一种含气土样中气泡大小分布均匀性的评价方法

摘要

本发明涉及一种含气土样中气泡大小分布均匀性的评价方法，包括1）制备含大气泡土圆柱型样品；2）采集含大气泡土圆柱型样品的三维空间数据；3）将三维空间数据导入CT图像处理软件中进行三维重构；4）截取研究样本；5）选取水平切片样本；6）切取竖直切片样本；7）提取水平切片样本中以及竖直切片样本中各个气泡的等效直径和气泡截面积占切片总面积的百分比；8）基于统计原理，计算各个截面的气泡大小均匀度，综合评定含气土样中气泡大小的均匀性。本发明提供了一种可定量的评价人工模拟制备的含气样品中的气泡大小均匀性、为检验含气土室内人工模拟制备方法的有效性提供判据的含气土样中气泡大小分布均匀性的评价方法。

说明书

技术领域

本发明属于岩土工程中含气土的人工模拟制样试验技术领域，涉及一种含气土样中气泡 大小分布均匀性的评价方法，尤其涉及一种人工模拟制备海底含气沉积物样品中气泡大小均 匀性的定量评价方法。

背景技术

随着海洋工程建设的发展，海底管线、隧道、跨海大桥、钻井平台等建设项目的进行， 在东南沿海、长江中下游、珠江三角洲以及南海海域等地区陆续遭遇到了浅层含气沉积物地 质，诱发工程灾害，甚至酿成工程事故，造成重大经济损失。由于沉积物土体中气体压力较 高、属易燃气体且易于逸散，现场很难获取其含气原状样品。即便采用特殊装备能够获得保 压含气原状土样，在实验室条件下仍然受到难以二次加工、试样不均匀等问题的困扰，促使 室内人工模拟制样技术成为研究该类土岩土工程问题的前提和基础。

含大气泡软黏土是海洋含气沉积物中一种常见类型，其初始饱和度高，土中气相以气泡 形态赋存，且气泡粒径远大于土颗粒，从而改变沉积物的土骨架结构。专利号是ZL201310752757.1、发明名称是《变压可控气体置换反应装置及其在含气土样制备中的应用》 中公开了一种通过借助沸石来制备含气土样的方法。专利号是ZL201410027361.5、发明名称 是《高压溶气饱和试验装置及其在含气土样人工制备中的应用》中公开了一种借助饱和二氧 化碳水溶液制备含气土三轴试样的方法。这些方法虽然给出了人工模拟制备含大气泡黏土样 品的方法，但所制备的三轴样品中气泡尺寸是否均匀未给出评价方法。然而，这直接关系到 所制备含气样品是否满足单元体均匀性的土工三轴试验基本要求。

由于含大气泡软黏土中的气泡大小均匀性对于其岩土力学特性有着重要的影响。因此， 定量评价含大气泡软土样品中气泡大小的均匀性对于检验室内人工模拟制备的含气土样是否 满足三轴单元体均匀性要求，评价人工模拟制样的有效性具有重要的意义。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种可定量的评价人工模拟制 备的含气样品中的气泡大小均匀性、为检验含气土室内人工模拟制备方法的有效性提供判据 的含气土样中气泡大小分布均匀性的评价方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种含气土样中气泡大小分布均匀性的评价方法，其特征在于：所述含气土样中气泡大 小分布均匀性的评价方法包括以下步骤：

1)在室内利用含气土制样方法制备含大气泡土圆柱型样品；

2)通过高精度CT扫描，采集步骤1)制备得到的含大气泡土圆柱型样品的三维空间数据；

3)将步骤2)获取得到的三维空间数据导入CT图像处理软件中进行三维重构；

4)截取三维重构中的典型代表性部分作为研究样本；

5)针对研究样本，选取等间距的N个水平截面作为水平切片样本，所述水平切片样本将 研究样本从上至下均分成N+1层；

6)以含大气泡土圆柱型样品的中轴为圆心，以固定角度β沿研究样本的轴向切取M个竖 直截面作为竖直切片样本，所述M＝180/β；

7)分别提取水平切片样本中以及竖直切片样本中各个气泡的等效直径和气泡截面积占切 片总面积的百分比；

8)基于统计原理，计算各个截面的气泡大小均匀度，综合评定含气土样中气泡大小的均 匀性。

作为优选，本发明所采用的步骤8)中的气泡大小均匀度的具体计算方式是：

其中：

K是气泡大小均匀度(％)；

S_D是气泡面积分数(％)，所述S_D是截面总气泡面积占截面总面积的百分比；

是气泡平均半径，单位是mm；

是等效直径≤的面积分数之和(％)；

是等效直径＞的面积分数之和(％)。

作为优选，本发明所采用的步骤8)中综合评定含气土样中气泡大小的均匀性的具体实现 方式是：

当K≥90时，土样中气泡的大小非常均匀；当80≤K＜90时，土样中气泡大小较均匀；当 70≤K＜80，土样中气泡大小均匀性一般；当60≤K＜70时，土样中气泡大小均匀性较差；当 50≤K＜60时，土样中气泡大小均匀性很差；当K＜50时，土样中气泡大小极不均匀。

作为优选，本发明所采用的步骤5)中在选取水平切片样本后对水平切片样本进行二值化 处理。

作为优选，本发明所采用的6)中在切取并得到竖直切片样本后对竖直切片样本进行二值 化处理。

作为优选，本发明所采用的高精度CT扫描仪是微米级工业CT。

作为优选，本发明所采用的高精度CT扫描仪的最小分辨率不大于5μm。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种含气土样中气泡大小分布均匀性的评价方法，该方法首先在室内制备 出圆柱形含气泡土样；通过高精度CT扫描试验获取含气泡土样的三维重构信息；再利用专业 图像处理软件得到土样中气泡的三维图像。截取重构样品中的典型代表性部分作为研究样本； 针对研究样本，选取等间距的N个水平截面作为水平切片样本，并对切片样本进行二值化处 理；按某一角度β为单位，沿轴向切取(180/β)个竖直截面作为竖直切片样本，并对切片样 本进行二值化处理。针对二值化处理后的样本切片，计算各切片截面中的气泡大小均匀度指 标，依据统计学原理，评价样品中气泡大小的分布均匀性。本发明基于CT扫描试验和数字图 像技术，针对室内人工模拟制备的含大气泡土样，可以定量的评价人工模拟制备的含气样品 中的气泡大小均匀性，从而为检验含气土室内人工模拟制备方法的有效性提供判据，可用于 海底含大气泡软黏土沉积物室内人工模拟制备样品中气泡大小均匀性的定量评价。

附图说明

图1是实施例中各切片截面上气泡粒径分布曲线。

具体实施方式

本发明提供了一种含气土样中气泡大小分布均匀性的评价方法，具体包括：

1)在室内，利用含气土制样方法制备成含大气泡土圆柱型样品；

2)通过高精度CT扫描，采集含大气泡样品的三维空间数据(精度能够满足清晰分辨出 土颗粒、水和气泡)；

3)将CT获取的三维空间数据导入专业CT图像处理软件中进行三维重构；

4)截取重构样品中的典型代表性部分作为研究样本；

5)针对研究样本，选取等间距的N个水平截面作为水平切片样本(对切片样本进行二值 化处理)，将研究样本从上至下均分成N+1层；

6)以圆柱型样品的中轴为圆心，按某一角度β为单位，沿轴向切取(180/β)个竖直截面 作为竖直切片样本(对切片样本进行二值化处理)；

7)提取研究样本中各切片中各个气泡的等效直径和气泡截面积占切片总面积的百分比；

8)基于统计原理，计算各个截面的气泡大小均匀度，综合评定含气土样中气泡大小的均 匀性。

土样中气泡大小均匀性的评价方法基于以下假设：(1)土样中任意截面上的气泡分布基 本一致；(2)微孔对气泡大小的均匀性的影响忽略不计；(3)半径较大的气泡(或半径较小 的气泡)数目越多时，气泡大小的均匀性越差。

采用均匀度来评价土样中气泡大小的均匀性，其方程如下：

式中K为气泡的均匀度(％)；S_D为气泡面积分数(％)，为截面总气泡面积占截面总面>为气泡平均半径(mm)；为等效直径小于等于的面积分数之和(％)； 为等效直径大于的面积分数之和(％)。

依据K值的变化，可将气泡的均匀度分为不同的等级：当K≥90时，土样中气泡的大小 非常均匀；当80≤K＜90时，土样中气泡大小较均匀；当70≤K＜80，土样中气泡大小均匀性 一般；当60≤K＜70时，土样中气泡大小均匀性较差；当50≤K＜60时，土样中气泡大小均匀 性很差；当K＜50时，土样中气泡大小极不均匀。

实施例：

本发明提供的含气土样中气泡分布均匀性的评价方法，在室内，利用中国专利(专利号 ZL201310752757.1)名称为《变压可控气体置换反应装置及其在含气土样制备中的应用》中 公开的含气土制样方法，制备成(直径)×150mm(高)的圆柱型样品；通过微米级 工业CT(最小分辨率为5μm)对制备的圆柱型样品进行扫描，采集含大气泡圆柱型样品的三 维空间数据；将三维空间数据导入专业图像处理软件VG studio，得到经三维重构出的含大气 泡圆柱型土样的三维图像；截取重构样品中部2cm厚的典型代表性部分作为研究样本；针对 研究样本，选取等间距的5个水平截面(横截面)作为水平切片样本，将研究样本从上至下均 分成6层；以圆柱型样品的中轴为圆心，按60度角为单位，沿轴向切取3个研究样本的竖直截 面(纵截面)作为竖直切片样本；提取研究样本中各切片中各个气泡的等效直径和气泡面积 占切片总面积的百分比；采用等效直径对应的面积分数来评价含气泡土样中气泡大小的均匀 性。提取各切片截面上气泡的等效直径如表1。

表1各切片截面的气泡等效直径

由表3中各截面上气泡的等效直径，通过统计各直径范围的气泡截面积占切片总面积的百 分比，可得到各切片截面上气泡粒径分布曲线如图1所示。由图1可看出，气泡在土样中任意 截面上的分布基本一致，满足气泡大小均匀性评价的基本假设。因此，可采用等效直径对应 的面积分数来评价含气泡土样中气泡大小的均匀性。

通过公式(1)求得各切片截面的均匀度分别为：横截面K₁＝91.3，K₂＝94.4，K₃＝90.1，>4＝72.9，K₅＝76，纵截面K₆＝82.2，K₇＝80.2，K₈＝80.6。根据均匀度的评价标准综合说明该含>