數字圖像技術在巖土工程中的應用探討

曲柏恒

（中國建筑材料工業地質勘查中心吉林總隊，長春 130033）

在城鎮現代化進程不斷加快背景下，開展建筑施工作業遇到需處理的巖土工程情況越來越多，而做好地下深入探究工作，可以為建筑工程順利實施奠定良好基礎。不過受巖體十分復雜、采用技術手段落后等因素影響，導致巖土工程地質勘察所得信息結果不夠真實準確，而將數字圖像技術應用到其中，可以實現對巖土工程的定量分析，在促進所得數字信息與圖像信息相互轉化中，使巖土工程探究分析更為便捷、高效[1]。

1 數字圖像技術的基本概述

數字圖像技術又被稱為計算機圖像處理技術，實際運用時可以將圖像信號轉化為數字信號，依托計算機實現對信息的高效處理。數字圖像技術包含了圖像變換、圖像增強復原、圖像分類識別、數字攝影測量等內容，在工業生產、現代通信、工程測量等領域應用廣泛。將數字圖像技術引入到巖土工程測試領域，可以借助數碼照相機、透射電鏡技術、計算機層析技術等，獲取豐富的數字圖像，再通過數字圖像技術處理，就可以實現對巖土體力學性質、現場地質等信息的有效分析與把握[2]。另外，對數字圖像技術的應用優點進行歸納，主要有：①再現性好。相較于模擬圖像處理，數字圖像處理不會因為圖像儲存、復制、傳輸等，出現圖像質量降低的情況，甚至還可以借助圖像處理軟件對其進行優化改善。②適用面寬。圖像的信息來源比較多，可以是電子顯微鏡圖像，也可以是遙感影像或者航空照片。③靈活性高。依托數字圖像技術，不僅可以完成線性運算，還能開展非線性處理工作，實際應用中要結合實際分析不同圖像、數據之間存在的內在邏輯關系，通過運算分析來有效應用[3]。

2 數字圖像技術在巖土工程中的應用

2.1 在宏觀變形領域中應用

數字圖像技術在巖土工程的宏觀變形領域中的應用，主要體現在以下幾方面：①實驗室測試。在實驗室測試研究中，可以將數字圖像技術用于分析可視化和數字化分析現象，在三軸試驗、巖體斷裂過程分析等中，實現對整個測試過程的有效監控，應用中可以將相機放到有限的空間內容，完成測試工作后提取所拍攝圖像中的重要數據，比如在巖土材料剪切過程中，經常會遇到應變局部化的情況，不過在實驗過程中對剪切帶的擴展進行監測難度比較大，而應用數字圖像技術處理以后，就可以直接通過三軸測試單元，對三軸電池內部的真實視圖進行有效捕捉，使巖土材料剪切試驗和三軸試驗變得更為直觀，針對測試過程中的細節也能通過數字圖像數據挖掘出來，并在模型試驗研究中得到有效應用[4]。②地質災害監測。由于數字圖像技術本身擁有實時、高效和精準等優勢特點，將之運用到巖土工程測量中，可以借助孔徑雷達有效掌握亞厘米精度空間連續變形情況，進而為滑坡、塌陷等地質災害科學評估預測提供基礎數據支持。具體實踐中，利用數字圖像技術可以實現大規模的巖土監測分析工作，依托遙感和地理信息系統建立地區地理數據庫，然后基于建立起來的數字高程模型，對監測地區地形特征和地質災害圖進行確定，甚至還可以利用數字圖像處理技術對不同時期拍攝到的圖像進行銳化、去噪等處理，然后在前后對比分析中及時發現巖土工程內部存在的病害，進而為工程整體穩定性情況分析和后續開展科學化施工提供有力的數據支持。

2.2 在非可視領域中應用

由于數字圖像技術也是一種粒子追蹤方法，將之運用到巖土工程非可視領域中，也能對圖像中斑點、粒子的位移情況進行有效確定，具體表現：①微觀結構。在準確把握巖土體內部的微觀結構及其組成以后，可以有效預測分析巖土體在外力作用下的應力應變狀況，在此基礎上實現對巖土體內部微觀結構力學響應和破壞機制的控制。實際操作中，可以運用數字圖像技術對土和巖體進行定量化的研究與分析，在準確把握巖土材料的顆粒形狀、粒徑球度等信息數據后，對出現的變形破壞情況作出宏觀解釋，甚至還可以在了解巖土顆粒微觀物理力學性質以后，依托得到的相關物理參數建立離散元模型，以更好把握巖石、土體的微觀結構和相應物理力學數值[5]。②高速動力學。巖體在遭受到外界荷載作用以后會被破壞，且巖體遭受外力越大，破壞的速度也會越快，勘察人員可以通過破裂面的特征，來分析對裂紋的性質，操作中對數字圖像技術進行運用，就可以直接通過高速攝像機來獲取巖體破壞過程，在明確裂紋起始位置和之后延伸以后，確定裂紋的形成機制。另外，還可以運用數字圖像處理技術，對巖體材料自身性質進行細致探究，涉及到的內容有研究和分析結構面數量、充填介質等在沖擊狀態下巖土破裂過程。③聲學成像。考慮到巖土體的材料性質和內部結構，在很大程度上決定了巖土體的力學性能和整體穩定性，因此加強巖土內部信息研究顯得十分有必要。實際操作中一般會運用聲學成像技術開展工作，作為一種可以將聲學信息有效轉換成數字圖像信息的技術，實踐中可以充分利用這項技術非接觸性、穿透性較強的優勢特點，實現對巖土體內部結構信息的有效探究與分析，比如在對樁基缺陷進行監測分析時，可以通過開展超聲波鉆孔作業，實現對深部巖體結構面特征的有效了解，然后利用三維聲發射定位和計算機斷層成像技術，有效把握巖體緩慢破壞進程，最后形成高分辨率的地質形態，便于發現樁基存在缺陷，然后對其進行優化處理[6]。

2.3 在應力探測領域中應用

考慮到巖土內部應力分布和加載卸載應力傳導，會直接影響到整個巖土體的穩定性，而要掌握這一情況，就要借助數值模擬或者室內試驗手段，探究巖體內部應力分布及傳導規律。操作中無論采用哪種方式，都需要運用數字圖像技術進行處理分析，實踐中會在獲取土石混合體相片和進行數字圖像處理以后，開展顆粒流建模模擬工作，以實現對土石混合體力學性質的有效掌握，有了數字圖像技術的支持，便于勘察人員直觀看到巖石材料的細觀結構，然后采用有限元法-離散元法得到巖樣破裂時的應力分布狀況。

3 實際案例分析

3.1 工程概況

某建筑工程總面積約為2 500 萬m2，主要是由3棟15~22 層的高層住宅樓組成，建筑結構為框架結構。在開展建筑施工之前對工程巖土情況進行細致分析，發現場地地形地貌呈現出東南西北低、中部地形起伏不大、區境兼有丘陵低山等的特點。在地質構造上較為簡單，沒有發現大的斷裂和褶曲，地層主要是由人工填土、粉質黏土、粉土和卵石土等構成。該區地下水類型主要為孔隙型潛水，且水量十分豐富，水位年變化幅度約為2.0 m[7]。在全面系統把握和分析該建筑項目的地質水文條件后，在開展地下基礎結構施工時，為保證巖土穩定性和增加支擋結構，決定將鋼筋或鋼索的一端固定到孔底的穩定巖土體中，再將鋼筋拉緊產生一定的回彈力，然后將鋼筋的另一端固定到巖土體或者支擋結構表面，以最大程度地增大滑動面上的抗剪強度，起到提高巖土體穩定性的作用。為有效掌握預應力錨固結構在張拉荷載作用下的斷面特性和不同錨固施工形式下巖土體細觀位移發展狀況，決定借助室內模型試驗和數字圖像變形量測方法開展深入探究，具體過程和結果見下。

3.2 試驗介紹

在開展模型試驗工作之前，需要做好試驗材料、裝置等準備工作，涉及到的試驗材料主要是由石粉、砂、水等混合料配置而成，在澆筑模型之前將錨桿放置到預定位置，澆筑過程中要保證位置固定準確不可發生偏移，待完成模型澆筑工作以后，就可以撤除玻璃，并在觀測面上撒上一層標準砂作為觀測點，對于試驗過程所使用的照明設備、數碼相機等也要加以調試，以便后續正常拍攝作業。同時，在整個試驗過程中，分級加載主要是以模型錨桿的位移作為控制條件，并根據實際位移量在桿體對應的位置做標志，在讀取圖像桿體標志點的像素垂直位移值及代表的實際長度后，就可以得到桿體相對應的位移量[8]。

3.3 單錨工況

在位移場發展方面，初始錨桿長度為100 mm，在完成配置工作以后混合料演變為硬塑狀態，這對于硬質桿體來說，較軟混合料更容易引發拉力變形情況，且在這過程中可以直觀地看到錨桿體周圍軟弱巖土體的位移發展狀況，如圖1 所示。錨固體的位移主要是沿著錨桿軸向發生，在桿體兩側呈現出U 型對稱分布的特點，側面反映隨著荷載不斷增大，錨桿體位移情況也會隨之增長，軸向位移的影響范圍也會朝著端部發展，甚至還會在錨固段前部出現隆起現象。而徑向位移的發生更多體現在內錨固段尾部，這是因為受到上拔荷載作用影響，桿體與周圍介質的黏結作用有向桿體移動發展的趨勢，在桿體上拔以后，錨固段所隆起的巖土體就會失去周圍介質的約束作用，進而出現徑向位移的狀況，涉及到的錨固段表面巖土體會開始向兩側進行擴展[9]。在錨固體剪應變場發展方面，一旦錨桿周圍巖土體出現抗剪強度不夠的情況，就會對周圍巖土體造成較大的擾動和破壞。為了對張拉荷載作用下的周圍巖土體破壞形態有一個直觀細致的了解，需要采用數字圖像處理技術對巖土體破壞方式進行定性分析，如圖2 所示。透過所得剪應場發展圖，發現剪應變場底部已經出現超出錨端部一定距離的情況，這一現象與錨桿張拉形成的位移場影響范圍是基本吻合的，不過這一過程錨桿形成的剪應力依然達不到巖土體的極限抗剪強度，可以判定剪應變區內的巖土體依然處于彈性階段。

圖1 錨固體周圍軟弱巖土體位移場云圖

圖2 桿體上拔剪應變場情況

3.4 群錨工況

在錨間巖土體位移發展方面，試驗過程可以發現相較于單錨工況分析，巖土群錨相互作用機理更加復雜，考慮到實際巖土錨固工程施工的經濟性和安全性，在很大程度上取決于群錨之間發生的相互作用，因此如何科學合理利用群錨之間巖土體的自身承載力，防止錨固段張拉裂縫出現，成為本次試驗探究的重點內容。操作中通過數字圖像技術，可以直觀看到雙錨同時張拉錨間土體位移場的實際發展和演化過程，特別是在張拉初期階段，位移場并不能夠發生相互影響作用，但是隨著桿體不斷的上拔，對巖土體帶來的影響也會逐漸朝著錨固段底部轉移，整個過程對巖土體進行改變主要是以軸向位移為主，所得到的變形強化作用也是群錨應力疊加形成的最終結果。在錨間距影響方面，由于錨桿間距的選擇是錨固工程設計中需要考慮的一項重要內容，因此在該試驗過程中，將群錨間距設置為錨桿直徑的1.2 倍，借助數字圖像技術對錨桿間距帶給錨固體位移的影響進行細致觀察與分析，透過圖3可以發現，伴隨著桿體間距不斷的減小，錨固體內外側巖土體變形情況也存在較大差異，其中外側巖土體變形會在上拔荷載作用下，朝著桿體軸向和徑向2 個方向移動，內側巖土體變形主要為軸向位移，這一位移情況的發生主要受到拉伸變形影響[10]。

圖3 錨桿間對錨間巖土體位移的影響

3.5 結果分析

通過運用數字圖像技術對巖土錨固效應的細觀機制進行試驗探究，發現在單錨工況下，軸向位移主要發生在桿體的兩側位置，且會呈現出U 型對稱發展的特征，在準確把握這一情況后，可以將桿體周圍巖土體位移劃分為3 個區域，即兩側斜上方隆起區、軸向拉伸中部拉伸區和后端橫向擾動區，最終試驗也表明巖土體破壞是以一種近似于錐體的形式發生。而在群錨工況下巖土體更多是出現拉伸變形的情況，且隨著拉伸區軸向位移的不斷增強，另外區域徑向位移會呈現出不斷減弱的趨勢。再借助室內模型試驗和數字圖像變形量測，對預應力錨固結構在張拉荷載作用下的斷面特性進行深入研究后，可以準確把握位移情況發生的內在作用機理，然后根據所得圖像信息對工程施工進行優化設計，確保整個巖土體穩定性和建筑的實際使用性能。

4 結束語

伴隨著社會經濟不斷的發展，各種建設項目也日漸增多，在開展建筑項目作業時，利用常規技術方法分析巖土工程的水文地質情況，只能獲得定性描述分析，無法獲取巖土的深度數據情況。而數字圖像技術作為一種精度較高和非接觸的光學測量手段，將之運用到巖土工程中，借助現代信息技術能有效獲取豐富的巖土數字圖像，在加強巖土體力學性質分析、巖土室內試驗測量中，完成對巖土工程的定量定性分析，推動巖土工程獲得進一步的發展。