基于深度学习的黄土干湿循环损伤分析_宋佳.pdf

收稿日期：；修回日期：作者简介：宋 佳（），男，山西太原人，硕士研究生，从事岩土工程研究。：通信作者：白 杨（），男，陕西泾阳人，博士研究生，从事特殊土的工程性质研究。：，（）：基于深度学习的黄土干湿循环损伤分析宋 佳，白 杨，王小林（西安科技大学 建筑与土木工程学院，西安）摘 要：为研究干湿循环条件下黄土的微观结构变化规律，以西安市黄土为例，先基于灰度共生矩阵提取黄土灰度图像纹理特征，计算土壤的微观裂纹和孔隙面积占比，然后通过深度学习时序回归预测模型建立起灰度纹理特征和微观裂纹与孔隙面积占比之间的联系，计算土壤干湿循环损伤因子判断土壤干湿循环损伤程度。研究表明：在 次干湿循环内，土壤团粒边缘结构破坏，微观裂纹和孔隙急剧增加；在 次干湿循环内，土壤结构纹理化走向逐渐明显，趋近于平行水分迁移方向；经历 次干湿循环后，土壤的干湿循环损伤破坏比例达到；经过 次干湿循环后，土壤的干湿循环损伤已不再增大，即土壤微观结构纹理化已经趋于稳定。关键词：黄土；干湿循环；微观结构；灰度共生矩阵；深度学习中图分类号：文献标志码：文章编号：（）开放科学（资源服务）标识码（）：，（，）：，；，；，.；，：；研究背景黄土作为特殊土的一种，广泛分布于我国西北、华北和东北地区。黄土的组成成分多样，含有多种氧化物，以 为主，然后是、，其次为、和 等。黄土颗粒之间较为疏松，含有许多可溶性物质，使其具有多孔性、垂直节理和湿陷性等特殊性质。在工程建设中黄土往往容易被流水侵蚀，破坏其原有的结构，导致塌方、滑坡和不均匀沉降等各种问题。当气候处于旱季时，黄土较为干燥，而气候处于雨季时黄土较为湿润，旱雨季类型的干湿循环对黄土造成循环性风化损伤破坏。在这个干湿循环过程中，黄土原有颗粒的尺寸、位置和 第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报 年 月 组成成分均发生改变，宏观上导致黄土的抗剪强度、渗透性和压缩模量产生改性。干湿循环条件下的土壤微观结构变化规律，可通过扫描电镜、射线衍射和核磁共振技术等技术从物理层面直观描述。等试验研究了干湿循环对压实低塑性黏土基质吸力和体积特性的影响，发现随着循环次数的增加，干湿循环下土壤保水曲线（）的位置向下移动。等进行直接剪切试验以研究多个干湿循环对不饱和压实黏土剪切行为的影响。等通过扫描电镜和压汞法研究了干湿循环对改性膨胀土的膨胀行为和可压缩性的影响，膨胀土微观结构表现出退化趋势。等通过电镜扫描发现在粉质黏土干燥 湿润循环过程中，土壤颗粒被拉近，导致微观结构的变化，从而导致力学行为的改变。叶万军等通过干湿循环试验揭示细微观结构变化与宏观力学性质的相关关系，并区分古土壤与黄土间存在的差异性。赵贵涛等通过压汞试验研究冻融循环、干湿循环和交替的干湿冻融循环对压实膨胀土的微观结构、土水特征曲线和收缩特征曲线的影响。胡长明等通过电镜扫描从微观角度研究干湿循环引起的压实黄土强度劣化，同时采用 数值模拟分析干湿循环作用下压实黄土填方边坡稳定性。万勇等从微观层次揭示了压实黏土在干湿循环作用下的变形特性和强度衰减内在本质。袁志辉等采用单轴拉伸法对干湿循环条件下黄土抗拉强度进行试验研究，多次的干湿循环作用打破了原状黄土的原有结构，使得其抗拉结构强度消失。目前土壤干湿循环损伤处于试验探索阶段，其理论尚不完善，基于土壤微观纹理建立土壤干湿循环损伤理论迫在眉睫。本文采用灰度共生矩阵法，利用陕西西安地区的黄土电镜扫描图片提取黄土微观纹理特征，通过建立基于长短期记忆网络（）的深度学习时序回归预测模型描述黄土纹理特征和土壤微观裂纹与孔隙占比之间的联系，依据干湿循环损伤模型计算土壤干湿循环损伤因子，揭示土壤微观结构在干湿循环过程的变化规律。试验过程 试验材料试验用土为取自陕西西安地区的黄土，气候为暖温带半湿润大陆性季风气候，在施工季土壤干湿循环较为频繁，其基本性质如表 所示。表 西安试验黄土基本性质 黄土时期孔隙率含水率密度（）干密度（）液限塑限第四纪地质时期 试验装置试样微观结构试验装置采用荷兰飞纳 台式扫描电子显微镜，如图 所示，其 分辨率优于 ，放大倍数区间为 ，采用背散射电子探测器。图 扫描电子显微镜 （）试验方案采用胶头滴管将水滴滴在试样的滤纸上以均匀湿润土壤，再将土壤试样密封静置，此时土壤试样含水率达到设定状态。将湿润土样置于恒温烘箱进行干燥，当含水率达到 可认为土壤试样处于干燥状态，视为土壤进行了一次干湿循环。通过滴入滤纸的水滴数量控制土样的含水率，试验土壤含水率控制在 ，将土壤试样分别编号为 组、组，分别进行 次、次、次、次和 次干湿循环试验，用美工刀将试样修剪成 的试块在喷金处理后进行电镜扫描。将试样分别放大、倍，得到 组电镜扫描照片。试验结果及分析 灰度共生矩阵电镜扫描图像灰度在空间位置上的分布反映了土壤试样的微观纹理结构，扫描图像的灰度空间相关特性可以用来描述土壤试样微观纹理结构在干湿循环条件下的变化规律。灰度共生矩阵是对土壤电镜扫描图像中固定距离的两像素具有某种灰度进行的统计，可用来描述土壤试样图像灰度的空间相关特性。可通过编程读取电镜扫描灰度图像，可表示为（，），则反映该图像灰度一定空间关系的灰度共生矩阵 为 长江科学院院报 年（，）（，），（，）（，）（，）。（）式中：为求集合中的元素个数；为土壤图像中一定空间关系的像素对集合；等号右边分子为满足一定空间关系的像素对灰度分别为 和 的个数；分母为电镜扫描图像的像素对总个数。在求解土壤试样图像的灰度共生矩阵时，设置两像素之间的距离为 保持不变，两像素之间的角度选取、。在具体进行土壤试样微观纹理结构的评价时，选取 个指标作为土壤试样灰度图像的纹理特征统计值，分别为对比度、相关性、熵、平稳度和二阶矩。其中对比度 计算公式为（）（，）。（）式中：与 分别为相邻像素的灰度；（，）为相邻像素灰度差为 的像素分布概率。灰度图像对比度反映了土壤试样灰度图像的微观纹理结构深浅的程度，是对黄土试样内部微观裂纹和颗粒孔隙深浅程度的描述，灰度图像对比度越大，则说明微观裂纹和孔隙深度越深。相关性 的计算公式为（）（）（，）。（）其中：（，）；（，）；（）（，）；（）（，）。式中：和 为相邻两个像素的灰度均值；和 为相邻两个像素的灰度标准差。土壤电镜扫描灰度图像相关性描述了二维灰度图像微观裂纹和孔隙的纹理走向，某一方向的相关性大说明土壤试样的微观纹理走向沿该方向进行。灰度图像相关性的变化说明了土壤试样的纹理走向的变化程度，相关性越大，土壤纹理性越强。熵 的计算公式为（，）（，）。（）土壤试样电镜扫描灰度图像熵描述了土壤试样微观结构纹理在二维灰度图像中的空间分布状况，当土壤试样微观裂纹和孔隙数量增多时，土壤试样微观纹理结构趋于破坏和混乱化，土壤试样灰度图像熵变大。平稳度 的计算公式为 （）（，）。（）土壤试样灰度图像平稳度反映了土壤试样微观纹理结构的粗糙程度，土壤试样微观裂纹与孔隙在二位灰度图像中截面积越大，灰度连续性越强，则平稳度越大。二阶矩 的计算公式为 （，）。（）土壤试样灰度图像二阶矩描述了土壤试样微观纹理均匀程度状态，二阶矩越小则说明土壤试样灰度图像灰度共生矩阵灰度越接近，结构纹理比较细致。灰度图像二阶矩随土壤干湿循环的变化反映了土壤微观裂隙和孔隙的变化状态，随着裂隙和孔隙的增大，二阶矩也逐渐变大。选择合适的电镜扫描图像放大倍数电镜扫描图像可以将土壤试样放大不同的倍数，选取合适的放大倍数对基于灰度共生矩阵的土壤试样微观结构分析至关重要。以 组未进行干湿循环的土壤试样为例，电镜扫描图像如图 所示，土壤呈现团粒结构，多为针孔状孔隙，含钙质条纹及少量钙质结核。通过编程求取土壤电镜扫描图像的灰度共生矩阵，计算灰度图像的对比度、相关性、熵、平稳度和二阶矩，如图 所示。土壤团粒(c)5 0 0 0 倍土壤团粒土壤团粒(a)5 0 0 倍(b)2 0 0 0 倍图 不同放大倍数的电镜扫描图像 一般来说，灰度图像指标随图像放大倍数的变化规律呈现一致性，而图 中指标量熵和二阶矩出现突 第 期宋 佳 等 基于深度学习的黄土干湿循环损伤分析5 0 0 004 06 08 01 0 005 0 0 03.43.63.805 0 0 00.0 1 20.0 1 30.0 1 405 0 0 01.51.61.705 0 0 01.21.41.6图片放大倍数图片放大倍数图片放大倍数图片放大倍数图片放大倍数对比度相关性平稳度二阶矩/1 04熵(a)对比度(b)相关性(d)平稳度(e)二阶矩(c)熵0.0 1 5图 灰度共生矩阵各指标量与放大倍数的关系 变现象，在放大倍数为 倍时突然增大，是由于图像放大倍数过大，所计算指标过于局部，使计算结果过小。但若只放大 倍，又显得放大倍数过小，难以将干湿循环过程中土壤试样颗粒和孔隙发展规律表现出来，因此对干湿循环条件下土壤微观结构机理的研究采用放大倍数为 倍的电镜图像。从图 可知熵和二阶矩的发展趋势较为相似，对 个指标量相关性进行分析，结果如表 所示。熵和二阶矩相关性显著，在进行土壤试样干湿循环微观结构机理研究时，本文只选取指标量熵进行分析。表 灰度共生矩阵指标量之间的相关关系 指标量相关系数对比度相关性熵平稳度二阶矩对比度相关性熵平稳度二阶矩 注：表示在 级别（双尾），相关性显著。干湿循环条件下灰度指标变量变化将 组土壤试样电镜扫描图像放大倍数设定为 倍，在、次干湿循环条件下，土壤试样灰度图像如图 所示。根据试样灰度图计算土壤试样图像灰度共生矩阵指标量，如图 所示。图 中土壤试样指标量对比度随着干湿循环次数的增加从 减小到，呈现反“”型曲线，减小速度逐渐增大后又逐渐减小。土壤试样结构纹理逐渐变浅，是由于干湿循环过程中土壤试样水分会产生迁移和蒸发现象，不断冲刷土壤试样团粒致使土壤试样整体纹理变浅。30 m30 m30 m30 m30 m(a)0次(b)1次(c)2次(d)4次(e)6次图 不同干湿循环次数下土壤试样灰度图像 4060800.0110.0120.0130.014对比度熵平稳度相关性024602463.83.73.61.81.71.6干湿循环次数干湿循环次数02460246干湿循环次数干湿循环次数(a)对比度(b)相关性(c)熵(d)平稳度图 指标量随干湿循环次数变化 灰度共生矩阵指标量相关性从 增加到，增加速度逐渐减小，表明土壤试样的纹理走向随干湿循环次数的增加逐渐明显，说明在干湿循环过程中土壤试样原有微观裂纹和孔隙在水分迁移的不断冲刷下不断扩大，与此同时在水气的转化作用下土壤试样又不断产生新的微观裂纹和 长江科学院院报 年 孔隙，使土壤试样变得更加蓬松，在水分迁移冲刷作用下土壤试样中形成了沿原有水分迁移通道的纹理走向。试样灰度共生矩阵指标量熵随干湿循环次数的增加呈现“”走向，从 增加到，表明土壤试样微观结构纹理复杂度增加。在干湿循环过程中，在土壤水分的迁移冲刷下试样微观裂纹和孔隙数量和大小增加，土壤试样团粒结构边缘不断圆润，颗粒丰度不断提高，纹理结构复杂度不断增大。随着干湿循环次数的增加，土壤试样灰度共生矩阵指标量平稳度不断增大，这表明随着干湿循环次数的增加，土壤试样灰度图像中灰度较为连续，在图像不同区域之间微观裂纹和孔隙变化逐渐趋于均匀化，这是由于干湿循环过程中水分的迁移和蒸发使得在原试样中未产生微观裂纹和孔隙的区域不断产生新的微观裂纹和孔隙，使得土壤试样微观裂纹和孔隙在二维灰度图像的分布中趋于均匀化，土壤试样不同区域间都出现或多或少的水分迁移通道，土壤试样中的针状孔隙之间彼此连通，出现条形孔隙，如图 所示。相关性和平稳度沿凸曲线发展，在 次干湿循环后达到极值。干湿循环条件下土壤孔隙面积测量对放大 倍的土壤电镜扫描图像进行伪彩色处理，增强图像中土壤微观裂纹和孔隙与土壤团粒的对比显示效果，如图 所示。随着干湿循环次数的增加，土壤中原有的微观裂纹和针状孔隙不断受到水分迁移的冲刷，彼此间逐渐连通形成较大的土壤微观裂纹，土壤纹理更加浅显。土壤中水分的迁移将土壤团粒周围的分散颗粒冲刷到一起形成新的土壤颗粒。土壤中原有结构的点点接触、点边接触、边边接触、边面接触和面面接触在干湿循环过程中