CN116465815B - 一种土体宏微观孔隙结构分形方法及系统 - Google Patents

一种土体宏微观孔隙结构分形方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及土力学仿真领域,尤其是一种土体宏微观孔隙结构分形方法及系统,其中,本发明所提供的所述土体宏微观孔隙结构分形方法包括如下步骤:提供待测土体;提供侵入液体,并将所述侵入液体压入所述待测土体;采集侵入液体压入所述待测土体时的数据信息;利用所述数据信息,获得孔隙孔径分界区间;根据所述孔隙孔径分界区间,表征所述待测土体的土体宏微观孔隙结构。本发明基于对液体侵入和土体孔隙特征的关系,利用液体侵入土体过程中的数据信息,通过确定孔隙孔径分界区间实现了土体宏微观孔隙结构的精确分形表征。本发明为土体宏微观孔隙结构的研究和实际应用提供了有效工具,具有准确性、实用性、可靠性和广泛应用性等优点。

Description

一种土体宏微观孔隙结构分形方法及系统
技术领域
本发明涉及土力学仿真领域,尤其是一种土体宏微观孔隙结构分形方法及系统。
背景技术
土体的孔径分布表征了土体中存在的孔隙孔径尺寸大小对应的概率密度分布,以及各孔隙孔径所占的比率。土体中的孔径大小以及分布,对土体的力学性质,以及流经土体的液体与气体的渗透性和吸附性均有着重要的影响。土体的孔径,即孔隙大小,与土体的压实度高度相关。一般低压实度的土体样本,其宏观孔径的孔隙分布较多,由于外在做功继续压密低压实度的土体样,使得土体颗粒排列更紧密,转而成为中、高压实度的土体试样,从而导致试样的宏观孔径孔隙大幅度减少。
膨润土作为常用的高放射性核燃料处置的缓冲材料,其土体宏微观结构的研究结果可用于膨润土的各项土力学指标仿真,同时对实际工程选取适用的膨润土类型有着重要意义。膨润土宏微观结构由膨润土体中的孔隙系统表征,膨润土孔隙系统中的孔隙主要分为两类:宏观孔隙和微观孔隙。但当前宏观孔隙和微观孔隙并没明确的划分标准,具体的分解参数主要依照研究人员意志,主观性强;并且,由于膨润土在不同土体吸力及压实度状态,尤其是低压实度状态下,膨润土的孔隙系统通过宏观孔隙和微观孔隙两种孔隙类型进行简单区分,并不能满足后续膨润土各项土力学指标仿真的应用需求。
发明内容
针对现有土体宏微观孔隙结构分形表征方法在实际应用上的不足,为了实际应用的需求,第一方面,本发明提供了一种土体宏微观孔隙结构分形方法以实现土体宏微观孔隙结构的精准分形。所述土体宏微观孔隙结构分形方法包括如下步骤:提供待测土体;提供侵入液体,并将所述侵入液体压入所述待测土体;采集侵入液体压入所述待测土体时的数据信息;利用所述数据信息,获得孔隙孔径分界区间;根据所述孔隙孔径分界区间,表征所述待测土体的土体宏微观孔隙结构。本发明基于对液体侵入和土体孔隙特征的关系,利用液体侵入土体过程中的数据信息,通过确定孔隙孔径分界区间实现了土体宏微观孔隙结构的精确分形表征。本发明为土体宏微观孔隙结构的研究和实际应用提供了有效工具,具有准确性、实用性、可靠性和广泛应用性等优点。
可选地,所述提供待测土体,包括如下步骤:提供待测土体,并确定所述待测土体的土体吸力和初始压实度;提供液氮,并利用所述液氮冷冻所述待测土体;提供干燥机,并利用所述干燥机干燥冷冻后的待测土体。冷冻和干燥处理可以有效地保持土体的原始形态和结构特征。这有助于保留土体孔隙的形状和大小,提供更准确的分形分析基础。同时,使用液氮和干燥机处理土体相对简单,不需要复杂的设备或技术,这增加了方法的实用性和可操作性。
可选地,所述数据信息包括侵入液体的特性、进液压力以及进液压力下累积的进液体积。通过记录侵入液体的特性、进液压力以及进液压力下累积的进液体积,可以获取更为全面和综合的数据信息。这有助于对土体孔隙结构的分形特征进行更准确和全面的分析。
可选地,所述利用所述数据信息,获得孔隙孔径分界区间,包括如下步骤:利用所述数据信息,获得进液压力对应的孔隙孔径和进液体积变化梯度;通过孔隙孔径和对应的进液体积变化梯度,获得离散数据;利用所述离散数据,拟合多条线性回归方程;通过所述线性回归方程,获得孔隙孔径分界区间。本发明通过使用线性回归拟合方程来获得孔隙孔径分界区间,在一定程度上实现了的自动化分析,节省了人工处理数据和计算的时间。
可选地,所述利用所述数据信息,获得进液压力对应的孔隙孔径和进液体积变化梯度,包括如下步骤:根据侵入液体的特性,搭建孔隙孔径模型;利用所述数据信息,搭建进液体积变化梯度模型;结合所述孔隙孔径模型和所述进液体积变化梯度模型,获得进液压力对应的孔隙孔径和进液体积变化梯度。通过利用数据信息建立孔隙孔径模型和进液体积变化梯度模型,可以实现定量分析、模型灵活性和数据关联性,为分形分析提供更准确和全面的结果。
可选地,所述孔隙孔径模型,包括如下公式:,其中,/>表示孔隙直径,/>表示进液压力,/>表示侵入液体的表面张力,/>表示侵入液体与待测土体之间的非湿润接触角。
可选地,所述进液体积变化梯度模型,满足如下公式:,其中,/>表示进液体积变化梯度,/>表示进液压力P下累积的进液体积/>的变化量,/>表示最大进液压力/>下累积的进液体积/>的变化量,/>表示进液压力P的变化量。
可选地,所述孔隙孔径分界区间,满足如下模型:,其中,/>,i表示多个线性回归方程的排序序号,/>表示第i个线性回归方程与第/>个线形回归线方程之间的第i个孔隙孔径分界区间,/>表示进液压力和孔隙孔径的转换系数,/>表示用于拟合第i个线性回归方程的离散数据对应的进液压力,/>表示用于拟合第i个线性回归方程的离散数据对应的最小进液压力值,/>表示用于拟合第i+1个线性回归方程的离散数据对应的进液压力,表示用于拟合第i+1个线性回归方程的离散数据对应的最大进液压力值。
可选地,所述表征所述待测土体的土体宏微观孔隙结构,包括如下规则:当时,第i个孔径分界尺度为/>或者/>;当时,第i个孔径分界尺度为/>。通过本发明提供的表征规则获得的准确的孔径分界尺度,不仅符合实际土体宏微观孔隙孔径分界规则,参数化的获取方式还具有规则性、可解释性、灵活性和直观性的优点。这有助于获得准确、可靠且易于理解的土体孔隙结构分形表征结果。
第二方面,本发明还提供了一种土体宏微观孔隙结构分形系统,所述土体宏微观孔隙结构分形系统包括输入设备、处理器、存储器和输出设备,所述输入设备、所述处理器、所述存储器和所述输出设备相互连接,其中,所述存储器用于存储计算机程序,所述计算机程序包括程序指令,所述处理器被配置用于调用所述程序指令,执行本发明第一方面所提供的土体宏微观孔隙结构分形方法。本发明所提供土体宏微观孔隙结构分形系统,结构紧凑,运行稳定,并且具有极强的拓展性,有助于针对不同待测土体样本进行对应的系统改造,在扩大本发明的适用范围的同时,也保证了土体宏微观孔隙结构分形方法的稳定执行。
附图说明
图1为本发明实施例所提供的土体宏微观孔隙结构分形方法流程图;
图2为本发明实施例所提供的步骤S04具体实施流程图;
图3为本发明实施例所提供的离散数据图;
图4为本发明的土体宏微观孔隙结构分形系统结构图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例,应当注意,这里描述的实施例只用于举例说明,并不用于限制本发明。在以下描述中,为了提供对本发明的透彻理解,阐述了大量特定细节。然而,对于本领域普通技术人员显而易见的是:不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中,为了避免混淆本发明,未具体描述公知的电路,软件或方法。
在整个说明书中,对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着:结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此,在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外,可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外,本领域普通技术人员应当理解,在此提供的示图都是为了说明的目的,并且示图不一定是按比例绘制的。
针对现有土体宏微观孔隙结构分形表征方法在实际应用上的不足,为了满足实际应用的需求,在一个可选的实施例中,本发明提供了一种土体宏微观孔隙结构分形方法以实现膨润土土体宏微观孔隙结构的精准分形表征,请参见图1,图1为本发明实施例所提供的土体宏微观孔隙结构分形方法流程图。如图1所示,本发明所提供土体宏微观孔隙结构分形方法,包括如下步骤:
S01、提供待测土体。
在一个可选的实施例中,步骤S01所述的提供待测土体,具体包括如下实施步骤:
S011、提供待测土体,并确定所述待测土体的土体吸力和初始压实度。
土体吸力与压实度对土体宏观微观孔隙孔径分布有着较大的影响,同时,在通过本发明后续步骤获得待测土体对应的数据信息的过程中,由于外部施加的进液压力会对待测土体内部结构产生一定的影响,尤其是对低压实度的待测土体会产生影响,因此,应当理解,本发明步骤S01中所提供的待测土体的土体吸力和初始压实度已知,以便获取在该土体吸力和初始压实度下精准的孔隙结构分形数据。
在本实施例中,为分析低压实度下的钙基膨润土的孔隙分形特征,步骤S01所提供的待测土体为初始压实度为1.27g/cm3,土体吸力为3.29MPa的钙基膨润土。该钙基膨润土化学组成成分包括:SiO2、Al2O3、Fe2O3、TiO2、CaO、MgO、Na2O、K2O、P2O5、MnO、FeO、SO3、CaCO3以及CO2;该钙基膨润土中主要阳离子含量如表1所示:
S012、提供液氮,并利用所述液氮冷冻所述待测土体。
为保证待测土体在后续测量过程中内部结构的稳定性,步骤S012通过液氮实现对待测土体宏微观孔隙结构的冷冻固定。在本实施例中,为了达到固定土体样本宏微观结构的目的,上述通过液氮冷冻所述土体样本的冷冻时长设置在10-30分钟。
S013、提供干燥机,并利用所述干燥机干燥冷冻后的待测土体。
上述干燥机可以选用冷冻干燥机或者烘箱干燥机。由于烘箱干燥机会使得土体样本中一部分已凝固的液体再次液化或者汽化,进而导致孔隙变化从而影响宏微观孔隙分界孔径的精准。因此,在本实施例中,干燥机提供的是冷冻干燥机。
S02、提供侵入液体,并将所述侵入液体压入所述待测土体。
应当理解,步骤S02中所提供的侵入液体不会与待测土体发生任何化学反应,同时侵入液体在通过外部施加进液压力进入待测土体的过程中,由于提供的待测土体宏微观孔隙结构经过冷却干燥等操作后已固定,因此,近似认为待测土体宏微观孔隙结构不会因为外部施压而改变。进一步地,步骤S02可通过压汞法实现。
在一个可选的实施例中,步骤S02通过压汞法实现。在本实施例中,压汞法的侵入液体可选用表面张力为0.484N/m的汞液(Hg)。待测土体包括初始压实度为1.27g/cm3,土体吸力为3.29MPa的钙基膨润土、初始压实度为1.6g/cm3,土体吸力为3.29MPa的钙基膨润土、以及初始压实度为1.9g/cm3,土体吸力为3.29MPa的钙基膨润土。
在本实施例中,通过选取具有相同土体吸力,不同初始压实度的同种类型钙基膨润土,并结合后续发明步骤,可实现初始压实度对钙基膨润土的宏微观孔隙结构分形特征影响的定量分析数据的获取。
在又一个可选的实施例中,步骤S02通过压汞法实现。在本实施例中,压汞法的侵入液体是表面张力为0.484N/m的汞液(Hg)。待测土体包括:初始压实度为1.27g/cm3,土体吸力为3.29MPa的钙基膨润土;初始压实度为1.27g/cm3,土体吸力为38MPa的钙基膨润土;以及初始压实度为1.27g/cm3,土体吸力为286.7MPa的钙基膨润土。
在本实施例中,通过选取具有相同初始压实度,不同土体吸力的同种类型钙基膨润土,并结合后续发明步骤,可实现在低压实度下,土体吸力对钙基膨润土的宏微观孔隙结构分形特征影响的定量分析数据的获取。
S03、采集侵入液体压入所述待测土体时的数据信息。
步骤S03中所述数据信息包括侵入液体的特性、侵入液体压入待测土体内部时的进液压力以及进液压力下累积的进液体积。
在一个可选的实施例中,步骤S02提供表面张力为0.484N/m的汞液(Hg),通过压汞法实现。当实施压汞法时,汞液的进液压力从0开始逐步递增至最大进液压力,当达到最大进液压力/>,待测土体达到饱和状态,侵入液体的累积总体积保持不变。
在本实施例中,步骤S03中采集的数据包括:汞液的进液压力、任一进液压力下累积的汞液体积,以及最大进液压力下累积的汞液体积;其中,最大进液压力下累积的汞液体积也表示整个压汞法压入膨润土土体内部的汞液总体积。
S04、利用所述数据信息,获得孔隙孔径分界区间。
在一个可选的实施例中,请参见图2,图2为本发明实施例所提供的步骤S04具体实施流程图。如图2所示,步骤S04所述的利用所述数据信息,获得孔隙孔径分界区间,包括如下步骤:
S041、利用所述数据信息,获得进液压力对应的孔隙孔径和进液体积变化梯度。
进一步,在一个可选的实施例中,步骤S041所述的利用所述数据信息,获得进液压力对应的孔隙孔径和进液体积变化梯度,包括如下步骤:
S0411、根据侵入液体的特性,搭建孔隙孔径模型。
在本实施例中,侵入液体的特性包括侵入液体的表面张力,以及侵入液体与待测土体之间的非湿润接触角。通过侵入液体的特性构建孔隙孔径模型,包括如下公式:,其中,/>表示孔隙直径,/>表示进液压力,/>表示侵入液体的表面张力,/>表示侵入液体与待测土体之间的非湿润接触角。
在本实施例中,侵入液体为表面张力为0.484N/m的汞液,汞液与待测土体的非湿润接触角为130°,因此对应的进液压力与孔隙孔径的第一转换模型具体为:,其中,/>表示孔隙直径,/>表示进液压力。
S0412、利用所述数据信息,搭建进液体积变化梯度模型。
在本实施例中,通过所述数据信息搭建的进液体积变化梯度模型,满足如下公式:,其中,/>表示进液体积变化梯度,P表示进液压力,/>表示进液压力的变化量,/>表示最大进液压力,/>表示进液压力P下累积的进液体积,/>表示/>的变化量,表示最大进液压力/>下累积的进液体积,/>表示/>的变化量。
S0413、结合所述孔隙孔径模型和所述进液体积变化梯度模型,获得进液压力对应的孔隙孔径和进液体积变化梯度。
在本实施例中,利用孔隙孔径模型()和进液体积变化梯度模型(/>),可计算出任一进液压力/>对应的孔隙孔径/>和进液体积变化梯度/>
S042、通过孔隙孔径和对应的进液体积变化梯度,获得离散数据。
在一个可选的实施例中,步骤S042还包括利用所述离散数据获得离散数据图。请参见图3,图3为本发明实施例所提供的离散数据图。如图3所示,离散数据图的坐标系为双对数坐标系,其横坐标为孔隙孔径(在图3中表征的是孔隙半径,单位为微米,μm),纵坐标为进液体积变化梯度(单位为MPa-1),双对数坐标系内离散的小圆点即为离散数据,任一个小圆c点表征的数据为一进液压力对应的孔隙孔径和进液体积变化梯度,并且通过多个小圆点汇聚成了所述的离散数据图。
S043、利用所述离散数据,拟合多条线性回归方程。
在本实施例中,步骤S043以逐步递增的进液压力对应离散数据作为数据源,在双对数坐标系下,通过设定线性回归方程中离散数据的相关系数程度阈值、数据源数量、线形回归方程个数等参数控制线性回归方程的拟合,最终获得多段线性回归方程。
S044、通过所述线性回归方程,获得孔隙孔径分界区间。
进一步地,步骤S044通过所述线性回归方程获得的孔隙孔径分界区间,满足如下模型:,其中,/>,i表示多个线性回归方程的排序序号,/>表示第i个线性回归方程与第/>个线形回归线方程之间的第i个孔隙孔径分界区间,/>表示进液压力和孔隙孔径的转换系数,/>表示用于拟合第i个线性回归方程的离散数据对应的进液压力,/>表示用于拟合第i个线性回归方程的离散数据对应的最小进液压力值,/>表示用于拟合第i+1个线性回归方程的离散数据对应的进液压力,表示用于拟合第i+1个线性回归方程的离散数据对应的最大进液压力值。进一步地,/>为线性回归方程的数量,/>为孔隙孔径分界区间的数量。请参见图3,基于图3中的基于离散数据源,步骤S044拟合出了4条线性回归线。
S05、根据所述孔隙孔径分界区间,表征所述待测土体的土体宏微观孔隙结构。
应当理解,由于步骤S03中采集的数据信息中,进液压力范围从0开始逐步递增直至在最大进液压力,当达到最大进液压力/>,侵入液体累积总体积保持不变,因此步骤S05所述的对应模型中对应的进液压力范围为/>。同时,在进行线性拟合时,相邻的线性回归方程可能共用同一个离散数据,也可能分别用了两个相邻的离散数据。因此,针对任一孔隙孔径分界区间,满足如下条件:/>,/>
在本实施例中,步骤S05根据所孔隙孔径分界区间,表征所述待测土体的土体宏微观孔隙结构,包括如下规则:当时,第i个孔径分界尺度为或者/>;当/>时,第i个孔径分界尺度为
请参见图3,本实施例所提供的待测土体为初始压实度为1.27g/cm3,土体吸力为3.29MPa的钙基膨润土,通过本发明的方法获得了该待测土体的3个孔径分界尺度sign1、sign2和sign3()。其中,sign1为钙基膨润土的宏观孔隙结构和微观孔隙结构的分界孔径,sign2和sign3为宏观孔隙结构中内部的孔隙孔径分界标志,即进一步对宏观孔隙结构的精准分形表征。
本发明的土体宏微观孔隙结构分形方法不仅实现了待测土体宏微观孔隙结构间宏观孔隙和微观孔隙的明确划分;还实现了宏观孔隙结构内部的精准分形表征,这解决了,尤其是在低压实度下,待测土体宏微观孔隙系统的精准分形表征问题,为后续精准预测土体膨胀力等各项土力学指标提供精准的分形数据,弥补了现有土体宏微观孔隙结构分形表征方法在实际应用上的不足,并满足了实际应用的需求。
请参见图4,为稳定执行本发明的土体宏微观孔隙结构分形方法,本发明还提供了一种土体宏微观孔隙结构分形系统,所述土体宏微观孔隙转换半径的确定系统包括输入设备、处理器、存储器和输出设备,所述输入设备、所述处理器、所述存储器和所述输出设备相互连接,其中,所述存储器用于存储计算机程序,所述计算机程序包括程序指令,所述处理器被配置用于调用所述程序指令,执行本发明所述的土体宏微观孔隙结构分形方法。本发明所述土体宏微观孔隙结构分形系统的确定系统结构紧凑,运行稳定,并且具有极强的拓展性,有助于针对不同待测土体样本进行对应的系统改造,在扩大本发明的适用范围的同时,也保证了土体宏微观孔隙结构分形系统的稳定执行。
在一个可选的实施例中,所称处理器可以是中央处理单元(Central ProcessingUnit,CPU),该处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital SignalProcessor,DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。输入设备可以用于获取采集到的侵入液体压入待测土体内部时的数据信息。输出设备可以用于将通过本发明所提供的任一项提供的存储器中存储计算机程序中包含的程序指令得到的待测土体的土体宏微观结构分形结果的输出。该存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器,并向处理器提供指令和数据。存储器的一部分还可以包括非易失性随机存取存储器。例如,存储器还可以储设备类型的信息。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围,其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (3)

1.一种土体宏微观孔隙结构分形方法,其特征在于,所述土体宏微观孔隙结构分形方法包括如下步骤:
提供待测土体;
提供侵入液体,并将所述侵入液体压入所述待测土体;
采集侵入液体压入所述待测土体时的数据信息,所述数据信息包括侵入液体的特性、进液压力以及进液压力下累积的进液体积;
利用所述数据信息,获得孔隙孔径分界区间;
根据所述孔隙孔径分界区间,表征所述待测土体的土体宏微观孔隙结构;
所述利用所述数据信息,获得孔隙孔径分界区间,包括如下步骤:
利用所述数据信息,获得进液压力对应的孔隙孔径和进液体积变化梯度;
通过孔隙孔径和对应的进液体积变化梯度,获得离散数据;
利用所述离散数据,拟合多条线性回归方程;
通过所述线性回归方程,获得孔隙孔径分界区间;
所述利用所述数据信息,获得进液压力对应的孔隙孔径和进液体积变化梯度,包括如下步骤:
根据侵入液体的特性,搭建孔隙孔径模型,所述孔隙孔径模型包括如下公式:,其中,/>表示孔隙直径,/>表示进液压力,/>表示侵入液体的表面张力,/>表示侵入液体与待测土体之间的非湿润接触角;
利用所述数据信息,搭建进液体积变化梯度模型,所述进液体积变化梯度模型,满足如下公式:,其中,/>表示进液体积变化梯度,/>表示进液压力P下累积的进液体积/>的变化量,/>表示最大进液压力/>下累积的进液体积/>的变化量,/>表示进液压力P的变化量;
结合所述孔隙孔径模型和所述进液体积变化梯度模型,获得进液压力对应的孔隙孔径和进液体积变化梯度;
所述根据所述孔隙孔径分界区间,表征所述待测土体的土体宏微观孔隙结构,
其中,所述孔隙孔径分界区间满足如下模型:,其中,/>,i表示多个线性回归方程的排序序号,/>表示第i个线性回归方程与第/>个线形回归线方程之间的第i个孔隙孔径分界区间,/>表示进液压力和孔隙孔径的转换系数,/>表示用于拟合第i个线性回归方程的离散数据对应的进液压力,/>表示用于拟合第i个线性回归方程的离散数据对应的最小进液压力值,/>表示用于拟合第i+1个线性回归方程的离散数据对应的进液压力,/>表示用于拟合第i+1个线性回归方程的离散数据对应的最大进液压力值;
所述表征所述待测土体的土体宏微观孔隙结构,包括如下规则:当时,第i个孔径分界尺度为/>或者/>;当时,第i个孔径分界尺度为/>
2.根据权利要求1所述的土体宏微观孔隙结构分形方法,其特征在于,所述提供待测土体,包括如下步骤:
提供待测土体,并确定所述待测土体的土体吸力和初始压实度;
提供液氮,并利用所述液氮冷冻所述待测土体;
提供干燥机,并利用所述干燥机干燥冷冻后的待测土体。
3.一种土体宏微观孔隙结构分形系统,其特征在于,所述土体宏微观孔隙结构分形系统包括输入设备、处理器、存储器和输出设备,所述输入设备、所述处理器、所述存储器和所述输出设备相互连接,其中,所述存储器用于存储计算机程序,所述计算机程序包括程序指令,所述处理器被配置用于调用所述程序指令,执行如权利要求1至2任一项所述的土体宏微观孔隙结构分形方法。
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