董輝，羅瀟，李智飛

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堆積碎石土細(xì)觀孔隙空間特征對其滲透特性的定量影響

董輝1, 2，羅瀟1，李智飛1

(1. 湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南湘潭，411105；2. 成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點實驗室，四川成都，610059)

堆積碎石土作為滑體物質(zhì)往往因其細(xì)觀結(jié)構(gòu)差異對雨水入滲產(chǎn)生影響。基于CT掃描宏細(xì)觀孔隙特征，以自制滲透儀研究級配(坡頂區(qū)域、坡腰區(qū)域、坡腳區(qū)域)、干密度(1.65，1.75和1.85 g/cm3)、含石率(30%~70%)等條件下碎石土的滲透規(guī)律。采用“最小累積差值”閾值選取方法對CT圖像進(jìn)行閾值分割，提取圖像碎石和空隙形態(tài)，利用灰關(guān)聯(lián)分析法定量分析各因素(碎石面積比率、空隙面積比率等)對滲透系數(shù)的影響。研究結(jié)果表明：空隙面積比率是影響滲透系數(shù)的主要因素；考慮含石率作為主要影響條件時，隨著含石率的減少(從70%減至30%)，空隙面積變異系數(shù)、空隙周長變異系數(shù)及空隙分形維數(shù)均呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，存在1個含石率閾值使其碎石土的滲透系數(shù)最小；根據(jù)空隙面積比率()與碎石面積比率()，獲得滲透系數(shù)()擬合函數(shù)，其為運用圖像處理技術(shù)估算滑坡坡表碎石土滲透系數(shù)提供簡明有效的新途徑。

碎石土；滑坡；滲透；CT圖像；灰關(guān)聯(lián)分析

我國是滑坡災(zāi)害頻發(fā)的國家，據(jù)資料顯示，我國有新老滑坡約3×105處，其中具有災(zāi)害性的約1.5×104處，每年損失高達(dá)100億元以上[1]。堆積碎石土作為坡體物質(zhì)或滑體物質(zhì)廣泛分布于我國構(gòu)造運動強烈的西南及西北地區(qū)。許建聰?shù)萚2]研究結(jié)果表明，一定強度的長時間連續(xù)降雨或強降雨是誘發(fā)碎石土滑坡失穩(wěn)的關(guān)鍵因素。滲透系數(shù)作為堆積碎石土滲透特性的綜合指標(biāo)，決定了不同降雨條件下降雨入滲模型的選取，進(jìn)而影響邊坡穩(wěn)定性估算[3]。因此，探究堆積碎石土的滲透規(guī)律對預(yù)測長歷時、強降雨條件下滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生具有理論指導(dǎo)意義。近年來，土石混合體滲透性能研究已取得了不少成果。為探究影響堆積碎石土滲透系數(shù)的主要因素，許建聰 等[4]采用數(shù)理統(tǒng)計分析方法對碎石土的滲透特性進(jìn)行研究，得出以粉粒和黏粒為主的細(xì)粒土粒組的含量對碎石土滲透系數(shù)影響最大。周中等[5]利用正交試驗的方法，測定了土石混合體的滲透系數(shù)，分析了不同因素(含石率、孔隙比和顆粒形狀)對土石混合體滲透系數(shù)的影響，確定了每種因素對土石混合體滲透系數(shù)影響大小，得出了含石率與孔隙比對土石混合體滲透系數(shù)影響顯著。為了減小尺寸效應(yīng)，周小軍等[6]通過研制大尺寸滲透測試設(shè)備，對云南蔣家溝泥石流物源的寬級配礫石土體進(jìn)行滲透試驗，得出滲透系數(shù)與孔隙比成線性正相關(guān)關(guān)系，而與土體細(xì)顆粒含量存在負(fù)冪函數(shù)關(guān)系。上述研究主要分析了碎石土中一些宏觀物理力學(xué)參數(shù)對滲透系數(shù)的影響。鑒于堆積碎石土物質(zhì)組成復(fù)雜性，結(jié)構(gòu)分布不規(guī)則性，還可利用CT掃描成像技術(shù)探究其細(xì)觀特征(如石與石、黏粒間、土石間存在的空隙以及含石斷面大小等)對碎石土滲透性能的影響，進(jìn)一步從宏觀和細(xì)觀2個方面共同探究不同因素對堆積碎石土滲透規(guī)律的影響。為此，本文作者針對堆積碎石土滲透特性，研制了滲透儀，并選用湖南省長株潭城際鐵路湘潭段水竹灣隧道洞口斜坡具有級配代表性堆積碎石土進(jìn)行室內(nèi)一維滲透正交試驗。然后，運用CT掃描成像技術(shù)快速精確地檢測出碎石土土柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)的細(xì)微變化。再以CT圖像為研究對象，運用圖像處理技術(shù)，統(tǒng)計并分析了不同等效半徑的空隙斷面積、含石斷面積的累積百分比的變化規(guī)律，采用“最小累積差值”閾值選取方法[7]確定含石斷面以及空隙斷面占土柱斷面的百分比，從而得到碎石土內(nèi)部細(xì)觀特征參數(shù)。最后用灰色關(guān)聯(lián)度分析法對碎石土物理力學(xué)參數(shù)及細(xì)觀參數(shù)進(jìn)行分析，進(jìn)而得出各參數(shù)對滲透系數(shù)的影響程度，并擬合出碎石土滲透系數(shù)計算公式。研究結(jié)果將為降雨引起堆積碎石土滑坡變形的動態(tài)機理與探求滑坡啟動預(yù)報模型提供理論 依據(jù)。

1 碎石土滲透試驗

1.1 儀器研制

根據(jù)試驗要求，設(shè)計了由馬氏瓶供水裝置、滲流發(fā)生裝置和測量裝置3個部分組成的滲透儀。為了確保馬氏瓶補水連續(xù)且反應(yīng)靈敏，試驗使用的馬氏瓶相比常規(guī)馬氏瓶對進(jìn)氣閥門、補水閥門和加水閥門位置進(jìn)行調(diào)整且增設(shè)了排氣閥門。試驗證明，改進(jìn)后的馬氏瓶對水位控制更準(zhǔn)確、靈敏度高且補水均勻連續(xù)便于量測。馬氏瓶之間可相互串聯(lián)，亦適用于連續(xù)測量且供水量大的野外試驗。滲流發(fā)生裝置由內(nèi)徑200 mm，高度400 mm的有機玻璃圓筒制成。測量系統(tǒng)測量水頭壓力和滲透流量。由于試驗壓力不大，故選用測量精度高的玻璃測壓管測量水頭壓力。流量測量主要采用質(zhì)量法[8]。

1.2 材料選取

室內(nèi)實驗測定的碎石土的基本物理指標(biāo)見表1。通過現(xiàn)場勘察，沿斜坡最長縱軸從上往下每隔4 m依次編號采樣，測得坡頂、坡腰和坡腳3個區(qū)域的級配曲線，圖1所示為碎石土級配曲線。所選取的土樣中，最大顆粒粒徑為60 mm。邱賢德等[9]要求試樣的直徑應(yīng)大于試料最大直徑的5~6倍。朱國勝等[10]研究粗粒料滲透試驗尺寸效應(yīng)規(guī)律，得出滲透儀直徑與試驗材料85之比不宜小于6(85為粒徑曲線縱坐標(biāo)上小于某粒徑含量為85%所對應(yīng)的粒徑)。綜合以上研究成果，選擇粒徑小于40 mm的土樣符合試驗要求。在此將大于2 mm的固體顆粒定義為粗料，土樣按比例等質(zhì)量替換超粒徑顆粒[8]。

表1 碎石土的基本物理指標(biāo)

1—級配Ⅰ(坡頂區(qū)域)；2—級配Ⅱ(坡中區(qū)域)；3—級配Ⅲ(坡腳區(qū)域)。

1.3 方案設(shè)計

表2所示為試驗方案。本次室內(nèi)試驗主要考慮干密度、碎石含量和級配3個因素對堆積碎石土滲透系數(shù)的影響。為了精簡試驗組數(shù)，首先根據(jù)每種因素擬考慮3個水平，選取L9(34)正交表進(jìn)行正交試驗設(shè)計(見表2中試驗方案1~9)。然后，為進(jìn)一步探究碎石土內(nèi)部空隙對滲透系數(shù)的影響，設(shè)計了天然狀態(tài)下不同級配以及相同級配含石率為30%~70%的試驗方案(見表2中試驗方案3和9~14)。

試驗步驟為：首先依據(jù)試驗要求配置試樣，并將其分層裝入圓筒內(nèi)，每層土樣之間進(jìn)行刮毛，保證土樣的均勻性與整體性，讓其靜置24 h。然后，對試樣進(jìn)行CT掃描。最后，組裝各系統(tǒng)，對土樣由下至上進(jìn)行低水頭飽和，待試樣充分飽和后靜置12 h，測量滲透系數(shù)，并進(jìn)行溫度校正。調(diào)整上下水頭差，重復(fù)測試滲透系數(shù)，求取平均值。

表2 試驗方案

2 CT圖像處理

2.1 CT掃描原理

CT是以測定X線穿透物體層面衰減信息為基礎(chǔ)，由計算機處理，按一定算法得出某剖面上的衰減系數(shù)分布矩陣，再轉(zhuǎn)變?yōu)榛叶确植季仃嚕瑥亩鴮崿F(xiàn)掃描斷面密度分布成像的現(xiàn)代成像技術(shù)[11]。X線穿過某一組混合物質(zhì)后X線的強度衰減規(guī)律可表達(dá)為[12]

式中：為通過物質(zhì)衰減后X線的強度；0為入射X線的強度；為物質(zhì)的X線衰減系數(shù)；為物質(zhì)的厚度。

Hounsfield通過研究空氣、水和其他物質(zhì)對X線的吸收衰減規(guī)律，提出了反映物質(zhì)對X線的相對吸收程度公式[13]:

式中：為CT值，物質(zhì)對X線的相對吸收程度；為水對X線的吸收系數(shù)；為標(biāo)定的CT值；為物質(zhì)常數(shù)。

2.2 圖像閾值選取

圖2所示為碎石土CT圖像；圖3所示為不同處理的二值化圖像。本次試驗共完成14個碎石土試樣的CT掃描，運用MedExplorer軟件自動調(diào)窗功能瀏覽各試樣CT原始數(shù)據(jù)(圖2)。為了解碎石土試樣內(nèi)部空隙特征，須分清CT圖像中碎石、黏土以及土石之間空隙的準(zhǔn)確邊界。由于碎石、黏土與空隙間存在密度差異，而CT圖像中密度差異由CT值表征，可通過二值法分割圖像，獲取碎石土孔隙與顆粒組成及形態(tài)特征信息。二值法的核心是各物質(zhì)CT數(shù)閾值的選取。由于窗口技術(shù)中窗位等于CT圖像中CT值，而窗寬為CT圖像所顯示的CT值范圍。為此，本文依據(jù)相關(guān)資料[14]，利用窗口技術(shù)將二值化圖像與自動調(diào)窗圖像進(jìn)行對比，確定了與實際含石斷面圖像及空隙斷面圖像相近的窗寬與窗位的取值范圍。隨著窗位的增加，二值化圖像中含石斷面積略微減少，而空隙斷面積略微增加，每個范圍內(nèi)的二值化圖像均變化不大(見圖3(a)、3(b))。其中，干密度為1.65，1.75和1.85 g/cm3試樣對應(yīng)的含石斷面圖中窗寬為200，窗位的取值范圍分別為900~1 100，1 100~1 300和1 300~1 500；而對應(yīng)的空隙斷面圖中窗寬為0，窗位的取值范圍為400~600，600~800和800~1 000。對已確定窗位值范圍內(nèi)的二值化圖像借助ImageJ軟件進(jìn)行中值濾波、分水等處理，得出試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)值。然后統(tǒng)計各試樣等效含石半徑(1)與等效空隙半徑(2)的面積累計分?jǐn)?shù)。

(4)

式中：1為等效含石半徑，mm；2為等效空隙半徑，mm；1為含石面積，mm2；2為空隙面積，mm2。

圖2 碎石土CT圖像

(a) 二值化含石斷面圖；(b) 二值化空隙斷面

由于在試樣確定的窗位取值范圍內(nèi)存在某個對應(yīng)的累積差最小(即與它相鄰的各等效半徑的面積累積百分?jǐn)?shù)之間的差總和最小)。故認(rèn)為當(dāng)累積差最小時，圖像成像的各種不確定因素隨著窗位的變動對試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化影響最小，即與實際情況最接近。因此，可根據(jù)各試樣每個掃描斷面對應(yīng)的等效含石半徑(1)及等效空隙半徑(2)的面積累計百分?jǐn)?shù)，求出各斷面圖像所對應(yīng)的累積差，并按照不同干密度對各試樣累積差取平均值。最終確定累積差最小時所對應(yīng)的，通過最佳生成二值化圖像進(jìn)而準(zhǔn)確計算試樣內(nèi)空隙面積比率()和碎石面積比率()。

(6)

式中：為空隙面積比率；為碎石面積比率；為土柱橫斷面積，mm2。

3 結(jié)果與分析

3.1 圖像閾值處理結(jié)果

根據(jù)圖像閾值選取方法，其統(tǒng)計結(jié)果見表3。圖4所示為不同的累積差關(guān)系曲線。隨著的變化，累積差發(fā)生了上下波動(圖4)。整體而言，含石斷面累積差波動幅度相比空隙斷面累積差波動幅度要小，相鄰之間等效半徑與面累積百分?jǐn)?shù)關(guān)系曲線的距離也小。累積差波動率越小，說明二值化圖像隨變化越小，在該范圍內(nèi)所選取的二值化圖像更精細(xì)。由于統(tǒng)計的最大波動率均不超過35%，屬于合理波動范圍。由此表明每個試樣確定的范圍都比較合理。不同干密度(1.65，1.75和1.85 g/cm3)試樣二值化含石斷面圖中最小累積差所對應(yīng)的最佳窗位分別為1 025，1 225和1 325；而二值化空隙斷面圖中最小累積差對應(yīng)的最佳窗位依次為575，700和850。

表3 閾值處理結(jié)果

(a) 含石斷面，L=1.65；(b) 含石斷面，L=1.75；(c) 含石斷面，L=1.85；(d) 空隙斷面，L=1.65；(e) 空隙斷面，L=1.75；(f) 空隙斷面，L=1.85

3.2 滲透性能正交試驗分析

為了探究含石率、干密度、級配3個因素在不同水平下對碎石土滲透系數(shù)的影響，利用研制儀器進(jìn)行滲透試驗，得出?關(guān)系曲線。然后通過直線擬合得出滲透系數(shù)，再對其進(jìn)行正交試驗的極差分析，正交試驗的極差分析表見表4。

表4 極差分析結(jié)果

由表4可以看出：對碎石土滲透系數(shù)影響的主次順序為：含石率，干密度，級配類型。隨著含石率增加以及干密度減小，碎石土滲透系數(shù)逐漸增大。當(dāng)含石率為30%、干密度為1.85 g/cm3、級配Ⅱ(坡腰區(qū)域)時滲透系數(shù)最小，其為控制工程需要的滲透系數(shù)提供指導(dǎo)依據(jù)。

為了區(qū)分試驗結(jié)果的差異是由于試驗誤差引起的，還是因素水平不同引起的，采用正交試驗的方差分析法對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對影響碎石土滲透系數(shù)的各因素的顯著性水平給予精確的數(shù)量評估，分析結(jié)果如表5所示。結(jié)果表明：1) 試驗結(jié)果的差異是由因素水平不同引起；2) 含石率對碎石土滲透系數(shù)的影響顯著，而干密度與級配類型對碎石土滲透系數(shù)的影響不顯著。

表5 方差分析結(jié)果

3.3 碎石土滲透系數(shù)與細(xì)觀參數(shù)灰關(guān)聯(lián)分析

由于影響碎石土滲透特性的因素多且復(fù)雜，數(shù)據(jù)離散性很大，很難對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計處理，并找出影響滲透系數(shù)的主要因素。灰色理論方法[15]可對有限的、表面無規(guī)律的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而找到系統(tǒng)本身具有的特征?；谊P(guān)聯(lián)分析的基本思想是根據(jù)各參數(shù)幾何曲線的相似程度來判斷其聯(lián)系是否密切；相似程度應(yīng)用關(guān)聯(lián)度描述，關(guān)聯(lián)度描述了各個因素對結(jié)果的影響程度，關(guān)聯(lián)度越大，影響程度越大。

1) 確定參考數(shù)列與比較數(shù)列

式中：0()為參考因素序列；i()為比較因素序列。

2) 將數(shù)據(jù)作量綱一化處理，并分別進(jìn)行平均值化與區(qū)間值化分析。

均值化為

區(qū)間值化為

，(8)

3) 關(guān)聯(lián)系數(shù)的計算式為

(9)

4) 灰關(guān)聯(lián)度的計算公式為

式中：r為曲線y對0的關(guān)聯(lián)度。

通過已確定的閾值()對CT圖像進(jìn)行處理，獲取試樣各個斷面的空隙面積比率、碎石面積比率、空隙面積以及空隙周長。為了從形態(tài)學(xué)特征對碎石土的細(xì)觀空隙結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，一般選用空隙形態(tài)分形維數(shù)[16]作為描述碎石土細(xì)觀空隙結(jié)構(gòu)形態(tài)變化的定量參數(shù)。其從本質(zhì)上揭示孔隙特征的復(fù)雜性，通常利用孔隙中面積與其周長存在的自相關(guān)性，定量地評定孔隙自相似的分形結(jié)構(gòu)特征。圖像中孔隙的實際面積和實際周長之間存在下面關(guān)系：

式中：為常數(shù)；為該圖像對應(yīng)的孔隙形態(tài)分形維數(shù)。的取值范圍為1~2，越大，孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，且孔隙的空間形態(tài)特征偏離光滑表面的程度越大。

表6 滲透試驗灰關(guān)聯(lián)分析結(jié)果

根據(jù)均值化與區(qū)間值化2種量綱處理方法得到各因素相關(guān)度平均值，其對滲透系數(shù)的影響程度由大到小依次為：空隙面積比率、不均勻系數(shù)、含石率、碎石面積比率、曲率系數(shù)、空隙面積變異系數(shù)、空隙周長變異系數(shù)、空隙形態(tài)分維數(shù)、粒徑小于0.075 mm顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、干密度(見表6)，其與正交試驗分析的結(jié)果基本一致。上述排序結(jié)果說明：

1) 土與石或石與石之間的大孔隙是影響滲透系數(shù)最主要的因素之一。水在試樣入滲過程中，隨著空隙面積比率增加，孔隙連通性增加而滲流阻力大大減小，碎石土的滲透系數(shù)逐漸增大。

2) 不均勻系數(shù)與曲率系數(shù)對碎石土滲透系數(shù)影響程度較高，其相關(guān)度均大于0.6分別排在第2與第4位。由試樣9，13和14(取土斜坡坡腰、坡腳、坡頂?shù)募壟淝€)可知：經(jīng)長期地質(zhì)搬運作用，坡表碎石土沿坡面向下細(xì)顆粒逐漸增加，細(xì)顆粒堵塞孔道造成碎石土內(nèi)部空隙減小，空隙面積比率由9.932%降至4.691%，而不均勻系數(shù)(26.866~52.107)、曲率系數(shù)(0.959~2.109)、空隙面積變異系數(shù)(1.433~1.630)以及空隙周長變異系數(shù)(0.844~0.936)均增加，致空隙結(jié)構(gòu)變復(fù)雜，空隙的扭曲程度提高，空隙連通性減小，骨架空間作用降低，滲透系數(shù)從8.895×10?3 cm/s減至5.012×10?4 cm/s。水竹灣隧道洞口斜坡不同位置碎石土的滲透系數(shù)由大到小依次為：坡頂、坡腰、坡腳。

3) 含石率與碎石面積比率作為不透水物質(zhì)在試樣中的百分比對碎石土滲透系數(shù)的影響很大。相同條件下(干密度、級配)隨著含石率從70%減至30%，碎石面積比率由41.651%呈線性減少至20.988%，而碎石土滲透系數(shù)呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢。當(dāng)含石率達(dá)到40%時，試驗測得的碎石土的滲透系數(shù)最低僅為7.801×10?6 cm/s。這是由于當(dāng)含石率從70%降至40%，空隙面積變異系數(shù)(1.630~2.464)、空隙周長變異系數(shù)(0.936~1.076)、空隙分形維數(shù)(1.220~1.236)逐漸增加，而碎石土中土與石間的大空隙逐漸降低，空隙連通性減小，空隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜度提高，孔隙的空間形態(tài)特征偏離光滑表面的程度增大使水流阻力增加，從而導(dǎo)致滲透系數(shù)減少；當(dāng)含石率從40%減至30%時，雖然飽水試樣土石間的空隙逐漸減少，但面積變異系數(shù)、周長變異系數(shù)、空隙分形維數(shù)減小，導(dǎo)致水流阻力減小滲透系數(shù)出現(xiàn)略微增大。因此，在考慮含石率作為主要影響條件時，存在一個含石率閾值使得碎石土的滲透系數(shù)最小。

3.4 滲透系數(shù)與細(xì)觀參數(shù)之間的關(guān)系

由于試樣的細(xì)觀參數(shù)(空隙面積比率與碎石面積比率)對碎石土滲透系數(shù)影響程度顯著，為了尋求運用圖像處理技術(shù)估算出滑坡坡表碎石土滲透系數(shù)的方法，從而減少大量滲流實驗的工作量。因此，運用1stopt軟件對細(xì)觀參數(shù)進(jìn)行擬合，獲得滲透系數(shù)的擬合函數(shù)：

式中：為堆積碎石土的飽和滲透系數(shù)，cm/s；為空隙面積比率，%；為碎石面積比率，%。

圖5所示為試驗數(shù)據(jù)與擬合數(shù)據(jù)的關(guān)系曲線。式(12)的相關(guān)系數(shù)為0.958 93，其相關(guān)系數(shù)大于0.001，擬合函數(shù)據(jù)與試驗實測數(shù)據(jù)基本一致(圖5)。由擬合函數(shù)可得：滲透系數(shù)是由碎石面積比率與空隙面積比率相互作用下得出的。隨著空隙面積比率的增大，滲透系數(shù)增長速率逐漸增大，而碎石面積比率增大，滲透系數(shù)降低的趨勢逐漸減緩。

斜坡的殘坡積物在空間上存在物質(zhì)結(jié)構(gòu)變異性，這制約了長時降雨、間歇降雨等復(fù)雜外因下的致滑機理和失穩(wěn)模式的研究。式(12)體現(xiàn)了細(xì)觀結(jié)構(gòu)的孔隙特征與滲透系數(shù)的定量關(guān)系，有助于從坡體空間角度，明晰坡體滲流場的形成、軟弱滑動面的演化、碎石土強度指標(biāo)降低變化等滑坡災(zāi)害問題。同時，也可通過攝影獲取現(xiàn)場圖像信息，進(jìn)行圖像處理，進(jìn)而利用擬合公式估算出滑坡坡表碎石土滲透系數(shù)。

1—試驗值；2—擬合值。

4 結(jié)論

1) 圖像處理閾值選取過程中，利用“最小累積差”法確定，為CT圖像處理技術(shù)提供理論依據(jù)，運用該方法獲得的二值化圖像符合實際情況。

2) 由灰關(guān)聯(lián)分析法所獲得各影響因素對滲透系數(shù)影響程度的排序結(jié)果由大到小依次為：空隙面積比率、不均勻系數(shù)、含石率、碎石面積比率、曲率系數(shù)、空隙面積變異系數(shù)、空隙周長變異系數(shù)、空隙形態(tài)分維數(shù)、粒徑小于0.075 mm顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)、干密度。

3) 水竹灣隧道洞口斜坡在不同位置的碎石土滲透系數(shù)由大到小依次為：坡頂、坡腰、坡腳。在考慮含石率作為主要影響條件時，隨著含石率的減少(從70%減至30%)，空隙面積變異系數(shù)、空隙周長變異系數(shù)及空隙分形維數(shù)呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，存在一個含石率閾值使得碎石土的滲透系數(shù)最小。

4) 基于CT圖像處理得到的空隙面積比率與碎石面積比率，建立了細(xì)觀孔隙特征與滲透特性的定量描述，其可作為探究復(fù)雜降雨條件下的坡體空間失穩(wěn)破壞模式和運用圖像處理技術(shù)估算滑坡坡表碎石土滲透系數(shù)的理論基礎(chǔ)。

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(編輯 陳愛華)

Quantitative influence of meso-porosity space features of aggregate gravel soil on its permeability characteristics

DONG Hui1, 2, LUO Xiao1, LI Zhifei1

(1. College of Civil Engineering and Mechanics, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China;2. State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China)

Given different internal mesoscopic structures, aggregate gravel soil which are considered to be the landslide materials tend to influence on rainwater infiltration. Based on macro and micro-pore characteristics observed via CT scan, the experimental research employed homemade permeameter to explore permeation law of the gravelly soil with different graduations (slop crest, mid slope, the toe of slope), different dry densities (1.65, 1.75 and 1.85 g/cm3) and different stone contents (30%?70%). Meanwhile, further study utilized the minimum cumulative scores threshold selection method to extract images gravel and void morphology by segmenting CT image. The gray relational analysis method was applied to analyze the effects of different factors (stone area ratio, void area ratio) on permeability coefficient. The results show that surface void ratio is the most significant factor that affects the permeability coefficient. Simultaneously, with the reduction of containing stone rate (70%?30%), the void area variation coefficient, viod perimeter variation coefficient, void fractal dimension firstly decrease and then increase. When the containing stone rate decreases to something, the permeability coefficient reaches the minimum. It is assumed that surface void ratio() and surface stone ratio(), fit the permeability coefficient() formula, which provides a concise and effective new way to use image processing techniques to estimate gravel soil permeability on the landslide slope.

gravel soil; landslide; permeability; CT image; grey relational analysis

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.05.032

O35

A

1672?7207(2017)05?1367?09

2016?07?12；

2016?09?28

國家自然科學(xué)基金資助項目(51108397, 51308485)；湖南省自然科學(xué)基金資助項目(2015JJ2136)；湖南省教育廳優(yōu)秀青年基金資助項目(16B255) (Projects(51108397, 51308485) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2015JJ2136) supported by the Natural Science Foundation of Hunan Province, China; Project(16B255) supported by Youth Foundation of Education Department in Hunan)

董輝，博士，副教授，從事環(huán)境地質(zhì)與地質(zhì)災(zāi)害等方面的研究；E-mail: aneurin.h.d@gmail.com