一种风化过程中软岩填料颗粒形状轮廓演化特征识别方法与流程

1.本发明涉及岩层识别领域，具体涉及一种风化过程中软岩填料颗粒形状轮廓演化特征识别方法。


背景技术：

2.软岩具有易风化、遇水易软化、强度衰减显著等特点，属性质特殊的路基填料。虽然在工程中经常遇到，但将其用于路基填筑的实际工程并不多见。然而，近年来，我国基础设施建设中“绿色化、集约、节约化”的发展战略不断深化，若能将软岩用于路基填筑，不仅可以减少常规填料的开采量，还可减少弃方处置对土地资源的占用，具有显著的经济及环境效益。
3.不过软岩用于路基填筑的问题在于随着风化作用的进行，软岩颗粒易发生崩解破碎，所以对软岩填料中颗粒的崩解破碎特征研究就变得极为必要。张宗堂在《干湿循环作用下膨胀岩的崩解特性试验研究》一文中通过红砂岩的室内崩解试验直接得到崩解物各粒组的质量分布状况，采用基于质量与粒径关联的分形维数求解方法来探究干湿循环作用下岩石的崩解破碎过程。付宏渊等在《考虑荷载及干湿循环作用的炭质泥岩崩解特征试验》一文中开展荷载与干湿循环作用的炭质泥岩崩解试验，运用扫描电镜、x射线衍射等方法分析炭质泥岩崩解期间的形态变化和级配特征规律，进而引入崩解以及分形理论，研究炭质泥岩崩解过程中颗粒的质量、粒径和形态分布特性。总的来看，现有研究方法中多侧重级配的变化，对填料颗粒的形状演化特征的定量化研究方法并不多见，而在风化过程中填料颗粒的轮廓势必会发生变化，因此寻找方法提取颗粒的轮廓并分析相关指标与颗粒形态的关联度，这对了解软岩填料风化崩解行为、力学的演化都极其重要。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种风化过程中软岩填料颗粒形状轮廓演化特征识别方法。
5.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
6.一种风化过程中软岩填料颗粒形状轮廓演化特征识别方法，包括如下步骤：
7.s1、模拟风化过程并获取软岩颗粒轮廓特征；
8.s2、随机对模拟风化之后的软岩颗粒进行分组；
9.s3、利用数字图像处理算法对每组软岩颗粒进行处理，计算软岩颗粒的评价参数；
10.s4、根据s3计算的评价参数得到不同粒组软岩填料颗粒风化前后形状轮廓的演化特征。
11.进一步的，所述s1具体步骤为：
12.s11、将软岩填料放置于自然环境；
13.s12、运用最大密实度曲线理论中的n法对软岩填料进行级配设计，具体方法为：
[0014][0015]
其中，pm为集料颗粒在筛孔孔径dm上的通过百分含量(％)；dm为特定筛孔孔径(mm)；m为特定筛孔；d
max
为集料的最大粒径(mm)，此处为40mm；n为形状系数，此处取0.7；
[0016]
s13、将级配集料放入烘箱进行烘干处理，将烘干后的填料装入金属盘中，盘底设有2.5cm直径的孔洞，并覆盖直径1mm的塑料筛网，便于排水，其中填料均匀分布且厚度不超过1cm；
[0017]
s14、将金属盘放置于自然环境中，并定期对其中的填料取出烘干，以5mm为分界线，轮廓分析针对大于5mm的颗粒进行选择；
[0018]
s15、将5～10mm、10～20mm、20～40mm粒组的填料进行四等分，并在每等分中随机取样一份，即每个粒组取平行样四份，将其分别记为gs
5～10-i-j，gs
10～20-i-j，gs
20～40-i-j，取样环节保证每份样本中颗粒在100；
[0019]
s16、设置参照标尺白板，在其正上方固定好高清相机，调整好相机角度，对不同样本中的料粒进行拍照，同一粒档填料拍摄过程中相机位置、相机拍摄参数保持不变，且排列应材料分布随机且互不重合、接触；
[0020]
s17、对排列好的每份样本进行拍照，获取粒料排列图像，将拍完照的粒料重新混合后放到自然环境中进行下一周期的风化作用。
[0021]
进一步的，所述s3中使用image-pro plus(ipp)软件数字图像处理模块来处理风化过程中软岩崩解所得颗粒的图像，进而计算得到软岩颗粒的相关评价参数，具体方法为：
[0022]
s31、将拍摄得到的照片导入image-pro plus软件，使用软件对比增强面板上的面板上的亮度、对比度和伽马校正控制增强图像，对图片进行预处理；
[0023]
s32、利用aoi工具对各粒料进行轮廓描绘，并通过convert aoi to object生成测量对象，测量每个颗粒的面积、周长、长轴尺寸、短轴尺寸形状参数；
[0024]
s33、对gs
5～10-0-2、3、4进行s31～s32步的操作，得到5～10mm粒档四份样本在未风化作用下所有颗粒的面积、周长、长轴尺寸、短轴尺寸、等效粒径、丰度、圆形度、形状系数等参数
[0025]
s34、对gs
10～20-0-1、2、3、4和gs
20～40-0-1、2、3、4八份样本，进行s31-s33步的操作，即可得到每个周期风化作用下填料不同粒档内颗粒的形状参数及其分布特征。
[0026]
进一步的，所述s32中，等效粒径d、丰度c、圆形度r、形状系数f参数的计算方式为：
[0027]
与颗粒投影面积相等的圆面积，a为颗粒实际面积；
[0028]
b为颗粒短轴尺寸，l为颗粒长轴尺寸；
[0029]
a'为颗粒外接圆面积；
[0030]
p＝πd，p为与颗粒等面积圆周长，s为颗粒实际周长。
[0031]
进一步的，，所述s4具体包括：
[0032]
s41、从第二周期开始利用每个周期内的软岩颗粒的评价参数对上个周期的软岩
颗粒的评价参数进行对比，得到软岩的稳定程度；
[0033]
s42、利用灰色关联度分析方法计算软岩填料风化后的形状参数与其对应稳程度之间的关系，得到关联系数。
[0034]
进一步的，所述s41中，软岩的稳定程度计算方式为：
[0035][0036]
其中，sd
(i,i+1)
为关联程度；i为软岩填料的耐崩解性指数；i为月份；
[0037]
进一步的，所述s42中灰色关联度分析方法的具体步骤为：
[0038]
s421、将稳定程度作为参考数列，丰度、圆形度、形状系数为比较数列计算关联系数；
[0039]
s422、求取关联系数的平均值，并以所求取的平均值表示比较数列和参考数列的关联程度大小。
[0040]
进一步的，所述s421中关联系数的计算方式为：
[0041][0042]
其中，y(k)为参考数列，x
l
(k)为比较数列，k为周期，ρ为分辨系数，δ
l
(k)为参考数列与比较数列差值的绝对值；
[0043]
进一步的，所述s422中关联系数的平均值计算方式为：
[0044][0045]
其中，n为样本总数。
[0046]
本发明具有以下有益效果：
[0047]
现在多数研究采取干湿循环前后对软岩填料进行筛分的方法，将前后填料的级配变化进行对比分析，无法探究颗粒形状轮廓的演化情况。
[0048]
本次发明采用image-pro plus软件，可对风化前后样本中各个粒径大小进行测量，对其特征参数进行分析。可以有效的定量化分析软岩填料颗粒的崩解破碎行为，可加深对软岩填料颗粒的破碎机理的理解，并能够促进对软岩填料路用性能的认知。
附图说明
[0049]
图1为本发明实施例提供的一种风化过程中软岩填料颗粒崩解破碎特征的研究方法流程图。
[0050]
图2为本发明实施例将粒径20～40mm风化填料样本四等分随机排列并拍摄图像。
具体实施方式
[0051]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0052]
一种风化过程中软岩填料颗粒形状轮廓演化特征识别方法，如图1所示，包括如下
步骤：
[0053]
s1、模拟风化过程并获取软岩颗粒轮廓特征；
[0054]
s2、随机对模拟风化之后的软岩颗粒进行分组；
[0055]
s3、利用数字图像处理算法对每组软岩颗粒进行处理，计算软岩颗粒的评价参数；
[0056]
s4、根据s3计算的评价参数得到不同粒组软岩填料颗粒风化前后形状轮廓的演化特征。
[0057]
具体而言，
[0058]
(1)级配设计。软岩填料粒径各档取筛孔尺寸定为0.075、2、5、10、20、40(单位：mm)，将最大密实度曲线理论中的n法应用到软岩填料的级配设计中，如公式一所示。
[0059][0060]
其中，pm为集料颗粒在筛孔孔径dm上的通过百分含量(％)；dm为特定筛孔孔径(mm)；m为特定筛孔；d
max
为集料的最大粒径(mm)，此处为40mm；n为形状系数，此处取0.7。
[0061]
(2)将级配集料放入烘箱进行烘干处理，将烘干后的填料装入金属盘中，盘底设有2.5cm直径的孔洞，并覆盖直径1mm的塑料筛网，便于排水。填料均匀分布，厚度不超过1cm。
[0062]
(3)将金属盘放置于没有遮挡的天台上，充分接触自然气候条件，为期一年。
[0063]
(4)每月一号将填料从天台取出，烘干后进行筛分。前期研究结果表明，颗粒过细时轮廓识别误差较大，且考虑到细颗粒一般比较稳定，建议以5mm为分界线，轮廓分析针对大于5mm的颗粒进行。
[0064]
(5)利用喷淋装置对填料颗粒进行冲洗，去除表面杂质，增强粒料的显色性，实现对轮廓特征进行更准确的识别。
[0065]
(6)随机取样。将5～10mm、10～20mm、20～40mm粒组的填料进行四等分，并在每等分中随机取样一份，即每个粒组取平行样四份，将其分别记为gs
5～10-i-j，gs
10～20-i-j，gs
20～40-i-j。取样环节保证每份样本中颗粒在100粒左右。
[0066]
注：gs
5～10-i-j中5～10mm表示粒径范围；i＝0～12代表月份，j＝1～4代表第几份试样；gs为grain size的首字母缩写。以gs
5～10-0-1为例，其表示5～10mm粒档在未风化时的第1份样本。
[0067]
(7)在桌面或地面上放置好带有参照标尺的白板，在其正上方固定好高清相机，调整好相机角度。拍摄前对相机的拍摄参数进行调试，以保证最佳的拍摄效果。同一粒档填料拍摄过程中相机位置、相机拍摄参数保持不变。
[0068]
(8)以gs
5～10-0-1为例，将样本中的填料颗粒随机放置在步骤4中的白板上，排列应保证材料分布随机且互不重合、接触。
[0069]
(9)对排列好的每份样本进行拍照，获取粒料排列图像。将拍完照的粒料重新混合后放到自然环境中进行下一个月的风化作用。
[0070]
(10)使用image-pro plus(ipp)软件数字图像处理模块来处理风化过程中软岩崩解所得颗粒的图像，进而计算得到软岩颗粒的相关评价参数，具体步骤为：
[0071]
①
将拍摄得到的照片导入image为pro plus(ipp)软件。使用软件中对比增强面板上的亮度、对比度和伽马校正控制增强图像，对图片进行预处理。借助纸板上的标尺对软件中的测量系统进行标定设置，以保证可以测出填料颗粒的实际大小以及轮廓特征。
[0072]
②
利用aoi工具对各粒料进行轮廓描绘，并通过convert aoi to object生成测量对象。在系统中自动测量每个颗粒的面积(a)、周长(s)、长轴尺寸(l)、短轴尺寸(b)等形状参数，并基于上述测试结果在excel中编辑公式计算每个颗粒的等效粒径(d)、丰度(c)、圆形度(r)、形状系数(f)等参数。
[0073]
注：与颗粒投影面积相等的圆面积，a为颗粒实际面积；
[0074]
b为颗粒短轴尺寸，l为颗粒长轴尺寸；
[0075]
a'为颗粒外接圆面积；
[0076]
p＝πd，p为与颗粒等面积圆周长，s为颗粒实际周长。
[0077]
(11)对gs
5～10-0-2、3、4进行8～10步的操作。即可得到5～10mm粒档四份样本在未风化作用下所有颗粒的面积、周长、长轴尺寸、短轴尺寸、等效粒径、丰度、圆形度、形状系数等参数。在此基础上，可对该粒档填料颗粒的上述各形状参数的分布特征、平均值进行统计分析。
[0078]
(12)对gs
10～20-0-1、2、3、4和gs
20～40-0-1、2、3、4八份样本，进行8～11步的操作，即可得到每月风化作用下填料不同粒档内颗粒的形状参数及其分布特征。
[0079]
(13)丰度表征颗粒的扁圆度，圆形度表征颗粒的圆形程度，形状系数表征颗粒轮廓的复杂程度，三者越接近于0，表明颗粒越尖锐，填料越稳定；越接近于1，表明颗粒越圆润，填料破碎地越厉害。对软岩填料风化崩解过程中颗粒的丰度、圆形度、形状系数等参数与其稳定程度进行研究，进一步确定风化过程中最能反映软岩填料崩解状态的特征参数，进而得到不同粒组软岩填料颗粒在一年风化前后形状轮廓的演化特征。
[0080]
结果验证
[0081]
如表1所示为输出测量结果
[0082]
表1输出测量结果
[0083][0084]
表2为根据输出的测量结果计算软岩颗粒崩解破碎分析所需的相关系数
[0085]
表2计算评价指标平均值
[0086][0087]
表3为2至12月份的稳定程度值
[0088]
表3稳定程度值
[0089][0090]
丰度表征颗粒的扁圆度，圆形度表征颗粒的圆形程度，形状系数表征颗粒轮廓的复杂程度，三者越接近于0，表明颗粒越尖锐；越接近于1，表明颗粒越圆润。利用以上公式计算软岩填料风化崩解过程中颗粒的丰度、圆形度、形状系数与其稳定程度的关联度，且γi∈(0,1)，越趋于0，关联度越低；越趋于1，关联度越高。通过计算得出与软岩填料稳定程度关联度最高的特征参数，此时该特征参数越趋近于0，说明软岩颗粒越尖锐，填料越不稳定；该特征参数越趋近于1，说明软岩颗粒越圆润，填料越稳定，从而反映出软岩填料的风化崩解状态，进一步得到不同粒组软岩填料颗粒在一年风化前后形状轮廓的演化特征。
[0091]
如表4所示
[0092]
表4颗粒的丰度、圆形度、形状系数与其稳定程度的关联度
[0093][0094]
由表中结果可知，圆形度与软岩填料稳定程度的关联度最高，平均值为0.9030，评价效果最佳；其次为形状系数，平均值为0.7394；最弱的为丰度，平均值为0.6697，与圆形度的关联度平均值相差25.8％。因此，圆形度与软岩填料稳定程度有较高的关联度。风化过程中，软岩的圆形度由小增大，颗粒轮廓逐渐接近圆状，填料也逐渐趋于稳定。
[0095]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0096]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指
令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0097]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0098]
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
[0099]
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。