基于最大球算法定量表征土體空間孔隙網絡*

解朝陽 張 巍 姚東方 王 堅 朱雨辰

(南京大學地球科學與工程學院， 南京 210046， 中國)

0 引 言

孔隙網絡是流體在土體內部賦存的物理空間，它決定著土體的滲透性，控制著土體內部流體及物質的遷移速率，并使土體在變形階段產生超孔壓及排水固結行為； 此外，砂土液化、非飽和土的毛細管力及基質吸力等重要的工程性質本質上也都由土體孔隙網絡所控制(Mitchell et al.，2005)。

分析掃描電鏡(SEM)數字圖像可獲得土樣的孔隙結構定量特征。施斌等采用莫斯科大學研制的Videolab圖像分析系統，獲得了鄖縣膨脹黏土、太平洋洋底軟泥等樣品SEM圖像的孔隙數量、孔隙相對面積、平均孔徑、孔徑分布以及孔隙平均形狀系數等形貌特征與定向性指標(施斌等， 1995； 施斌， 1996)。Liu et al. (2011)基于數字圖像理論，自行編制了孔隙與裂隙分析系統(PCAS)，并用PCAS分析了8張SEM圖像，研究黏土樣在直剪試驗過程中孔隙結構變化的定量特征，所獲得信息包括孔隙面積、孔隙數、平均形狀系數、孔隙周長、定向性以及概率熵、概率分布指數與分形維數等。但需指出，分析SEM圖像僅能對土樣在平面內的孔隙結構加以表征。壓汞(MIP)與氮氣吸附法(NA)能獲得土樣的孔徑分布與比表面積(李志清等， 2017)，卻難以進一步表征土樣孔隙及其網絡的定量幾何特征。與以上方法相比，工業顯微CT(μCT)具有無損、非侵入式透視成像的優點，可提供微米尺度的高分辨率二維層析圖像(劉治清等， 2017)。張巍等(2017)使用南京粉砂土樣，基于三維二值矩陣運算，對CT成像表征單元體內沿空間任意方向切面的孔隙定向性進行了表征，同時還獲得了沿土樣高度方向孔隙率的空間分布。……