[发明专利]土石混合体三维细观结构重建与分析方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及岩土介质分析技术领域，尤其涉及一种土石混合体三维细观结构重建与分析方法及系统。

背景技术

土石混合体是自然界中广泛存在的一类复杂的岩土介质，也是地质工程、岩土工程中经常遇到的一类地质体。由于土石混合体内部超径块石的存在，使得其物理力学性质很难通过传统的室内或野外试验进行获取。土石混合体物理力学性质的研究一直以来是岩土工程界面临的难题。

随着数值计算技术的发展，数值试验为土石混合体物理力学性质的研究并揭示这类岩土体的变形破裂机理提供了新的技术支持。在开展土石混合体的数值试验研究时，建立与物理力学试验一致的计算分析模型，是确保数值计算可靠性的重要基础。然而，目前在土石混合体的三维细观结构模型生成方面，基本是采用将块石简化为球体、凸多面体等简单的几何形体，然后采用计算机随机生成的方式，产生相应的细观结构模型。这种方法难于保证所建立的模型与物理试验模型的一致性，从而使得计算分析结果难以与物理试验很好的对比，参考价值不高。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的第一个目的在于提出一种土石混合体三维细观结构重建与分析方法。该方法可方便地生成土石混合体的三维细观结构模型，并可直接用于土石混合体的细观结构分析，具有分析结果精确可靠的优点。

本发明的第二个目的在于提出一种土石混合体三维细观结构重建与分析系统。

为了实现上述目的，本发明的第一方面的实施例公开了一种土石混合体三维细观结构重建与分析方法，包括以下步骤：制备土石混合体试样；对所述土石混合体试样进行CT扫描以得到所述土石混合体试样的CT断层图像序列；获取所述CT断层图像序列中每一张CT断层图像中的块石断面区域，并对所述块石断面区域进行分割以得到多个独立的块石断面；对所述每一张CT断层图像中的多个独立的块石断面进行配准，并根据配准结果生成块石的三维细观结构模型；以及对所述块石的三维细观结构模型进行分析以确定所述土石混合体试样的含石量、粒度分布、块石空间分布、块石几何特性和块石形态特性。

另外，根据本发明上述实施例的土石混合体三维细观结构重建与分析方法还可以具有如下附加的技术特征：

在一些示例中，通过有机玻璃制样筒制备所述土石混合体试样，通过CT扫描机对所述土石混合体试样进行扫描。

在一些示例中，所述获取CT断层图像序列中每一张CT断层图像中的块石断面区域，并对所述块石断面区域进行分割以得到多个独立的块石断面，进一步包括：对所述CT断层图像序列中每一张CT断层图像进行滤波去噪；对滤波去噪后的每一张CT断层图像进行二值化处理以确定所述块石断面区域和土体区域；通过腐蚀和膨胀的图像形态学运算对所述块石断面区域进行分割以得到多个独立的块石断面。

在一些示例中，所述对每一张CT断层图像中的多个独立的块石断面进行配准，并根据配准结果生成块石的三维细观结构模型，进一步包括：依次对每一张CT断层图像上的所有块石断面的边界进行识别与编号，并计算每个块石断面的几何特征指标；对所有CT断层图像上的块石断面的边界进行配准以得到所述配准结果；根据所述块石断面的几何特征指标和所述配准结果生成所述块石的三维细观结构模型。

在一些示例中，所述对块石的三维细观结构模型进行分析以确定土石混合体试样的含石量、粒度分布、块石空间分布、块石几何特性和块石形态特性，进一步包括：对块石的三维细观结构模型进行渲染和展示，以根据渲染和展示结果确定所述土石混合体试样的含石量、粒度分布、块石空间分布、块石几何特性和块石形态特性。

本发明的第二方面的实施例公开了一种土石混合体三维细观结构重建与分析系统，包括：土石混合体试样制备装置，用于制备土石混合体试样；CT断层图像扫描装置，用于对所述土石混合体试样进行CT扫描以得到所述土石混合体试样的CT断层图像序列；三维模型重建模块，用于获取所述CT断层图像序列中每一张CT断层图像中的块石断面区域，并对所述块石断面区域进行分割以得到多个独立的块石断面，以及对所述每一张CT断层图像中的多个独立的块石断面进行配准，并根据配准结果生成块石的三维细观结构模型；以及三维细观结构信息统计分析模块，用于对所述块石的三维细观结构模型进行分析以确定所述土石混合体试样的含石量、粒度分布、块石空间分布、块石几何特性和块石形态特性。

另外，根据本发明上述实施例的土石混合体三维细观结构重建与分析系统还可以具有如下附加的技术特征：