CN103743624B - 土体拉伸过程中细观结构变化规律测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种土体拉伸过程中细观结构变化规律测试方法，包括如下步骤：（1）将土体在模具中压实，制得两端为圆柱体夹持端、中间为立方体拉伸段的土体试样，拆模后去除观测面的表层，露出试样的新鲜面；（2）将土体试样的两个夹持端分别固定在与夹持端尺寸相适配的两个拉伸夹具中；（3）先对拉伸装置进行标定，然后设定加载速率，开始施加连续拉伸荷载；（4）在不同的应变状态下，对土体的细部结构图像进行采集；（5）对采集的图像进行融合、拼接处理；（6）提取处理好图像的细观结构参数，进行量化分析。该方法通过对拉伸过程中土体细部结构的观测以及后期的量化分析，有助于分析土体拉伸破坏的机理以及建立拉伸破坏准则。

Description

土体拉伸过程中细观结构变化规律测试方法

技术领域

本发明涉及岩土工程中的一种测试方法，具体涉及一种土体在拉伸过程中细观结构变化规律的测试方法。

背景技术

在岩土领域中，岩土体的破坏包括压缩剪切破坏及拉伸破坏，近几十年来人们对土的压缩剪切性质的研究已经非常成熟，然而对土体拉伸破坏的研究却还停滞在初步阶段，这主要是由于土体的抗拉强度相对其抗剪强度较小，导致常常被忽略。但是，土体的拉伸破坏却往往直接或间接地导致土工建筑物的失稳或破坏，如地下建筑物的开挖导致上部结构的坍塌，土质边坡在降雨等外力作用下的滑坡，土石坝心墙水力劈裂等，这些灾害产生的前提都是拉应力区土体的破坏。众所周知，土体的宏观力学性能都是其微细观结构变化的反应，所以能够从细观层面上揭示土体拉伸过程中的结构变化，将有助于对土体拉伸性能及拉伸破坏机理更深层次的理解。

目前对土体拉伸性能的研究主要是在宏观的层面上通过直接或间接的试验方法来测试其抗拉强度，以及干密度、含水率等指标对抗拉强度的影响，并没有一种试验方法能够从细观的层面上结合图像处理技术对土体的拉伸性能进行更深一步的研究，去了解土体在拉伸过程中细观结构的变化规律。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种土体拉伸过程中细观结构变化规律测试方法，以提高在细观层面上对土体拉伸性能的研究水平。

技术方案：本发明所述的土体拉伸过程中细观结构变化规律测试方法，包括如下步骤：

（1）制作土体试样：将土体在模具中压实，制得两端为圆柱体夹持端、中间为立方体拉伸段的土体试样，两个夹持端与拉伸段之间平滑过渡，且两个夹持端与拉伸段的重心在同一水平线上；拆模后去除土体试样观测面表层，露出新鲜面；

（2）安装土体试样：将土体试样的两个夹持端分别固定在与夹持端尺寸相适配的两个拉伸夹具中；其中一个拉伸位置夹具固定，另一个拉伸夹具在拉力的作用下可自由移动；

（3）施加拉伸荷载：先对拉伸装置进行标定，然后设定加载速率，开始施加连续拉伸荷载；

（4）细观图像采集：在不同的应变状态下，对土体的细部结构图像进行采集；在初步变形阶段图像采集步长设为0.05%，在变形发生较快阶段步长设为0.02%；

（5）图像处理：基于小波变换原理，对采集的图像进行融合，运用模块匹配技术对融合后的图像进行拼接处理，得到若干张不同拉伸应变下的覆盖整个观测区域的完整清晰的图片；

（6）数据分析：分别提取处理好图像的细观结构参数，包括裂隙面积比、裂隙分布分维、颗粒定向度、颗粒圆度和颗粒分布分维，得到了每一个细观结构参数在不同拉伸应变状态下的数值，通过绘制曲线分析细观结构参数在整个拉伸过程中的变化规律。

步骤（3）中，对拉伸装置的标定方法为：施加荷载，观察位移传感器与力传感器的变化是否同步，若不同步则调整传感器的位置，使施加拉伸荷载时位移传感器与力传感器的变化同步。加载速率根据不同的加载阶段及变形状态进行调整，调整范围为0.01mm/min～0.1mm/min，加载速率在初步阶段可适当调大，可在0.05mm/min～0.1mm/min范围内，在变形发生较快的阶段需要降低到0.01mm/min～0.05mm/min范围内。

步骤（4）中，对土体的细部结构图像进行采集时，每一处观测区域根据不同的景深情况采集3-4幅图像，保证观测区域的每一部分都有清晰的图像。

裂隙面积比为裂隙的面积与整个面积的比值，在图像上由裂隙分布区域的像素总数与图像总像素数的比值得到，公式为：

裂隙分布分维为裂隙的分布情况，因为即使是在相同的裂隙面积比的情况下，不同的裂隙分布也会导致土性的很大不同。计算裂隙的维数时采用盒维法：

首先将一幅含有裂隙的图像，采用不同的边长为r₁,r₂,r₃,…r_n的正方形将图像分别分割成一个含有(L/r₁)×(L/r₁),(L/r₂)×(L/r₂),(L/r₃)×(L/r₃),…,(L/r_n)×(L/r_n)个正方形的网格，并分别统计每次分割后裂隙所占有的格子总数N,r与N之间存在如下的关系：

N～r^-K，式中K即为裂隙维数；

根据统计的结果将N和r的关系绘制于双对数坐标系中，得到lgN(r)-lg(r)曲线，该曲线呈线性，其斜率即为K。理论上r的取值越多，步长越小，所得的结果越精确，但在图像中进行分维计算时，由于像素的限制，r一般取整数值。

颗粒定向度是从方向的角度来反映颗粒的排列情况，按如下公式进行定向度计算：

$H=-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i\left(\mathrm{\α}\right){\log }_n{p}_i\left(\mathrm{\α}\right);$

式中：α为土体颗粒最长弦所对应的方位角；p_i为结构单元体在某一定向角区间中出现的概率；n为结构单元体排列方向的定向角区间数。

颗粒圆度是描述目标形状接近圆形的程度，其计算公式为：

$R=\frac{4\mathrm{\πS}}{L^2};$

式中：R为颗粒圆度；S为区域的面积；L为区域的周长。

颗粒分布分维用于描述颗粒的空间分布状态，其计算方法与裂隙分布分维的相同。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：本发明通过制作特定的土体试样结构，可以有效避免拉伸应力集中，拉伸装置与土体试样结构匹配，能够准确测量土体抗拉伸强度；通过图像融合及图像拼接分别解决了景深及局限观测区域的问题；通过细观结构参数的变化情况可以从细观的层面上准确的描述土体拉伸过程中内部结构的变化。

附图说明

图1为实施例1中土体试样模具的平面图；

图2为实施例1中拉伸夹具中前夹具的结构示意图；

图3为实施例1中拉伸夹具中后夹具的结构示意图；

图4为实施例1中不同拉伸轴向应变状态下细观结构图；

图5为实施例1中融合前后图像对比图；（1）-（3）为融合前图像，（4）为融合后图像；

图6为实施例1中拼接前后图像对比图；（1）-（9）为待拼接图像，（10）为拼接后图像；

图7为本发明试验方法流程图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1：本发明土体拉伸过程中细观结构变化规律测试方法，包括如下步骤：

（1）制作土体试样：根据干密度称取土样，配土养护后在模具中分5层压实，制得的土体试样形状类似哑铃状，两端为圆柱体夹持端、中间为立方体拉伸段，两个夹持端与拉伸段之间平滑过渡（曲率半径为2mm），试样高度为40mm，且两个夹持端与拉伸段的重心在同一水平线上。模具的平面图如图1所示。根据击实试验得到的最大干密度γ_max=1.75g/cm³,试样的压实度为95%，试样的体积为153.6cm³，初始含水量为12%，计算得到试样所需的质量为286g，由试验所需试样的含水量为25%可知试样需掺水33.2g，配土养护后分5层压实，每层质量为63.84g，层间刨毛，压实前在模具内壁涂一层润滑油。拆模后用胶带粘掉土体试样观测面表层，露出内部带有凹凸性的新鲜面；

（2）安装土体试样：将土体试样的两个夹持端分别固定在与夹持端尺寸相适配的两个拉伸夹具中；其中一个拉伸位置夹具固定，另一个拉伸夹具在拉力的作用下可自由移动；先移动试样将其一端固定于前面的夹具中，后移动后面的夹具固定试样的另一端，最后再用螺栓固定后面的夹具，保证在装样过程中试样不发生损坏，避免应力集中；夹具结构示意图如图2、3所示；

（3）施加拉伸荷载：先对拉伸装置进行标定，标定方法为：施加荷载，观察位移传感器与力传感器的变化是否同步，若不同步则调整传感器的位置，使施加拉伸荷载时位移传感器与力传感器的变化同步；然后设定加载速率，开始施加连续拉伸荷载；，设定初步加载速率为0.1mm/min，当应变达到0.2%时，调整加载速率为0.05mm/min；

（4）细观图像采集：在不同的应变状态下，对土体的细部结构图像进行采集，加载速率为0.1mm/min时图像采集步长为0.05%，加载速率为0.05mm/min时图像采集步长为0.02%，每一处观测区域根据不同的景深情况采集3-4幅图像，保证观测区域的每一部分都有清晰的图像；不同拉伸轴向应变状态下细观结构图如图4所示；

（5）图像处理：对采集的图像进行融合处理，融合顺序为先将采集的前两幅图像融合，再将融合后的图像与第三幅图像融合，依次进行，这样每一个小的观测区域都得到一张清晰的图像；然后，对这些清晰的图像进行拼接处理，就得到一张能显示整个观测区域的图像；融合前后图像如图5所示，其中（1）-（3）为融合前图像，（4）为融合后图像；拼接前后图像对比图如图6所示，其中（1）-（9）为待拼接图像，（10）为拼接后图像；

（6）数据分析：分别提取处理好图像的细观结构参数，包括裂隙面积比、裂隙分布分维、颗粒定向度、颗粒圆度和颗粒分布分维，得到了每一个细观结构参数在不同拉伸应变状态下的数值，通过绘制曲线分析细观结构参数在整个拉伸过程中的变化规律。

裂隙面积比为裂隙的面积与整个面积的比值，在图像上由裂隙分布区域的像素总数与图像总像素数的比值得到，公式为：

裂隙分布分维为裂隙的分布情况，因为即使是在相同的裂隙面积比的情况下，不同的裂隙分布也会导致土性的很大不同。计算裂隙的维数时采用盒维法：

首先将一幅含有裂隙的图像，采用不同的边长为r₁,r₂,r₃,…r_n的正方形将图像分别分割成一个含有(L/r₁)×(L/r₁),(L/r₂)×(L/r₂),(L/r₃)×(L/r₃),…,(L/r_n)×(L/r_n)个正方形的网格，并分别统计每次分割后裂隙所占有的格子总数N,r与N之间存在如下的关系：

N～r^-K，式中K即为裂隙维数；

根据统计的结果将N和r的关系绘制于双对数坐标系中，得到lgN(r)-lg(r)曲线，该曲线呈线性，其斜率即为K。理论上r的取值越多，步长越小，所得的结果越精确，但在图像中进行分维计算时，由于像素的限制，r一般取整数值。

颗粒定向度是从方向的角度来反映颗粒的排列情况，按如下公式进行定向度计算：

$H=-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{p}_i\left(\mathrm{\α}\right){\log }_n{p}_i\left(\mathrm{\α}\right);$

式中：α为土体颗粒最长弦所对应的方位角；p_i为结构单元体在某一定向角区间中出现的概率；n为结构单元体排列方向的定向角区间数。

颗粒圆度是描述目标形状接近圆形的程度，其计算公式为：

$R=\frac{4\mathrm{\πS}}{L^2};$

式中：R为颗粒圆度；S为区域的面积；L为区域的周长。

颗粒分布分维用于描述颗粒的空间分布状态，其计算方法与裂隙分布分维的相同。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (4)

1.一种土体拉伸过程中细观结构变化规律测试方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)制作土体试样：将土体在模具中压实，制得两端为圆柱体夹持端、中间为立方体拉伸段的土体试样，两个夹持端与拉伸段之间平滑过渡，且两个夹持端与拉伸段的重心在同一水平线上；拆模后去除土体试样观测面表层，露出新鲜面；

(2)安装土体试样：将土体试样的两个夹持端分别固定在与夹持端尺寸相适配的两个拉伸夹具中；其中一个拉伸位置夹具固定，另一个拉伸夹具在拉力的作用下可自由移动；

(3)施加拉伸荷载：先对拉伸装置进行标定，然后设定加载速率，开始施加连续拉伸荷载；

(4)细观图像采集：在不同的应变状态下，对土体的细部结构图像进行采集；

(5)图像处理：基于小波变换原理，对采集的图像进行融合，运用模块匹配技术对融合后的图像进行拼接处理，得到若干张不同拉伸应变下的覆盖整个观测区域的完整清晰的图片；

(6)数据分析：分别提取处理好图像的细观结构参数，包括裂隙面积比、裂隙分布分维、颗粒定向度、颗粒圆度和颗粒分布分维，得到了每一个细观结构参数在不同拉伸应变状态下的数值，通过绘制曲线分析细观结构参数在整个拉伸过程中的变化规律，其中，所述裂隙面积比n为裂隙的面积S_裂隙与整个面积S_总的比值，在图像上由裂隙分布区域的像素总数与图像总像素数的比值得到，公式为：

所述裂隙分布分维为裂隙的分布情况，计算裂隙的维数时采用盒维法：

首先将一幅含有裂隙的图像，采用不同的边长为r₁,r₂,r₃,…r_n的正方形将图像分别分割成一个含有(L/r₁)×(L/r₁),(L/r₂)×(L/r₂),(L/r₃)×(L/r₃),…,(L/r_n)×(L/r_n)个正方形的网格，并分别统计每次分割后裂隙所占有的格子总数N,r与N之间存在如下的关系：

N～r^-K，式中K即为裂隙维数；L为图像所在区域的周长；

根据统计的结果将N和r的关系绘制于双对数坐标系中，得到lgN(r)-lg(r)曲线，该曲线呈线性，其斜率即为K；

所述颗粒定向度是从方向的角度来反映颗粒的排列情况，按如下公式进行定向度计算：

$H=-\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{p}_i\left(\mathrm{\α}\right){\log }_n{p}_i\left(\mathrm{\α}\right)$

式中：α为土体颗粒最长弦所对应的方位角；p_i为结构单元体在某一定向角区间中出现的概率；n为结构单元体排列方向的定向角区间数；

所述颗粒圆度是描述目标形状接近圆形的程度，其计算公式为：

$R=\frac{4\mathrm{\π}S}{L^2}$

式中：R为颗粒圆度；S为区域的面积；L为区域的周长；

所述颗粒分布分维用于描述颗粒的空间分布状态，其计算方法与裂隙分布分维的相同。

2.根据权利要求1所述的土体拉伸过程中细观结构变化规律测试方法，其特征在于：步骤(3)中，对拉伸装置的标定方法为：施加荷载，观察位移传感器与力传感器的变化是否同步，若不同步则调整传感器的位置，使施加拉伸荷载时位移传感器与力传感器的变化同步。

3.根据权利要求1所述的土体拉伸过程中细观结构变化规律测试方法，其特征在于：步骤(3)中，加载速率根据不同的加载阶段及变形状态进行调整，调整范围为0.01mm/min～0.1mm/min。

4.根据权利要求1所述的土体拉伸过程中细观结构变化规律测试方法，其特征在于：步骤(4)中，对土体的细部结构图像进行采集时，每一处观测区域根据不同的景深情况采集3-4幅图像，保证观测区域的每一部分都有清晰的图像。