），這樣得到圖2（b）.這里x、y軸的單位是像素，而z軸的單位是灰度，將三者單位統一換算成微觀結構實際長度單位（nm），就能進行三維計算.灰度圖像三維簡化后得到一個以二維圖像為底、以閾值為高的長方體，見圖3.對應于每一個灰度Zi（0≤Zi≤255），都可以在x-y 平面的灰度圖像上分割出孔隙和土顆粒接觸區域.即灰度大于Zi的是土顆粒接觸區域，灰度小于Zi的是孔隙.為便于研究，圖3把土中不規則孔隙簡化成分段圓柱，同一段圓柱的孔隙面積相同.

圖2 二維灰度圖像三維處理Fig.2 2Dgray-level image convert to 3Dgray-level image

圖3 三維簡化示意圖Fig.3 3Dschematic plot

圖像孔隙率為

其中，

式中：灰度圖像在xyz坐標系中的孔隙總體積為V.對應于每個分割灰度Zi，在x-y 平面，孔隙面積Ai，即當灰度z取Z1時，孔隙面積為Ak1；當灰度z取Z2時，孔隙面積為Ak2……依此類推.灰度圖像在xyz坐標系中的總體積為V.灰度圖像在x-y 平面的總面積為A.最后選定的分割灰度即閾值為Zm.

在理想情況下，可以把第3個維度的像素灰度z分割成許多段，每段長度無限小，取為dz.對應于每段dz長度，相應的孔隙體積為

孔隙總體積為

根據積分與極限的關系可以簡化得到式（2）.

當然，dz越小，算得的孔隙體積Vk越精確.本試驗圖像處理時選取dz＝2.

依據實測孔隙可以確定閥值的范圍.取圖像孔隙率接近物理試驗測得的孔隙率時對應的幾個分割灰度，即ntx接近nexp時的幾個分割灰度Zi，作為可能的閥值.將這幾個分割灰度的二值圖像與原圖像對比，觀察孔隙和土顆粒接觸區域的劃分.選取劃分最合適的圖片，其分割灰度，即為選定的閾值Zm（見圖4）.這就是基于實測孔隙率的灰度閾值分割方法.

例如對于物理試驗實測孔隙率為0.522的16號試驗土樣，其原始SEM 照片如圖5（a）.閾值的選擇范圍取接近實測孔隙率時的分割灰度，圖5（b）、（c）、（d）列出了范圍中的3種灰度，圖像孔隙率依次為0.619、0.607、0.521.對比三張二值圖像，以圖5中方框內土顆粒為例，當灰度取172時，分割選取的土顆粒接觸區域最接近圖5（a）.于是確定閾值取172.

圖4 接觸面積計算示意圖Fig.4 Principle of contact area computation

圖5 原始SEM 照片及不同分割灰度的二值圖像Fig.5 Initial SEM image and binary images of different gray-level

2.2 特征提取

對圖5（a）所示的16號試驗土樣的原始灰度圖像，在分割閾值Zm確定后，可以進行分割得到二值圖像圖5（c）.圖5（c）中可以看到土顆粒接觸區域和孔隙的邊緣輪廓.其中，暗的地方是原始灰度圖5（a）中灰度低于閾值Zm的區域，代表孔隙；亮的地方是原始灰度圖中灰度高于閾值Zm的區域，代表土顆粒接觸區域.使用Image Pro-Plus6.0軟件統計土顆粒接觸區域面積，面積單位用像素個數表示.每種試驗土樣隨機選取不同區域拍攝了25張照片，對每張照片分別取閾值計算得土顆粒接觸區域面積，最后求平均值，得到該種試驗土樣的土顆粒接觸區域面積，即接觸面積.

3 試驗結果分析

3.1 浙大紫金港原狀黏土微觀結構

如圖6所示為紫金港原狀黏土放大1 600倍和3 000倍時的電鏡掃描GSED 圖像.試驗土樣含水率40.86%.從圖中可以看出紫金港原狀黏土微觀結構比較疏松，孔隙連通性好.圖6（b）標示出的孔隙面積為31μm2.這個孔隙是連通的，中間包有一顆孤立的土顆粒.土顆粒中，大的有長約4.1μm、寬約2.6μm.小的有長約3.0μm、寬約1.9μm.土顆粒之間以面接觸［12］（也稱面面接觸）為主，排列成類似蜂窩狀結構.

圖6 原狀黏土微觀形貌Fig.6 Original clay microstructure

3.2 浙大紫金港烘干黏土微觀結構

原狀黏土含水，照片中的土顆粒被水包裹形貌模糊.為了看到更清晰的土顆粒形貌，拍攝烘干黏土電鏡照片.如圖7（a）所示紫金港烘干黏土放大12 000倍時的電鏡掃描ETD 圖像.在圖的中部可以看到一個大的完整土顆粒，它是薄片狀的，邊緣稍亮，像經霜凍的葉片，把這種形貌稱為霜葉狀.圖示霜葉狀土顆粒長約16.3μm，寬約8.5μm，表面附著有一些更小的形如雪花狀的土顆粒.圖7（b）為浙大紫金港烘干黏土放大6 000倍時的電鏡掃描ETD圖像.圖中可看到很多霜葉狀的土顆粒，顆粒面積大的有30μm2左右，小的只有0.2μm2左右.黏土顆粒間以面接觸為主，也有少許線接觸（也稱邊面接觸）.相比于原狀土，烘干土的面接觸增多，土顆粒之間的孔隙數量減少面積減小，如圖7（b）計算了9個孔的面積，其中最大的孔面積是9μm2，最小的孔面積是0.3μm2.

圖7 烘干黏土微觀形貌Fig.7 Microstructure of dry clay

3.3 接觸面積與孔隙率的定量關系

本試驗測定的接觸面積為點接觸、線接觸和面接觸區域面積的總和，見圖8.通俗地說，接觸面積是指一層切割面上的土顆粒與上層被切去的土顆粒之間的接觸面積，即上下2層的土顆粒與土顆粒接觸區域的面積.在微觀結構中，接觸面積能夠反映土的受力特性.相應地，在宏觀層面，孔隙率反映了土的非連續性，而且孔隙率是土的力學計算中的重要參數，在壓縮、固結、沉降計算中都有應用.

圖8 陳宗基的片狀黏土顆粒間的接觸形式Fig.8 Platy clay particle contact forms from TAN T K

根據上述SEM 照片顯示的紫金港黏土微觀結構是扁平的霜葉狀土顆粒排列成蜂窩狀結構，繪如圖9所示紫金港黏土接觸面積示意圖.取a-a 曲面通過各顆粒間接觸區域，a-a 面為切割面，切割面上、下層的土顆粒之間的接觸形式有點接觸、線接觸和面接觸.a-a 切割面經過的接觸區域的面積總和即為接觸面積，用∑ai表示.A 表示切割面的面積，也即黏土SEM 灰度圖像的總面積.定義接觸面積比∑ai／A，則孔隙面積比RA＝1-∑ai／A.為了研究方便，將電鏡試驗測得的接觸面積換算成孔隙面積比，建立電鏡試驗測定的孔隙面積比和物理試驗測定的孔隙率之間的定量關系.

紫金港黏土試驗測得的孔隙率、接觸面積和孔隙面積比數據列于表3，描點擬合如圖10所示.

由圖10可知，隨著孔隙率的增大，孔隙面積比也增大.數據點位于直線y＝x 的上方，則擬合關系是指數在0～1.0的冪函數.擬合后得到電鏡試驗測定的孔隙面積比和物理試驗測定的孔隙率有如下數學關系：

圖9 接觸面積示意圖Fig.9 Contact area schematic plot

圖10 n-RA擬合曲線Fig.10 n-RAfitting curve

擬合曲線的R2＝0.974 77，說明擬合效果良好.式（6）適用于物理實驗測定的孔隙率在0.35～0.55的黏土.為了進一步驗證式（6）的合理性，再配制了8種不同孔隙率的紫金港黏土試驗土樣，按上述圖像處理方法得到接觸面積，換算成孔隙面積比，得到RA的試驗值RAexp；又按式（6）計算得RA的理論值RAth.描點如圖11所示，數據點均勻分布在直線y＝x 周圍，說明式（6）適用于紫金港黏土.

表3 孔隙率和接觸面積試驗結果Tab.3 Experimental result

3.4 試驗的誤差分析

圖像采集時放大倍數和照片數量對試驗結果產生的影響，圖像處理能否反映真實黏土的三維結構、以及試驗重塑土樣與原狀黏土的差異都是本試驗中值得關注的問題.

圖11 RA理論結果與試驗結果對比Fig.11 Comparison of RA calculated result and test result

3.4.1 放大倍數 試驗研究了放大倍數對測定結果的影響，首先按600的放大倍數，對試驗土樣隨機選擇若干個觀察區域，拍攝一組SEM 照片；然后把放大倍數調為800倍，重復剛才的操作；用此種方法依次拍攝了放大倍數在600～1 600倍之間的照片.選擇這個范圍是因為如果放大倍數太小，微小的孔隙或結構單元體不能在圖像上反映出來；如果放大倍數太大，整個視域只能看到幾個土顆粒.圖像采集完畢后經過處理分析，得到結果如圖12所示.由圖12可定性地看出RA受放大倍數M 的影響不大.為進一步研究不同放大倍數M 時RA統計值之間的差異性是否顯著，采用t檢驗進行顯著性分析.研究結果表明，任2個放大倍數的RA統計結果之間差異性不顯著.故試驗時采用1 000倍的放大倍數可較真實地反映土微觀結構.

圖12 放大倍數對RA影響曲線Fig.12 The relation between magnification times and RA

3.4.2 照片數量 試驗用參數估計的方法研究了放大倍數為1 000倍時，不同照片數量m 下經過圖像處理后得到的RA均值、方差S2和置信度為95%時的誤差ε如表4所示.本試驗選擇對每種試驗土樣分別拍攝25張照片.

表4 照片數量對RA 影響統計分析Tab.4 Statistical analysis result

3.4.3 黏土三維模型 通過圖像灰度建立的軟黏土三維模型比較符合真實黏土的三維結構，這可以從計算原理上進行解釋，為了說明清晰，截取圖4局部如圖13所示，上部虛線的土顆粒是假想的被切去的土顆粒，在灰度圖像中，用積分的方式計算孔隙的體積，在灰度方向取高度為dz的圓柱作為積分單元，如圖13所示有2個積分單元.選定積分上限的灰度值后，由式（1）～（3）計算出圖像孔隙率.

通過圖像灰度建立的軟黏土三維模型也存在不足之處，如圖14所示，由于SEM 電鏡在拍攝照片時，入射電子以直線方式到達樣品表面，所以無法獲取土顆粒下半個表面的形態，當下半個表面處有內凹的孔隙時，在灰度圖像上無法表現出來，如圖14中的陰影部分，在真實黏土三維結構中是孔隙，但在模型中被計入了土顆粒的體積中.

圖13 黏土三維模型原理圖Fig.13 3Dmodel schematic diagram of day

圖14 孔隙體積的偏差Fig.14 Deviation of pore volume

另一點需要說明的是，圖像處理測定的接觸面積結果不受土顆粒形態的影響，即土顆粒可以是片狀的，也可以是集粒或團粒形式.這是因為電鏡的能量源以直線方式射擊到樣品表面，SEM 圖像中離光源越近的顆粒，其像素的灰度值就越大，在圖像上顯示出較亮；離光源越遠，灰度值越小，在圖像上顯示出較暗.這也使得通過圖像灰度建立的軟黏土三維模型比較符合真實黏土的三維結構.

3.4.4 重塑土樣影響 原狀土樣具有結構性，成分之間有化學鍵粘結，受到先期固結壓力作用.而原狀土樣受擾動擊實后成為重塑土樣，原有的結構性受到影響.試驗對擊實法制備的重塑土樣與原狀黏土間差異進行評價.

試驗制備物理指標與16號原狀黏土相同的重塑黏土a、重塑黏土b，各項指標誤差控制在小于3%，拍攝微觀照片如圖15所示.對比原狀黏土和重塑土樣的微觀結構照片，其放大倍數均為1 000倍，可知原狀黏土照片中可以看到清晰的土顆粒，結構性明顯，相比之下重塑黏土的顆粒比較模糊，土的結構不易分辨.照片中還可以定性看出重塑黏土照片中亮的區域面積與原狀黏土照片中亮的區域面積大小近似，表明重塑黏土接觸面積接近原狀黏土的接觸面積.進一步由圖像處理后數據分析結果，表明對于孔隙面積比，重塑黏土a、b與原狀黏土之間的相對誤差均小于5%.

圖15 重塑黏土和原狀黏土的微觀結構Fig.15 Microstructure of reconstituted clay and original clay

3.5 孔隙面積比與表觀孔隙率的討論

孔隙面積比的計算是把土的SEM 圖像分割為土顆粒接觸區域和孔隙，分割閾值見圖4.由IPP計算得接觸面積，土顆粒中未接觸到的面積則計入孔隙面積.而表觀孔隙率（也稱為二維孔隙率）的計算是把土的SEM 圖像分割為土顆粒和孔隙，分割閾值見圖16，孔隙面積與整個圖像面積之比為表觀孔隙率.故孔隙面積比會大于表觀孔隙率.目前國內工程界求表觀孔隙率常用灰度直方圖法，包括雙峰法、大津法等，本文基于IPP 軟件采用大津法.部分試驗土樣表觀孔隙率和孔隙面積比的圖像處理結果見圖17，可見土樣孔隙面積比大于表觀孔隙率，與前述分析一致.

圖16 表觀孔隙率計算示意圖Fig.16 Principle of apparent porosity computation

圖17 不同孔隙率土樣的孔隙面積比和表觀孔隙率Fig.17 Pore area ratio and apparent porosity of different test soil

3.6 考慮結合水膜的接觸面積

黏土顆粒表面的雙電層（diffuse double layer）中包含強結合水（adsorbed water）和弱結合水（double-layer water）.蒙脫土的親水性最強，高嶺土的親水性最弱，伊利土的親水性介于前兩者之間，結合水膜（包含強結合水和弱結合水）厚度在21～41nm之間［20］.考慮黏土顆粒表面結合水膜的厚度后，接觸面積增大，如圖18所示，黏土顆粒的接觸面積是a1，考慮結合水膜后的接觸面積是a＊1.對于試驗土樣，通過基于實測孔隙率的灰度閾值分割方法，可以得到接觸面積，即圖18（b）中的白色區域.結合水膜的面積如圖18（b）中的陰影部分所示，是一個環形.這個環形的截面直徑就是結合水膜的厚度.考慮結合水膜時，在原面積上加上環形的面積，得到考慮結合水膜的接觸面積.SEM 圖像中結合水膜區域是暗的，圖像處理時計入孔隙面積中.

圖18 考慮結合水膜的黏土顆粒接觸面積Fig.18 Contact area includes water

為了使接觸面積計算更符合受力情況，需要考慮顆粒表面結合水膜的影響.杭州軟黏土礦物以伊利土為主［21］，試驗中依次取結合水膜厚度400、350、30、25、20nm.得到考慮結合水膜厚度的接觸面積，以及孔隙面積比和孔隙率的擬合關系（如圖19 所示）.由此可見，電鏡試驗測定的孔隙面積比和物理試驗測定的孔隙率之間存在如下關系：

對于不同地區的黏土，式（7）中的α和β 取值可能會有所不同.后續研究擬取不同地區的黏土進行試驗，測定孔隙率和接觸面積，擬合數學關系，最終確定α和β 取值范圍.

圖19 不同結合水膜厚度的n-RA擬合曲線Fig.19 n-RAfitting curve of different water thickness

4 結 論

（1）通過SEM 電鏡照片，定性研究了紫金港黏土微觀結構.研究表明紫金港黏土的土顆粒形狀類似霜葉狀，黏土結構疏松，排列成類似蜂窩狀結構.烘干后的黏土結構變密實，孔隙數量減少面積減小，土顆粒之間的面面接觸和邊面接觸增多.

（2）在SEM 圖像處理過程中，提出了基于實測孔隙率的灰度閾值分割方法，用以分割土顆粒接觸區域和孔隙，為測定接觸面積時合理選取閾值提供了方法.

（3）對黏土微觀結構定量分析，研究了微觀的接觸面積和宏觀的孔隙率，建立了電鏡試驗測定的孔隙面積比和物理試驗測定的孔隙率之間的數學關系.對不同孔隙率的浙大紫金港黏土的SEM 照片圖像處理后進行分析統計，擬合得到孔隙率和孔隙面積比之間存在RA＝αnβ的冪函數關系.

（4）土的微觀結構研究的目的之一就是要通過微觀結構研究結果，將它與宏觀特性之間建立定量的聯系.接觸面積和孔隙率之間數學關系的提出，可實現把微觀參數引入宏觀力學計算模型，在理論研究中有助于微觀結構與宏觀力學性質之間關系的研究，也有助于在飽和土有效應力中考慮土粒接觸面積；在工程實踐中對于解釋水土壓力合算的微觀機理、浮力折減等都有重要意義.

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