基于改进型的k-means聚类算法的冻融岩石CT图像内容识别及损伤分析

摘要

寒区工程常年发生各种工程问题甚至灾害，其中冻融循环作用是引发工程结构受损的主要原因。由于岩石是一种天然损伤材料，且具有相当复杂的非线性特征，从一般研究方法或决定论角度出发分析和解决岩石冻融循环损伤问题是十分困难的。于是本文从唯象学角度出发，以试验研究为基础，采用CT扫描图像分析与统计损伤理论相结合的方法，系统地研究了岩石在不同冻融循环次数下的物理特性以及损伤演化规律，为寒区岩土工程稳定性评价提了供理论基础。
　　将工程现场获取的新鲜红砂岩岩块，加工制为标准岩石试件；针对标准试件进行不同冻融循环次数试验；采用CT扫描技术对冻融0次，5次，10次，20次，40次数下的岩样进行扫描；针对原始CT扫描图像，先采用中值滤波技术进行减噪预处理，再应用一种结合了灰度直方图以及模糊识别的改进型k-means聚类分析算法对预处理后的扫描图像进行归类识别。
　　以冻融岩石 CT扫描图像聚类识别后的数据为基础，从宏观损伤力学角度出发，引入以有效承载区折减概念为基础的损伤变量，结合数据概率分布特点，验证得出新损伤变量服从以冻融循环次数为变量的威布尔分布，同时结合分布参数拟合结果，表明岩石受冻融循环作用所发生的损伤破坏为一类耗损型失效事件，岩样损伤分布具有顶底大，中间小的特征。
　　结合冻融岩石试验结果以及岩石冻融损伤特性分析，认为以冻融岩石 CT扫描图像为损伤研究对象，采用统计分析手段建立损伤演化模型具有可行性和合理性，且该研究手段具有无损、简易等操作特点，对相关研究亦具有借鉴意义。

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1 绪 论

1.1选题背景及研究意义

1.2国内外研究现状

1.2.1 岩石冻融损伤特性研究

1.2.2 岩石CT图像识别研究

1.2.3 基于聚类算法的图像识别技术

1.3研究内容及研究目标

2 冻融岩石CT扫描实验

2.1 CT扫描原理

2.2冻融循环试验

2.2.1冻融前岩样的制备

2.2.2冻融循环试验

2.2.3试验结果分析

2.3 冻融岩石CT扫描

2.3本章小结

3冻融岩石CT图像内容识别技术

3.1 CT图像预处理

3.2 聚类分析原理

3.3基于聚类算法的冻融岩石CT图像识别技术

3.3.1 一种改进型的K-means聚类算法

3.3.2 算法稳定性对比分析

3.4 本章小结

4基于CT图像的冻融岩石损伤演化规律分析

4.1 基于CT扫描图像的损伤变量

4.1.1有效承载区折减概念[74]

4.1.2 损伤变量的定义

4.2 岩石损伤变量随冻融次数变化规律

4.2.1 统计损伤变量概念

4.2.2 统计损伤变量分析

4.3 本章小结

5结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文