基于影像分析技术的河道淤泥气泡混合土强度特性及破坏机理研究

摘要

河流湖泊中沉积的大量淤泥，其主要的工程特性表现为含水高、强度低、流动性强等特点，我国的三角洲地区以及河流的中下游河道淤泥分布较广，既影响了航运条件，也影响了河道水质，因此需要对河道进行定期或不定期的清淤处理。基于可持续发展的理念，对河道淤泥的综合有效利用是目前积极探索的方向，轻质化处理就是其中一种方法。
　　本文以气泡为轻质材料、水泥为固化材料，制备了以河道淤泥为原料土的气泡混合土。对于气泡混合土力学特性的研究，目前在宏观角度上分析较多，从微观角度考察气泡混合土微观结构特征与力学行为的相关性研究相对较少。本文针对气泡混合土的微观结构特征，对其强度特性和破坏机理进行了分析和研究:
　　(1)气泡混合土的基本物理力学试验。首先对气泡混合土进行配合比设计，调整气泡掺入量为0％、1％、2％、3％，控制水泥掺量为15％、25％、35％，含水量调整为100％、110％、120％（均以干土质量为基准的百分比），且在标准养护条件下的养护龄期分别定为7d、28d、90d。同时进行密度试验、无侧限抗压试验、三轴试验以及标准固结试验得到了各种条件下河道淤泥气泡混合土(FMLSS)的强度值、强度指标以及压缩变形系数。
　　(2)气泡混合土微观结构特征参数。通过拍照技术获取气泡混合土的微观图像，并利用图像处理软件对其进行标定来确定微孔的实际尺寸;对图像进行消除背景、增强对比度等预处理后，利用“最小累积差值”法得到最合适的阈值，使其更加接近真实的微孔结构，经过数字图像处理技术处理后，得到了微孔结构的面积、周长、数量。
　　(3)气泡混合土的微观结构参数随配合比变化的特征。对数字图像处理技术获得的基本参数进行统计分析，定义更有效的微孔结构参数，有平均等效孔径、面积百分比、孔隙比、大小微孔数量比、孔径分布不均匀系数和曲率系数。试验表明，随着气泡掺入量的增加，FMLSS的强度减小，微孔的尺寸、数量、面积百分比增加，分布越不均匀;随着水泥掺量的增加，FMLSS的强度增加，微孔的尺寸、数量、面积百分比减小，分布越均匀;随着养护龄期的增加，在28d内，微孔的强度增加较明显，微孔的尺寸、面积百分比减小;随着含水量的增加，FMLSS的强度减小，微孔的尺寸、面积百分比减小。
　　(4)气泡混合土微观结构对强度发挥的影响。微孔的尺寸越大，FMLSS的强度越低，土颗粒间的内摩擦角以及黏聚力也越小，其刚度降低，压缩性却越高，抗破坏能力越差;微孔的数量越多且其中大尺寸微孔的数量越多，FMLSS的强度越低，土颗粒间的内摩擦家和黏聚力越低，压缩性越高，但是在水泥掺量较高的情况下，数量对强度发挥的影响会减弱;微孔分布的越均匀，FMLSS的强度就越高，内摩擦角和黏聚力也越大，土骨架结构就越稳定。
　　(5)气泡混合土微观结构的破坏机理。从宏观角度而言，FMLSS的破坏是指在其受载后表面出现了大约呈45°角的裂缝，而从微观结构而言，是微孔的尺寸、数量和分布在受载后出现了改变，微孔的尺寸、数量都是减小的，而微孔分布也变得更均匀，但是水泥掺量更高、气泡掺入量越少的情况下微孔结构参数的变化越小。同时考虑微观结构参数的敏感度大小，发现大小微孔数量比、微孔分布的不均匀系数的敏感度是较大的，也就是说FMLSS在受到外荷载作用时大小微孔数量比和微孔分布的不均匀系数变化较大，也是最容易发生变化的。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 轻质土处理技术及工程应用

1．3 国内外轻质土的研究现状

1．3．1 气泡混合土的物理力学性质研究

1．3．2 国内外混合轻质土的微观研究方法

1．4 轻质土微观结构研究

1．5 研究的主要内容及意义

1．5．1 研究的主要内容和方法

1．5．2 研究目的及意义

第二章 试验方法

2．1 概述

2．2 试样制备

2．2．1 试验原料的物理特性

2．2．2 配合设计

2．2．3 试样制备

2．3 试验方法

2．3．1 试验准备

2．3．2 密度实验

2．3．3 无侧限抗压强度试验

2．3．4 三轴试验

2．3．5 固结试验

2．4 本章小结

第三章 数字图像处理及图像分析方法

3．1 概述

3．2 数字图像处理

3．3．1 图像摄取

3．2．2 尺寸标定

3．3 图像分析方法

3．3．1 图像预处理

3．3．2 图像二值化处理

3．3．3 微观结构特征参数定义及提取

3．4 本章小结

第四章 基于数字图像技术的FMLSS微观构造特性分析

4．1 概述

4．2 FMLSS微观构造特征分析

4．2．1 微孔孔径尺寸及分类

4．2．2 微孔数量特征

4．2．3 孔径分布及定量分析

4．3 配合比条件对微观构造性质的影响分析

4．3．1 气泡掺入比和水泥掺量的影响

4．3．2 考虑养护龄期因素考察微观构造的变化

4．3．3 含水量对微观构造的影响

4．4 本章小结

第五章 微观构造性质与FMLSS力学性质的相关性分析

5．1 概述

5．2 孔径尺度与FMLSS强度发挥的相关性

5．2．1 孔径尺寸与强度之间的相关性

5．2．2 孔径尺寸与强度指标之间的关系

5．2．3 从微孔孔径尺度角度考虑破坏应变的变化

5．2．4 微孔孔径尺度变化对变形特性的影响

5．3 微孔数量对FMLSS强度发挥的影响

5．3．1 微孔数量与强度参数关系

5．3．2 大小微孔数量比对强度发挥的影响

5．3．3 FMLSS的变形特性与微孔数量的关系

5．4 微孔孔径分布与FMLSS强度发挥的关系

5．4．1 微孔面积百分比和微孔孔隙比与强度的相关性

5．4．2 不均匀系数和曲率系数对强度的影响

5．4．3 微孔分布与破坏变形的相关性

5．5 考虑微观构造特征的FMLSS设计优化考察

5．6 本章小结

第六章 基于微观构造性质的FMLSS破坏机理探讨

6．1 概述

6．2 加载前后FMLSS微观构造特征参数的变化

6．3 荷载作用下FMLSS的破坏模式

6．4 FMLSS破坏机理探讨

6．4．1 加载过程中微孔结构破坏的敏感度

6．4．2 破坏机理分析

6．5 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

作者简历

攻读硕士学位期间论文发表情况