CN108827987B - 一种含气土样中气泡空间位置分布均匀性的评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含气土样中气泡空间位置分布均匀性的评价方法，包括：制备含大气泡土圆柱型样品；采集三维空间数据；进行三维重构；截取研究样本；选取水平切片样本；将每个水平切片样本分为等面积扇区并计算各个等面积扇区内的气泡截面积比；切取竖直切片样本；提取研究样本中所有气泡的等效直径以及气泡体心坐标信息；计算研究样本中总体气泡的体心与样本体心的偏差率、研究样本的气泡截面积比的变异系数以及研究样本中气泡间距均匀度；综合评定含气土样中气泡空间位置分布的均匀性。本发明具有可定量评价人工模拟制备的含气样品中的气泡分布均匀性，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优点。

Description

一种含气土样中气泡空间位置分布均匀性的评价方法

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空间位置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空间位置分布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分布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分布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分布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评价人工模拟制备的含气样品中的气泡分布均匀性，为检验含气土室内人工模拟制备方法的有效性判定提供判据的含气土样中气泡空间位置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空间位置分布均匀性的评价方法，其特征在于：所述含气土样中气泡空间位置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扫描仪，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专业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，按固定角度β为单位，将每个水平切片样本分为Z个等面积扇区；所述Z＝360/β；

7)将各个等面积扇区中气泡截面面积总和与相应所属扇区的面积之比定义为气泡截面积比η，计算得出各个等面积扇区内的气泡截面积比η_i；

8)以含大气泡土圆柱型样品的中轴为圆心，按固定角度β为单位，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，将各个竖直切片样本中气泡截面面积总和与相应所属竖直切片样本的面积之比定义为竖直切片样本中的气泡截面积比，计算并得出各个竖直切片样本中的气泡截面积比η_j；

9)分别提取研究样本中所有气泡的等效直径以及气泡几何体心坐标信息；

10)分别计算水平切片样本以及竖直切片样本的气泡截面比的变异系数、研究样本中总体气泡的体心与样本体心的偏差率以及研究样本中气泡间距均匀度；基于统计原理，采用基于总体气泡体心偏差率的分布均匀性评价方法、基于气泡截面积比的分布均匀性评价方法和基于气泡间距均匀度的分布均匀性评价方法，综合评定含气土样中气泡空间位置分布的均匀性。

作为优选，本发明所采用的步骤10)中，采用基于总体气泡体心偏差率的分布均匀性评价方法综合评定含气土样中气泡空间位置分布的均匀性的具体实现方式是：

总体气泡体心与研究样本体心的偏差计算公式如下：

式中：

N是土样中气泡的总个数；

x，y，z分别是总体气泡几何体心的空间坐标；

x_i，y_i，z_i分别是截面上第i个气泡几何体心的坐标；

V_i是第i个气泡的体积；

X，Y，Z分别是研究样本整体的几何体心空间坐标；

s是总体气泡的几何体心与土样几何体心距离的偏差；

把距离偏差转换为无量纲的偏差率r：

r＝s/R

式中：

r是总体气泡几何体心与土样几何体心距离的偏差率；

R是研究样本上所有点中到其几何体心的最大距离；

若偏差率r很小，则总体气泡的体心与土样体心基本重合，判定气泡在土样的内部空间中是分布均匀的。

作为优选，本发明所采用的步骤10)中，采用基于气泡截面积比的分布均匀性评价方法综合评定含气土样中气泡空间位置分布的均匀性的具体实现方式是：

变异系数是反映随机变量变异程度的统计量，通过计算各水平切片样本各扇形区域内气泡截面积比和竖直切片样本各截面的气泡截面积比的变异系数来评价气泡在土样中分布的均匀性，计算公式如下：

δ＝θ/μ

式中：

δ是变异系数；

η_i是第i个扇形区域(或竖直截面)内气泡的截面积比；

μ是气泡截面积比的平均值；

θ是气泡截面积比的标准差；

若变异系数δ较小，则各截面内气泡的截面积比大小基本相同，说明气泡在各截面内分布均匀。

作为优选，本发明所采用的步骤10)中，采用基于气泡间距均匀度的分布均匀性评价方法综合评定含气土样中气泡空间位置分布的均匀性的具体实现方式是：

设某个切片截面上共有k个目标气泡，目标气泡两两之间的距离设为D_ij(i＝1,...,k,j＝1,...,k,i＜j)，用统计量C来表示目标气泡在该切片截面上分布的均匀度统计量：

计算各切片截面内气泡间距的均匀度，若各切片截面内气泡均匀度大小相差很小，则气泡在各切片截面上分布均匀。

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，本发明所采用的步骤8)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：

本发明公开了一种含气土样中气泡空间位置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，提取研究样本中所有气泡的等效直径、气泡几何体心坐标等信息；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；将每个水平切片分为(360/β)个等面积扇区，计算各个扇区内的气泡截面积比η_i；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，计算得出各个竖直切片中的气泡截面积比η_j。针对二值化处理的样本切片，计算各切片中的气泡截面比的变异系数、研究样本总体气泡的几何体心与样本几何体心的偏差率、切片中气泡间距均匀度等指标。最后，基于统计学原理，对含气土样中气泡分布均匀性进行定量评价。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分布均匀性，从而为检验含气土室内人工模拟制备方法的有效性判定提供依据。

附图说明

图1是本发明所提供的实施例中气泡截面积比分布直方图。

具体实施方式

本发明提供了一种含气土样中气泡空间位置分布均匀性的评价方法，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(分辨率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)将水平切片样本，以圆柱型样品的中轴为圆心，按角度β为单位，将每个水平切片分为(360/β)个等面积扇区；将各个扇区中气泡截面面积与相应所属扇区的面积之比定义为气泡截面积比η，计算得出各个扇区内的气泡截面积比η_i；(7)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)，计算得出各个竖直切片中的气泡截面积比η_j；(8)提取研究样本中所有气泡的等效直径、气泡几何体心坐标等信息；(9)计算研究样本中总体气泡的体心与样本体心的偏差率、研究样本中各切片中的气泡截面积比的变异系数、研究样本中气泡间距均匀度；(10)基于统计原理，采用基于总体气泡体心偏差率的分布均匀性评价、基于气泡截面积比的分布均匀性评价和基于气泡间距均匀度的分布均匀性评价方法，综合评定含气土样中气泡分布的均匀性。

(a)基于总体气泡体心偏差率的分布均匀性评价

总体气泡体心与研究样本体心的偏差计算公式如下：

式中：

N为土样中气泡的总个数，x，y，z为总体气泡几何体心的空间坐标；x_i，y_i，z_i为截面上第i个气泡几何体心的坐标；V_i为第i个气泡的体积；X，Y，Z为研究样本整体的结合体心空间坐标；s为总体气泡的几何体心与土样几何体心距离的偏差。

把距离偏差转换为无量纲的偏差率r，

r＝s/R (2)

式中：r为总体气泡几何体心与土样几何体心距离的偏差率；R为研究样本上所有点中到其几何体心的最大距离。

若偏差率r很小，说明总体气泡的体心与土样体心基本重合，从而判定气泡在土样的内部空间是分布均匀的。

(b)基于气泡截面积比的分布均匀性评价

变异系数是反映随机变量变异程度的统计量。可以通过计算各水平切片截面各扇形区域内和各竖直切片截面内气泡截面积比的变异系数来评价气泡在土样中分布的均匀性，计算公式如下：

δ＝θ/μ (3)

式中：δ为变异系数；η_i为第i个扇形区域(或竖直切片截面)内气泡的截面积比；μ为气泡截面积比的平均值；θ为气泡截面积比的标准差。若变异系数δ较小，说明各截面内气泡的截面积比大小基本相同，进而说明气泡在各截面内分布均匀。

(c)基于气泡间距均匀度的分布均匀性评价

设某截面上共有k个目标气泡，目标气泡两两之间的距离设为D_ij(i＝1,...,k,j＝1,...,k,i＜j)，用统计量C来表示目标气泡在该截面上分布的均匀度统计量：

计算各截面内气泡间距的均匀度，若各截面内气泡均匀度大小相差很小，说明气泡在各截面上分布均匀。

在数理统计中，如果在数理统计中，如果总体分布是已知的，需要验证样本的分布与总体分布是否相同，或者对于总体分布未知的样本需要验证样本是否服从正态分布，可以使用χ²分布检验。若样本服从正态分布，可以判定气泡整体在土样空间中是均匀分布的。

实施例：

本发明是一种含气土样中气泡分布均匀性的评价方法，具体为：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个水平截面作为水平切片样本，将研究样本从上至下均分成6层；对水平切片样本，以圆柱型样品的中轴为圆心，按60度角为单位，将每个水平切片分为6个等面积扇区计算得出各个扇区内的气泡截面积比η_i；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个竖直截面作为竖直切片样本，计算得出各个竖直切片中的气泡截面积比η_j；提取研究样本中所有气泡的等效直径、气泡几何体心坐标等信息；研究样本中总体气泡的体心与样本体心的偏差率、计算研究样本中各切片中的气泡截面积比的变异系数、研究样本中气泡间距均匀度；基于统计原理，采用基于气泡截面积比的分布均匀性评价方法、基于总体气泡体心偏差率的分布均匀性评价方法和基于气泡间距均匀度的分布均匀性评价方法，综合评价含气土样中气泡空间位置分布的均匀性。

(a)基于总体气泡体心偏差率的分布均匀性评价

按照计算公式(1)得到s＝61.28μm，而R＝11585.81μm，由式(3)得出r＝0.005。说明总体气泡的体心与土样体心的偏差率很小，气泡整体的体心与土样整体的几何体心基本重合，初步说明土样中气泡为均匀分布。

(b)基于气泡截面积比的分布均匀性评价

由于水平切片共5个，每个水平切片被划分为6个等面积扇区，可以获得30个扇形区域内气泡截面积比，如表1。

表1各扇形区域内气泡截面积比η_i

通过式(4)计算得到气泡截面积比的平均值μ＝0.119，由式(5)得到标准差θ＝0.031，由式(3)得到气泡截面积比的变异性系数δ＝0.2605。竖直切片为3个，竖直截面的气泡截面积比分别为0.15162，0.14256和0.12038，通过式(4)计算得到气泡截面积比的平均值μ＝0.138，由式(5)得到标准差θ＝0.002，由式(3)得到气泡截面积比的变异性系数δ＝0.014。

由此可知，水平切片截面和竖直切面截面的变异性系数均较小，说明在各截面区域内气泡截面积比波动性小，可说明气泡在各截面上是均匀分布的。

(c)基于气泡间距均匀度的分布均匀性评价

将各截面的均匀度统计量用C_1i表示。通过计算得到：横截面1的均匀度统计量C₁₁＝0.495，横截面2的均匀度统计量C₁₂＝0.5，横截面3的均匀度统计量C₁₃＝0.494，横截面4的均匀度统计量C₁₄＝0.495，横截面5的均匀度统计量C₁₅＝0.493；纵截面1的均匀度统计量C₁₆＝0.496，纵截面2的均匀度统计量C₁₇＝0.498，纵截面3的均匀度统计量C₁₈＝0.496。由各截面的均匀度统计量可以看出，各横截面气泡间距离的均匀度统计量基本一致，说明各纵截面间气泡间平均距离的大小基本一致，则说明截面上气泡分布是均匀的。

根据30个气泡截面积比的取值范围，确定组限、组中值和频数绘制直方图如图1所示。

尝试使用正态分布对此分布密度函数进行拟合。在显著水平α＝0.05下，检验假设

H₀:F(x)∈{N(μ,σ²)}；

使用极大似然估计法估计样本μ和θ，由前面计算可知μ＝0.119，θ＝0.031；即将原假设H₀改写成F(x)是正态分布，服从N(0.119，0.031).

通过计算得到χ²的值为6.206。在显著性水平α＝0.05下，查χ²分布表得：

χ² _(1-α)(k-r-1)＝χ² _(1-0.05)(7-2-1)＝χ² _(1-0.05)(4)＝9.488

由于χ²＝6.206＜9.488＝χ² _(1-α)(k-r-1)，所以在显著水平α＝0.05下，接受H₀，即认为土样中气泡截面积比服从正态分布。

由以上分析知，含气泡软土样中不同大小气泡在空间上分布是均匀的。

Claims (8)

1.一种含气土样中气泡空间位置分布均匀性的评价方法，其特征在于：所述含气土样中气泡空间位置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扫描仪，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专业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，按固定角度β为单位，将每个水平切片样本分为Z个等面积扇区；所述Z＝360/β；

7)将各个等面积扇区中气泡截面面积总和与相应所属扇区的面积之比定义为气泡截面积比η，计算得出各个等面积扇区内的气泡截面积比η_i；

8)以含大气泡土圆柱型样品的中轴为圆心，按固定角度β为单位，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，将各个竖直切片样本中气泡截面面积总和与相应所属竖直切片样本的面积之比定义为竖直切片样本中的气泡截面积比，计算并得出各个竖直切片样本中的气泡截面积比η_j；

9)分别提取研究样本中所有气泡的等效直径以及气泡几何体心坐标信息；

10)分别计算水平切片样本以及竖直切片样本的气泡截面比的变异系数、研究样本中总体气泡的体心与样本体心的偏差率以及研究样本中气泡间距均匀度；基于统计原理，采用基于总体气泡体心偏差率的分布均匀性评价方法或基于气泡截面积比的分布均匀性评价方法或基于气泡间距均匀度的分布均匀性评价方法，综合评定含气土样中气泡空间位置分布的均匀性。

2.根据权利要求1所述的含气土样中气泡空间位置分布均匀性的评价方法，其特征在于：所述步骤10)中，采用基于总体气泡体心偏差率的分布均匀性评价方法综合评定含气土样中气泡空间位置分布的均匀性的具体实现方式是：

总体气泡体心与研究样本体心的偏差计算公式如下：

式中：

N是土样中气泡的总个数；

x，y，z分别是总体气泡几何体心的空间坐标；

x_i，y_i，z_i分别是截面上第i个气泡几何体心的坐标；

V_i是第i个气泡的体积；

X，Y，Z分别是研究样本整体的几何体心空间坐标；

s是总体气泡的几何体心与土样几何体心距离的偏差；

把距离偏差转换为无量纲的偏差率r：

r＝s/R

式中：

r是总体气泡几何体心与土样几何体心距离的偏差率；

R是研究样本上所有点中到其几何中心的最大距离；

若偏差率r很小，则总体气泡的体心与土样体心基本重合，判定气泡在土样的内部空间中是分布均匀的。

3.根据权利要求1所述的含气土样中气泡空间位置分布均匀性的评价方法，其特征在于：所述步骤10)中，采用基于气泡截面积比的分布均匀性评价方法综合评定含气土样中气泡空间位置分布的均匀性的具体实现方式是：

变异系数是反映随机变量变异程度的统计量，通过计算各水平切片样本各扇形区域内气泡截面积比和竖直切片样本各截面的气泡截面积比的变异系数来评价气泡在土样中分布的均匀性，计算公式如下：

δ＝θ/μ

式中：

δ是变异系数；

η_i是第i个扇形区域或竖直截面内气泡的截面积比；

μ是气泡截面积比的平均值；

θ是气泡截面积比的标准差；

若变异系数δ较小，则各截面内气泡的截面积比大小基本相同，说明气泡在各截面内分布均匀。

4.根据权利要求1所述的含气土样中气泡空间位置分布均匀性的评价方法，其特征在于：所述步骤10)中，采用基于气泡间距均匀度的分布均匀性评价方法综合评定含气土样中气泡空间位置分布的均匀性的具体实现方式是：

设某个切片截面上共有k个目标气泡，目标气泡两两之间的距离设为D_ij(i＝1,...,k,j＝1,...,k,i＜j)，用统计量C来表示目标气泡在该切片截面上分布的均匀度统计量：

计算各切片截面内气泡间距的均匀度，若各切片截面内气泡均匀度大小相差很小，则气泡在各切片截面上分布均匀。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的含气土样中气泡空间位置分布均匀性的评价方法，其特征在于：所述步骤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。

6.根据权利要求5所述的含气土样中气泡空间位置分布均匀性的评价方法，其特征在于：所述步骤8)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。

7.根据权利要求6所述的含气土样中气泡空间位置分布均匀性的评价方法，其特征在于：所述高精度CT扫描仪是微米级工业CT 。

8.根据权利要求7所述的含气土样中气泡空间位置分布均匀性的评价方法，其特征在于：所述高精度CT扫描仪的最小分辨率不大于5μm。