1、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
2、 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
3、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
4、 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
5、 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
6、 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
7、，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
8、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
9、 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
10、 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
11、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
12、、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
13、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
14、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
15、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
16、 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
17、 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
18、 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
19、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。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 图 灰 度 共 生 矩 阵 各 指 标 量
20、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
21、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
22、 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
23、浅。30 mm 30 mm30 mm 30 mm30 mm(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0 2 4 6 0 2 4 63.83.73.61.81.71.6干湿循 环次数 干湿循 环次数0 2 4 6 0 2 4 6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
24、 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
25、 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
26、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
27、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
28、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 持 续 发 育，土 壤 团 粒 边 缘 由 尖 锐 变 得 圆 润。将 伪 彩 色 图 像 变 为 图 像 分 割 模 式，将 灰 度 分 布概 率 密 度 最 大 处 定 为 土 壤 微 观 裂 纹 和 孔 隙 面 积 阈值，提 取 土 壤 微 观 裂
29、纹 和 孔 隙 面 积，将 已 提 取 土 壤 微观 裂 纹 和 孔 隙 面 积 的 土 壤 图 像 转 换 为 二 值 化 图 像，如 图 所 示，红 色 部 分 为 土 壤 微 观 裂 纹 和 孔 隙 区 域，灰 色 部 分 为 土 壤 颗 粒。由 图 中 红 色 部 分 的 发 展 趋势 可 以 看 出，随 着 干 湿 循 环 次 数 的 增 加，土 壤 原 有 结构 在 水 分 迁 移 作 用 下 被 破 坏 并 且 形 成 新 的 结 构，原始 细 小 深 刻 的 微 观 裂 纹 和 孔 隙 变 得 更 加 宽 大 浅 显，散 乱 分 布 的 土 壤 细 小 颗 粒 在 水 分 迁
30、移 的 冲 刷 下 集 中到 一 起 形 成 新 的 土 壤 颗 粒，使 得 土 壤 中 原 有 颗 粒 变得 圆 润，土 壤 纹 理 发 育 得 成 熟。图 不 同 干 湿 循 环 次 数 下 土 壤 试 样 伪 彩 色 图 像 提 取 图 中 前 次 干 湿 循 环 的 微 观 裂 纹 和 孔 隙像 素 面 积，计 算 土 微 观 裂 纹 和 孔 隙 部 分 在 土 壤 扫 描部 分 的 占 比，其 随 干 湿 循 环 次 数 的 关 系 曲 线 如 图 所 示。随 着 干 湿 循 环 次 数 的 增 加，土 壤 试 样 微 观 裂纹 与 孔 隙 的 占 比 逐 渐 增 加，从 最 初 经
31、 历 次干 湿 循 环 后 增 加 到，在 第 次 干 湿 循 环 时 土壤 微 观 裂 纹 与 孔 隙 占 比 达 到，增 加 速 度 不 断减 小。在 次 干 湿 循 环 后，其 纹 理 性 基 本 不 再 增 强，说 明 土 体 纹 理 化 已 经 完 成。干 湿 循 环 条 件 下 黄 土 损 伤 分 析 干 湿 循 环 条 件 下 黄 土 损 伤 模 型随 着 干 湿 循 环 次 数 的 增 加，土 壤 原 有 结 构 被 破坏，不 断 有 新 的 微 观 裂 纹 和 孔 隙 产 生，旧 有 微 观 裂 纹和 孔 隙 继 续 发 育，土 壤 结 构 纹 理 变 得 宽 大 浅 显。干
32、湿 循 环 对 土 壤 结 构 的 损 伤 微 细 观 方 面 主 要 表 现 在 土壤 微 观 裂 纹 和 孔 隙 面 积 增 加，宏 观 方 面 则 主 要 表 现在 土 壤 强 度 的 减 小。土 壤 微 观 裂 纹 和 孔 隙 面 积 占 比 第 期 宋 佳 等 基 于 深 度 学 习 的 黄 土 干 湿 循 环 损 伤 分 析图 不 同 干 湿 循 环 次 数 下 土 壤 试 样 微 观 裂 纹 和 孔 隙 图 土 壤 微 观 裂 纹 和 孔 隙 占 比 与 干 湿 循 环 次 数 关 系 在 一 定 程 度 上 可 以 反 映 干 湿 循 环 对 土 壤 原 有 结 构 的损 伤，
33、为 此 建 立 黄 土 干 湿 循 环 损 伤 模 型。对 各 灰 度图 像 指 标 量 进 行 拟 合，得 到 各 灰 度 指 标 量 随 干 湿 循环 次 数 增 加 的 变 化 规 律（）（为 干 湿 循 环 次 数），对 土 壤 微 观 裂 纹 和 孔 隙 面 积 占 比 随 干 湿 循 环 次 数 的变 化 曲 线 同 样 进 行 拟 合，得 到 土 壤 微 观 裂 纹 和 孔 隙面 积 占 比 随 干 湿 循 环 次 数 增 加 的 变 化 规 律（）。以 干 湿 循 环 次 数 为 时 间 轴，采 用 深 度 学习 算 法 建 立 土 壤 试 样 灰 度 图 像 指 标 量 和
34、土 壤 微 观 裂纹 和 孔 隙 面 积 占 比 之 间 的 时 序 回 归 预 测 模 型，得 到土 壤 微 观 裂 纹 和 孔 隙 面 积 占 比 随 灰 度 图 像 指 标 量 的变 化 规 律，如 式（）所 示。（），（），（），（）。（）式 中（）为 对 应 的 个 灰 度 图 像 指 标 变 量 关 于 干湿 循 环 次 数 的 拟 合 函 数。土 壤 微 观 裂 纹 和 孔 隙 面 积 占 比 拟 合 曲 线 表 明 土壤 在 未 进 行 干 湿 循 环 时 本 身 已 存 在 微 观 裂 纹 和 孔隙，说 明 土 壤 存 在 初 始 损 伤。实 际 上，未 进 行 干 湿 循环
35、 的 土 壤 的 压 力 强 度 是 基 于 初 始 损 伤 条 件 下 得 出的。土 壤 微 观 裂 纹 和 孔 隙 面 积 占 比 变 化 导 致 了 土 体应 力 强 度 的 变 化。土 体 有 效 应 力 与 应 力 之 比 为。（）式 中：土 体 应 力；土 体 有 效 应 力；为 土 体 微 元 受 到 的 压 力；为 无 损 土 体 截 面 积；为有 损 土 体 截 面 积。土 体 干 湿 循 环 有 效 应 力 与 土 体 未 进 行 干 湿 循 环有 效 应 力 之 比 为。（）式 中：为 土 体 进 行 干 湿 循 环 后 的 有 效 应 力；为 干 湿 循 环 后 土 体
36、 截 面 积；为 干 湿 循 环 条 件下 土 壤 微 观 裂 纹 和 孔 隙 面 积 占 比。土 体 未 进 行 干 湿循 环 有 效 应 力 等 于 土 壤 试 样 次 干 湿 循 环 的 有 效 应力，土 壤 干 湿 循 环 有 效 应 力 为（）。（）式 中：为 土 壤 试 样 次 干 湿 循 环 的 有 效 应 力；为 土 壤 试 样 次 干 湿 循 环 时 微 观 裂 纹 与 孔 隙 面积 占 比。根 据 式（）定 义 土 壤 干 湿 循 环 损 伤 因 子 为。（）干 湿 循 环 损 伤 时 序 回 归 预 测以 组 黄 土 试 样 为 例，前 次 干 湿 循 环 灰 度 指标
37、量 拟 合 曲 线 如 图 所 示。在 前 次 干 湿 循 环 中，试 样 对 比 度 和 熵 发 生 剧 烈 变 化，说 明 土 体 中 微 观 裂纹 和 孔 隙 迅 速 增 加。土 壤 干 湿 循 环 过 程 可 以 分 为 两阶 段：微 观 裂 纹 和 孔 隙 增 加、土 壤 结 构 纹 理 化。第 个 阶 段 主 要 在 前 次 干 湿 循 环 内 发 生，第 个 阶 段主 要 发 生 在 前 次 干 湿 循 环 内。按 次 干 湿 循 环 分 成 个 点，按 照 拟 合 长 江 科 学 院 院 报 年 图 灰 度 图 像 指 标 量 拟 合 曲 线 曲 线 可 得 到 灰 度 指 标
38、 量 和 土 壤 微 观 裂 纹 和 孔 隙 面 积占 比 的 个 数 据。同 时 建 立 深 度 学 习 时 序 回 归预 测 模 型，包 含 层、全 连 接 层 和 丢 弃 层。其 中 层 具 有 个 隐 含 单 元，全 连 接 层 大 小 为，丢 弃 层 丢 弃 概 率 为。以 的 学 习 率，小 批 量为 进 行 轮 训 练，梯 度 阈 值 为，以 组 土 壤试 样 灰 度 图 像 指 标 变 量 和 土 壤 微 观 裂 纹 与 孔 隙 占 比作 为 训 练 集 合，输 入 组 土 壤 试 样 灰 度 图 像 指 标 量，对 土 壤 微 观 裂 纹 和 孔 隙 占 比 进 行 时 序
39、回 归 预 测。第 组 土 壤 试 样 损 伤 因 子 深 度 学 习 时 序 回 归 预测 曲 线 与 实 际 土 壤 损 伤 因 子 变 化 曲 线 如 图 所 示。0 2 4 6 8 10 12干 湿循环 次 数0.050.100.150.200.250.30上壤干湿循环损 伤因子深度学习 时序回归预 测曲线损伤因子 变化曲线图 土 壤 损 伤 因 子 变 化 曲 线 深 度 学 习 时 序 回 归 预 测 曲 线 与 实 际 土 壤 损 伤 因子 变 化 曲 线 吻 合 度 较 高，干 湿 循 环 深 度 学 习 模 型 具有 较 好 的 可 靠 性。第 组 第 次 干 湿 循 环 损
40、 伤 因 子为，深 度 学 习 预 测 曲 线 第 次 损 伤 因 子 为，可 见，深 度 学 习 结 果 与 第 组 实 测 数 据 相 比也 较 为 贴 合。随 着 土 壤 干 湿 循 环 次 数 的 增 加，土 壤损 伤 因 子 逐 渐 增 大。土 壤 试 样 经 历 次 干 湿 循 环 后干 湿 循 环 损 伤 因 子 损 伤 比 例 达 到。在 次干 湿 循 环 后，土 壤 损 伤 因 子 增 加 速 度 几 乎 为，趋 近于 极 限 值。在 干 湿 循 环 过 程，土 壤 试 样 内 部 水分 出 现 迁 移 现 象，会 产 生 水 分 迁 移 通 道，在 土 壤 试 样中 形 成
41、 新 的 微 观 裂 纹 和 孔 隙，土 壤 中 的 微 观 裂 纹 和孔 隙 占 比 不 断 增 大，在 次 干 湿 循 环 后 土 壤 中 微 观裂 纹 和 孔 隙 占 比 增 加 到 一 个 极 限 值。此 时，在 干 湿循 环 损 伤 作 用 下 土 壤 颗 粒 只 进 行 重 组，土 壤 试 样 不再 产 生 新 的 微 观 裂 纹 和 孔 隙，干 湿 循 环 不 再 对 土 壤试 样 产 生 损 伤 作 用。结 论本 文 对 西 安 地 区 的 黄 土 进 行 干 湿 循 环 处 理，基于 灰 度 共 生 矩 阵 利 用 黄 土 试 样 电 镜 扫 描 灰 度 图 像 提取 土 壤
42、 纹 理 特 征 数 据，分 析 土 壤 微 观 结 构 变 化。以灰 度 图 像 最 大 概 率 密 度 分 布 的 灰 度 为 阈 值 计 算 土 壤微 观 裂 纹 和 孔 隙 占 比，通 过 深 度 学 习 时 序 回 归 预 测模 型 建 立 土 壤 纹 理 特 征 数 据 和 土 壤 微 观 裂 纹 和 孔 隙占 比 之 间 的 联 系，根 据 建 立 的 数 学 模 型 计 算 土 壤 干湿 循 环 损 伤 程 度，得 到 如 下 结 论：（）黄 土 试 样 灰 度 图 像 在 放 大 倍 时 能 够反 映 黄 土 干 湿 循 环 后 微 观 结 构 变 化。经 过 对 比，灰度
43、指 标 量 熵 和 二 阶 矩 呈 现 显 著 相 关 性，对 比 度 随 干湿 循 环 次 数 成 反“”型 曲 线，熵 呈“”型 曲 线 发 展，经 过 次 干 湿 循 环 后 达 到 极 限 值，相 关 性 和 平 稳 度沿 凸 曲 线 发 展，在 次 干 湿 循 环 后 达 到 极 值。（）在 干 湿 循 环 后，对 比 度 减 小，相 关 性、熵 和平 稳 度 不 断 增 大，说 明 土 壤 试 样 微 观 裂 纹 和 孔 隙 不断 增 大，纹 理 性 不 断 增 强。在 次 干 湿 循 环 后 土 壤试 样 中 基 本 不 再 产 生 新 的 微 观 裂 纹 和 孔 隙，土 壤 颗
44、粒 之 间 只 是 重 复 进 行 重 组，形 成 干 湿 循 环 中 与 水 分迁 移 方 向 趋 向 平 行 的 纹 理 走 向，在 次 干 湿 循 环 后纹 理 性 基 本 不 再 增 强。（）建 立 灰 度 指 标 变 量 和 土 壤 试 样 微 观 裂 纹 和孔 隙 占 比 深 度 学 习 时 序 回 归 预 测 模 型，可 以 较 好 地 反映 土 壤 的 干 湿 循 环 损 伤，经 次 干 湿 循 环 后，干 湿 循环 的 损 伤 趋 近 损 伤 极 限 值，说 明 土 壤 的 干 湿 循环 损 伤 是 有 限 的，在 次 干 湿 循 环 后 损 伤 不 再 增 大。（）土 壤
45、干 湿 循 环 损 伤 分 为 两 个 阶 段：微 观 裂纹 和 孔 隙 增 加、土 壤 结 构 纹 理 化。第 个 阶 段 主 要在 前 次 干 湿 循 环 内 发 生，第 个 阶 段 主 要 发 生 在前 次 干 湿 循 环 内。参 考 文 献：洪 勃，李喜 安，王 力，等 毛 细 管 渗 流 模 型 在 黄 土 渗透 性 中 的 应 用 探 讨 工 程 地 质 学 报，（）：第 期 宋 佳 等 基 于 深 度 学 习 的 黄 土 干 湿 循 环 损 伤 分 析 康 尘 云，王 少 凯，潘 登 丽，等 黄 土 垂 直 和 构 造 节 理 的 几何 差 异 性 及 拓 扑 学 研 究 长 江
46、 科 学 院 院 报，（）：，穆 青 翼，党 影 杰，董 琪，等 原 状 和 压 实 黄 土 持 水 特 性及 湿 陷 性 对 比 试 验 研 究 岩 土 工 程 学 报，（）：赖 金 星，邱 军 领，牛 方 园，等 浅 埋 偏 压 黄 土 隧 道 塌方 处治及 效 果 分 析 现 代 隧 道 技 术，（）：王 刚，孙 萍，吴 礼 舟，等 降 雨 诱 发 浅 表 层 黄 土 滑 坡机 理 实 验 研 究 工 程 地 质 学 报，（）：胡 玉 定，姚 继 涛，韩 晓 雷，等 黄 土 地 区 某 事 故 建 筑 物 不均 匀 沉 降 机 理 分 析 西 安 建 筑 科 技 大 学 学 报（自 然科
47、 学 版），（）：王 飞，李 国 玉，穆 彦 虎，等 干 湿 循 环 条 件 下 压 实 黄 土变 形 特 性 试 验 研 究 岩 土 力 学，（）：，（）：，：，：，（）：叶 万 军，吴 云 涛，杨 更 社，等 干 湿 循 环 作 用 下 古 土 壤 细微 观 结 构 及 宏 观 力 学 性 能 变 化 规 律 研 究 岩 石 力 学与 工 程 学 报，（）：赵 贵 涛，韩 仲，邹 维 列，等 干 湿、冻 融 循 环 对 膨 胀 土土 水 及 收 缩 特 征 的 影 响 岩 土 工 程 学 报，（）：胡 长 明，袁 一 力，王 雪 艳，等 干 湿 循 环 作 用 下 压 实 黄 土强 度 劣
48、 化 模 型 试 验 研 究 岩 石 力 学 与 工 程 学 报，（）：万 勇，薛 强，吴 彦，等 干 湿 循 环 作 用 下 压 实 黏土 力 学 特 性 与 微 观 机 制 研 究 岩 土 力 学，（）：袁 志 辉，倪 万 魁，唐 春，等 干 湿 循 环 下 黄 土 强 度 衰 减与 结构 强度 试 验研 究 岩 土力 学，（）：，朱 琳，党 发 宁，丁 卫 华，等 基 于 技 术 和 灰 度 共 生矩 阵 理 论 研 究 不 同 荷 载 作 用 下 混 凝 土 的 细 观 损 伤 演化 过 程 土 木 工 程 学 报，（）：代 杰 杰，宋 辉，盛 戈 皞，等 采 用 网 络 的 电 力
49、变压 器 运 行 状 态 预 测 方 法 研 究 高 电 压 技 术，（）：（编 辑：罗 娟）（上 接 第 页）王 子 娟 干 湿 循 环 作 用 下 砂 岩 的 宏 细 观 损 伤 演 化 及 本构 模 型 研 究 重 庆：重 庆 大 学，宋 朝 阳，纪 洪 广，刘 志 强，等 干 湿 循 环 作 用 下 弱 胶 结 岩石 声 发 射 特 征 试 验 研 究 采 矿 与 安 全 工 程 学 报，（）：李 元 辉，刘 建 坡，赵 兴 东，等 岩 石 破 裂 过 程 中 的 声 发射 值 及 分 形 特 征 研 究 岩 土 力 学，（）：朱 亮，陈 明，卢 文 波，等 轮 廓 爆 破 下 柱 状 节 理 岩 体开 裂 过程 的数 值 模拟 爆炸 与 冲击，（）：（编 辑：罗 玉 兰）刊 号：国 外 代 号：长 江 科 学 院 院 报 年
