数字图像技术在岩土工程中的应用探讨

曲柏恒

（中国建筑材料工业地质勘查中心吉林总队，长春 130033）

在城镇现代化进程不断加快背景下，开展建筑施工作业遇到需处理的岩土工程情况越来越多，而做好地下深入探究工作，可以为建筑工程顺利实施奠定良好基础。不过受岩体十分复杂、采用技术手段落后等因素影响，导致岩土工程地质勘察所得信息结果不够真实准确，而将数字图像技术应用到其中，可以实现对岩土工程的定量分析，在促进所得数字信息与图像信息相互转化中，使岩土工程探究分析更为便捷、高效[1]。

1 数字图像技术的基本概述

数字图像技术又被称为计算机图像处理技术，实际运用时可以将图像信号转化为数字信号，依托计算机实现对信息的高效处理。数字图像技术包含了图像变换、图像增强复原、图像分类识别、数字摄影测量等内容，在工业生产、现代通信、工程测量等领域应用广泛。将数字图像技术引入到岩土工程测试领域，可以借助数码照相机、透射电镜技术、计算机层析技术等，获取丰富的数字图像，再通过数字图像技术处理，就可以实现对岩土体力学性质、现场地质等信息的有效分析与把握[2]。另外，对数字图像技术的应用优点进行归纳，主要有：①再现性好。相较于模拟图像处理，数字图像处理不会因为图像储存、复制、传输等，出现图像质量降低的情况，甚至还可以借助图像处理软件对其进行优化改善。②适用面宽。图像的信息来源比较多，可以是电子显微镜图像，也可以是遥感影像或者航空照片。③灵活性高。依托数字图像技术，不仅可以完成线性运算，还能开展非线性处理工作，实际应用中要结合实际分析不同图像、数据之间存在的内在逻辑关系，通过运算分析来有效应用[3]。

2 数字图像技术在岩土工程中的应用

2.1 在宏观变形领域中应用

数字图像技术在岩土工程的宏观变形领域中的应用，主要体现在以下几方面：①实验室测试。在实验室测试研究中，可以将数字图像技术用于分析可视化和数字化分析现象，在三轴试验、岩体断裂过程分析等中，实现对整个测试过程的有效监控，应用中可以将相机放到有限的空间内容，完成测试工作后提取所拍摄图像中的重要数据，比如在岩土材料剪切过程中，经常会遇到应变局部化的情况，不过在实验过程中对剪切带的扩展进行监测难度比较大，而应用数字图像技术处理以后，就可以直接通过三轴测试单元，对三轴电池内部的真实视图进行有效捕捉，使岩土材料剪切试验和三轴试验变得更为直观，针对测试过程中的细节也能通过数字图像数据挖掘出来，并在模型试验研究中得到有效应用[4]。②地质灾害监测。由于数字图像技术本身拥有实时、高效和精准等优势特点，将之运用到岩土工程测量中，可以借助孔径雷达有效掌握亚厘米精度空间连续变形情况，进而为滑坡、塌陷等地质灾害科学评估预测提供基础数据支持。具体实践中，利用数字图像技术可以实现大规模的岩土监测分析工作，依托遥感和地理信息系统建立地区地理数据库，然后基于建立起来的数字高程模型，对监测地区地形特征和地质灾害图进行确定，甚至还可以利用数字图像处理技术对不同时期拍摄到的图像进行锐化、去噪等处理，然后在前后对比分析中及时发现岩土工程内部存在的病害，进而为工程整体稳定性情况分析和后续开展科学化施工提供有力的数据支持。

2.2 在非可视领域中应用

由于数字图像技术也是一种粒子追踪方法，将之运用到岩土工程非可视领域中，也能对图像中斑点、粒子的位移情况进行有效确定，具体表现：①微观结构。在准确把握岩土体内部的微观结构及其组成以后，可以有效预测分析岩土体在外力作用下的应力应变状况，在此基础上实现对岩土体内部微观结构力学响应和破坏机制的控制。实际操作中，可以运用数字图像技术对土和岩体进行定量化的研究与分析，在准确把握岩土材料的颗粒形状、粒径球度等信息数据后，对出现的变形破坏情况作出宏观解释，甚至还可以在了解岩土颗粒微观物理力学性质以后，依托得到的相关物理参数建立离散元模型，以更好把握岩石、土体的微观结构和相应物理力学数值[5]。②高速动力学。岩体在遭受到外界荷载作用以后会被破坏，且岩体遭受外力越大，破坏的速度也会越快，勘察人员可以通过破裂面的特征，来分析对裂纹的性质，操作中对数字图像技术进行运用，就可以直接通过高速摄像机来获取岩体破坏过程，在明确裂纹起始位置和之后延伸以后，确定裂纹的形成机制。另外，还可以运用数字图像处理技术，对岩体材料自身性质进行细致探究，涉及到的内容有研究和分析结构面数量、充填介质等在冲击状态下岩土破裂过程。③声学成像。考虑到岩土体的材料性质和内部结构，在很大程度上决定了岩土体的力学性能和整体稳定性，因此加强岩土内部信息研究显得十分有必要。实际操作中一般会运用声学成像技术开展工作，作为一种可以将声学信息有效转换成数字图像信息的技术，实践中可以充分利用这项技术非接触性、穿透性较强的优势特点，实现对岩土体内部结构信息的有效探究与分析，比如在对桩基缺陷进行监测分析时，可以通过开展超声波钻孔作业，实现对深部岩体结构面特征的有效了解，然后利用三维声发射定位和计算机断层成像技术，有效把握岩体缓慢破坏进程，最后形成高分辨率的地质形态，便于发现桩基存在缺陷，然后对其进行优化处理[6]。

2.3 在应力探测领域中应用

考虑到岩土内部应力分布和加载卸载应力传导，会直接影响到整个岩土体的稳定性，而要掌握这一情况，就要借助数值模拟或者室内试验手段，探究岩体内部应力分布及传导规律。操作中无论采用哪种方式，都需要运用数字图像技术进行处理分析，实践中会在获取土石混合体相片和进行数字图像处理以后，开展颗粒流建模模拟工作，以实现对土石混合体力学性质的有效掌握，有了数字图像技术的支持，便于勘察人员直观看到岩石材料的细观结构，然后采用有限元法-离散元法得到岩样破裂时的应力分布状况。

3 实际案例分析

3.1 工程概况

某建筑工程总面积约为2 500 万m2，主要是由3栋15~22 层的高层住宅楼组成，建筑结构为框架结构。在开展建筑施工之前对工程岩土情况进行细致分析，发现场地地形地貌呈现出东南西北低、中部地形起伏不大、区境兼有丘陵低山等的特点。在地质构造上较为简单，没有发现大的断裂和褶曲，地层主要是由人工填土、粉质黏土、粉土和卵石土等构成。该区地下水类型主要为孔隙型潜水，且水量十分丰富，水位年变化幅度约为2.0 m[7]。在全面系统把握和分析该建筑项目的地质水文条件后，在开展地下基础结构施工时，为保证岩土稳定性和增加支挡结构，决定将钢筋或钢索的一端固定到孔底的稳定岩土体中，再将钢筋拉紧产生一定的回弹力，然后将钢筋的另一端固定到岩土体或者支挡结构表面，以最大程度地增大滑动面上的抗剪强度，起到提高岩土体稳定性的作用。为有效掌握预应力锚固结构在张拉荷载作用下的断面特性和不同锚固施工形式下岩土体细观位移发展状况，决定借助室内模型试验和数字图像变形量测方法开展深入探究，具体过程和结果见下。

3.2 试验介绍

在开展模型试验工作之前，需要做好试验材料、装置等准备工作，涉及到的试验材料主要是由石粉、砂、水等混合料配置而成，在浇筑模型之前将锚杆放置到预定位置，浇筑过程中要保证位置固定准确不可发生偏移，待完成模型浇筑工作以后，就可以撤除玻璃，并在观测面上撒上一层标准砂作为观测点，对于试验过程所使用的照明设备、数码相机等也要加以调试，以便后续正常拍摄作业。同时，在整个试验过程中，分级加载主要是以模型锚杆的位移作为控制条件，并根据实际位移量在杆体对应的位置做标志，在读取图像杆体标志点的像素垂直位移值及代表的实际长度后，就可以得到杆体相对应的位移量[8]。

3.3 单锚工况

在位移场发展方面，初始锚杆长度为100 mm，在完成配置工作以后混合料演变为硬塑状态，这对于硬质杆体来说，较软混合料更容易引发拉力变形情况，且在这过程中可以直观地看到锚杆体周围软弱岩土体的位移发展状况，如图1 所示。锚固体的位移主要是沿着锚杆轴向发生，在杆体两侧呈现出U 型对称分布的特点，侧面反映随着荷载不断增大，锚杆体位移情况也会随之增长，轴向位移的影响范围也会朝着端部发展，甚至还会在锚固段前部出现隆起现象。而径向位移的发生更多体现在内锚固段尾部，这是因为受到上拔荷载作用影响，杆体与周围介质的黏结作用有向杆体移动发展的趋势，在杆体上拔以后，锚固段所隆起的岩土体就会失去周围介质的约束作用，进而出现径向位移的状况，涉及到的锚固段表面岩土体会开始向两侧进行扩展[9]。在锚固体剪应变场发展方面，一旦锚杆周围岩土体出现抗剪强度不够的情况，就会对周围岩土体造成较大的扰动和破坏。为了对张拉荷载作用下的周围岩土体破坏形态有一个直观细致的了解，需要采用数字图像处理技术对岩土体破坏方式进行定性分析，如图2 所示。透过所得剪应场发展图，发现剪应变场底部已经出现超出锚端部一定距离的情况，这一现象与锚杆张拉形成的位移场影响范围是基本吻合的，不过这一过程锚杆形成的剪应力依然达不到岩土体的极限抗剪强度，可以判定剪应变区内的岩土体依然处于弹性阶段。

图1 锚固体周围软弱岩土体位移场云图

图2 杆体上拔剪应变场情况

3.4 群锚工况

在锚间岩土体位移发展方面，试验过程可以发现相较于单锚工况分析，岩土群锚相互作用机理更加复杂，考虑到实际岩土锚固工程施工的经济性和安全性，在很大程度上取决于群锚之间发生的相互作用，因此如何科学合理利用群锚之间岩土体的自身承载力，防止锚固段张拉裂缝出现，成为本次试验探究的重点内容。操作中通过数字图像技术，可以直观看到双锚同时张拉锚间土体位移场的实际发展和演化过程，特别是在张拉初期阶段，位移场并不能够发生相互影响作用，但是随着杆体不断的上拔，对岩土体带来的影响也会逐渐朝着锚固段底部转移，整个过程对岩土体进行改变主要是以轴向位移为主，所得到的变形强化作用也是群锚应力叠加形成的最终结果。在锚间距影响方面，由于锚杆间距的选择是锚固工程设计中需要考虑的一项重要内容，因此在该试验过程中，将群锚间距设置为锚杆直径的1.2 倍，借助数字图像技术对锚杆间距带给锚固体位移的影响进行细致观察与分析，透过图3可以发现，伴随着杆体间距不断的减小，锚固体内外侧岩土体变形情况也存在较大差异，其中外侧岩土体变形会在上拔荷载作用下，朝着杆体轴向和径向2 个方向移动，内侧岩土体变形主要为轴向位移，这一位移情况的发生主要受到拉伸变形影响[10]。

图3 锚杆间对锚间岩土体位移的影响

3.5 结果分析

通过运用数字图像技术对岩土锚固效应的细观机制进行试验探究，发现在单锚工况下，轴向位移主要发生在杆体的两侧位置，且会呈现出U 型对称发展的特征，在准确把握这一情况后，可以将杆体周围岩土体位移划分为3 个区域，即两侧斜上方隆起区、轴向拉伸中部拉伸区和后端横向扰动区，最终试验也表明岩土体破坏是以一种近似于锥体的形式发生。而在群锚工况下岩土体更多是出现拉伸变形的情况，且随着拉伸区轴向位移的不断增强，另外区域径向位移会呈现出不断减弱的趋势。再借助室内模型试验和数字图像变形量测，对预应力锚固结构在张拉荷载作用下的断面特性进行深入研究后，可以准确把握位移情况发生的内在作用机理，然后根据所得图像信息对工程施工进行优化设计，确保整个岩土体稳定性和建筑的实际使用性能。

4 结束语

伴随着社会经济不断的发展，各种建设项目也日渐增多，在开展建筑项目作业时，利用常规技术方法分析岩土工程的水文地质情况，只能获得定性描述分析，无法获取岩土的深度数据情况。而数字图像技术作为一种精度较高和非接触的光学测量手段，将之运用到岩土工程中，借助现代信息技术能有效获取丰富的岩土数字图像，在加强岩土体力学性质分析、岩土室内试验测量中，完成对岩土工程的定量定性分析，推动岩土工程获得进一步的发展。