CN103968774A - 一种取土过程中土体内部位移测量模型试验装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种取土过程中土体内部位移测量模型试验装置及其使用方法。该试验装置包括透明土，光学平台，透明模型箱，激光器，CCD相机，取土器设备和计算机。利用正十二烷和十五号白油的混合溶液与烘烤石英砂颗粒制配成透明土，透明模型箱内放置透明土样，并安置于光学平台上；利用激光切面打入透明土形成散斑场，在取土器贯入、提样的过程中，通过CCD相机对该散斑场进行连续拍摄，后通过计算机中图像处理软件对获得的散斑场进行分析，得到土体内部位移。本发明实现了取土器贯入、提样过程土体内部位移的非嵌入式可视化观测；且具有操作简单、取土灵活、扰动小和精度高等优点。

Description

一种取土过程中土体内部位移测量模型试验装置及其使用方法

技术领域

本发明属于岩土工程技术领域，特别涉及一种取土过程中土体内部位移测量模型试验装置及其使用方法。

背景技术

土工模型试验是研究土体力学性态的重要手段，是建立和改进岩土本构模型的必要手段，同时也是工程设计和施工重要的参考依据，测量土体在各种试验条件下的性态，尤其是取土过程中土体的内部变形一直是试验工作者长期面临的问题。传统的测量土体变形的方法是在土体内部预埋传感器，但传感器不能提供土体连续变形的特性，同时传感器自身容易受到外界环境的影响，测量结果往往不够准确。随着计算机数字图像技术的发展，越来越多的学者利用其来研究很多岩土问题。目前国内在这方面的研究主要集中在利用模型试验箱的透明壁面，在试验各阶段，直接利用数码CCD相机或摄像机拍摄照片，然后利用图像分析技术，进行照片序列的变形分析，追踪和捕捉土体的变形模式，破坏过程以及滑动面切面的位置形状等，但这种试验方法属于半模型试验，不能模拟真实的边界条件。一些新技术如计算机三维层析成像和磁共振成像技术，虽然可以用来测量土体内部的连续变形，但是高昂的试验设备费用以及技术上的难点限制了这些技术在岩土工程界的广泛应用。

本发明之前，中国专利“基于微观结构分析的室内模型试验取土装置及取土方法”（CN 102419267 B）介绍了一种基于室内模型试验，可对透明模型箱内土体进行不同位置、深度处进行取土的试验装置及取土方法。该技术方案较好地满足了微观结构分析的制样要求，具有操作简单、采样率高、取土灵活、扰动小的优点，但是取土器下压过程中对土样造成的挤压扰动并未能真正反映。所以一种简便、经济的方法测量取土过程中土体内部扰动或者变形的方法刻不容缓。将透明土与数字图像处理技术相结合，测量土体内部变形，操作方便，经济合理，是未来岩土工程测试技术的发展趋势。

发明内容

本发明的目的就在于克服已有技术的不足与缺陷，解决取土过程中土体扰动不可见问题，提出一种取土过程中土体内部位移测量模型试验装置及其使用方法。

一种取土过程中土体内部位移测量模型试验装置，包括透明土，光学平台，透明模型箱，激光器，CCD相机，取土器设备和计算机，其特征在于：透明土填筑在透明模型槽内，装有透明土的透明模型槽用螺丝固定在光学平台上；透明模型槽的左侧面或者右侧面设置激光器并固定在光学平台上；透明模型槽的正前方或者正后方设置CCD相机并固定在光学平台上；透明模型槽上方布置取土器设备，取土器设备由反力支架、取土管及管靴和电动推杆部分组成；计算机与CCD相机连接并设置自动读数。

本发明采用的技术方案为：利用正十二烷和十五号白油按1:4质量比混合而成的溶液与烘烤石英砂颗粒制配成透明土，在取土器贯入透明土和提样的过程中，利用激光切面打入透明土，形成散斑场，期间通过CCD相机对该散斑场进行连续拍摄，后通过计算机中图像处理软件对获得的散斑场图像序列进行分析，得到土体内部位移场，实现取土过程中土体扰动的可视化。

所述的透明土由正十二烷和十五号白油在24^oC温度下按1:4质量比混合而成的溶液与烘烤石英砂颗粒制配而成；

所述的透明透明模型箱由树脂玻璃制作，形状为上部开口的长方体，长、宽100 mm-150 mm，高度为300 mm-500 mm，壁厚5 mm-10 mm，底部对称突出，尺寸为200 mm × 200 mm，预留螺孔，用于将其固定在光学平台；其中一侧面（观察面）由精密机床标有一系列参考点，并漆成红色，用于测量系统的标定和校正，同时可进行像素坐标与物理坐标之间的转化；

所述的光学平台尺寸长1000 mm-2000 mm，宽1000 mm-1500 mm，高800 mm-1000 mm，台面厚度200 mm-400 mm，桌腿截面200 mm × 200 mm；

所述的取土器设备包括反力支架、取土管及管靴和电动推杆，反力支架固定于光学平台上，支架顶梁通过螺栓与电动推杆连接，电动推杆下端通过孔道与取土管连接；

所述的激光器为半导体片光源，可提供0-3 W之间任意稳定功率；

所述的CCD相机分辨率50 w-1000 w，帧数15，帧曝光，曝光时间100 μs - 30 s，CCD相机通过底部螺栓固定在测试台架上，通过调节支架高度和角度，可得到理想的CCD相机视场，整个测试台架固定在光学平台上；

所述的计算机使用的图像处理软件为PIV软件，可处理取土过程中CCD相机拍摄的一系列散斑场图片，得到土体内部位移。

一种取土过程中土体内部位移测量模型试验装置的使用方法，包括以下技术步骤：

（1）按试验参数要求配制相应透明土，置入透明模型箱内，并将透明模型箱通过螺栓固定在光学平台上；

（2）根据透明模型箱位置，确定取土器设备、激光器、CCD相机在光学平台上的位置，其中CCD相机镜头所在平面平行于透明模型箱一外立面，取土器中心对准透明模型箱中心，并保证其垂直；

（3）打开激光器，待功率稳定后，调整激光切面的角度，使其垂直打入透明土，形成散斑场；

（4）调整CCD相机视场，使其涵括整个取土画面，并设置为自动连续拍摄模式；

（5）开启取土器的电动推杆，使其下端缓慢匀速下降，将取土管及管靴静压入土；

（6）待取土管压入设计取土深度处，断开电动推杆，使取土管中的土样与透明模型箱内的土样分离；

（7）打开电动气泵，抽气形成负压，吸住土样，开启电动推杆，使其下端缓慢匀速上升，使取土器向上提土，最终取土管被电动推杆从透明模型箱内的土样中缓缓拔出；

（8）取土完成后，通过计算机图像处理软件对获得的散斑场图像进行分析，得到取土过程中土体内部的位移场。

本发明的优点和效果在于：利用正十二烷和十五号白油在24^oC温度下按1:4质量比混合而成的溶液与烘烤石英砂颗粒制配而成透明土，在取土器贯入透明土和提样过程中，利用激光切面打入透明土，形成散斑场，期间通过CCD相机对该散斑场进行连续拍摄，后通过计算机中图像处理软件对获得的散斑场图像序列进行分析，得到土体内部位移场，实现取土过程中土体扰动的可视化，与其他土体变形测量方法相比具有以下显著优点：

（1）操作简便，经济可行，可广泛用于岩土工程试验；

（2）能够测量取土过程中土体内部位移场，实现取土过程的可视化；

（3）为进行土体位移场的三维测量奠定基础；

本发明有效地解决了取土过程中土体扰动及其内部位移场的可视化问题，且操作简便，经济可行，有效地节省了资源，避免了不合理的浪费；适用性广，可根据需要模拟砂土或者黏土地基，广泛应用于土工模型试验，解决土体内部变形及可视化问题；使用上大大节约了时间，试验效果明显。

附图说明

图1为本发明的模型试验装置系统示意图；

图2为本发明试验装置的取土器结构示意图；

图中：1为透明土，2为透明模型箱，3为光学平台，4为反力支架，5为电动推杆，6为取土管及管靴，7为激光器，8为CCD相机，9为计算机。

具体实施方式：

以下结合附图详细叙述本发明的具体实施方式。本发明的保护范围并不仅仅局限于本实施方式的描述。

首先，利用正十二烷与十五号白油在常温下（本实施例为24oC）按1:4质量比组成混合液，并与烘烤石英砂颗粒充分搅拌，直至土样均匀透明，制成透明土1，制配透明土1的过程中，保持所处环境温度恒定；在平整的场地内，安放光学平台3，场地内的光线保持均匀，本实施例子光学平台3的尺寸为1800（长）×1200（宽）×800（高）（单位：mm），台面厚度200 mm，采用四支撑，支架高度600 mm，调整支架使台面保持平整；将透明土1置于透明模型箱2内，透明模型箱2上部开口，本实施例子透明模型箱2尺寸为130（长）×130（宽）×300（高）（单位：mm），壁厚5 mm，底部对称突出，尺寸为170 mm × 170 mm，预留M 6螺孔，置于透明模型箱2内的透明土1高度为200 mm，同时将透明模型箱2通过螺栓固定在光学平台3的台面上；将取土器装置的反力支架4安装于透明模型箱2的正上面，下端固定于光学平台3的台面上；用螺栓将电动推杆5与反力支架4的横梁紧固连接，可通过横梁上的螺孔位置来调整电动推杆5的横向位置；电动推杆5与取土管及管靴6通过螺纹凹槽连接；将激光器7安放在光学平台3的台面上，本实施例子激光器7采用半导体片源激光，功率为2 W，后打开激光器7，调整激光切面的角度使其垂直并对准透明模型箱2的中心轴打入透明土1，形成独特散斑场，激光器7与透明模型箱3外立面垂直相距400 mm；将CCD相机8固定在光学平台3的台面上，调整位置，使CCD相机8镜头对准透明模型箱2的外立面，并获得较好的视场，CCD相机8分辨率为50 w-1000 w，帧曝光，帧数15，曝光时间100 μs - 30 s，本实施例子CCD相机8采用的分辨率为800 w，曝光时间为1 s，与透明模型箱2外立面垂直相距200 mm；CCD相机8通过计算机9控制，同步拍摄取土过程，提样开始时，打开电动气泵，抽气形成负压，吸住土样，整个取土器贯入及提样的过程持续30 s，CCD相机8拍摄的速度每秒1张，共获得取土过程激光散斑场图像30张；通过计算机9中数字图像处理软件分析取土过程中获得的激光散斑场图像，得到取土过程中不同时刻的土体内部位移场，本实施例子采用的数字图像处理软件为PIV软件，可批量处理取土过程中获得的激光散斑场图像；最后完成取土过程中土体内部位移场的测量，实现取土过程中土体位移场的可视化。

Claims (9)

1.一种取土过程中土体内部位移测量模型试验装置，包括透明土，光学平台，透明模型箱，激光器，CCD相机，取土器设备和计算机，其特征在于：透明土填筑在透明模型槽内，装有透明土的透明模型槽用螺丝固定在光学平台上；透明模型槽的左侧面或者右侧面设置激光器并固定在光学平台上；透明模型槽的正前方或者正后方设置CCD相机并固定在光学平台上；透明模型槽上方布置取土器设备，取土器设备由反力支架、取土管及管靴和电动推杆部分组成；计算机与CCD相机连接并设置自动读数。

2. 根据权利要求1所述的一种取土过程中土体内部位移测量模型试验装置，其特征在于：所述的透明土由正十二烷和十五号白油在24^oC温度下按1:4质量比混合而成的溶液与烘烤石英砂颗粒制配而成。

3. 根据权利要求1所述的一种取土过程中土体内部位移测量模型试验装置，其特征在于：所述的透明模型箱由树脂玻璃制作，形状为上部开口的长方体，长、宽100 mm-150 mm，高度为300 mm-500 mm，壁厚5 mm-10 mm，底部对称突出，尺寸为200 mm × 200 mm，预留螺孔，用于将其固定在光学平台；其中一侧面由精密机床标有一系列参考点，并漆成红色，用于测量系统的标定和校正，同时可进行像素坐标与物理坐标之间的转化。

4. 根据权利要求1所述的一种取土过程中土体内部位移测量模型试验装置，其特征在于：所述的光学平台尺寸长1000 mm-2000 mm，宽1000 mm-1500 mm，高800 mm-1000 mm，台面厚度200 mm-400 mm，桌腿截面200 mm × 200 mm。

5. 根据权利要求1所述的一种取土过程中土体内部位移测量模型试验装置，其特征在于：所述的取土器设备包括反力支架、取土管及管靴和电动推杆，反力支架固定于光学平台上，支架顶梁通过螺栓与电动推杆连接，电动推杆下端通过孔道与取土管连接。

6. 根据权利要求1所述的一种取土过程中土体内部位移测量模型试验装置，其特征在于：所述的激光器为半导体片光源，可提供0-3 W之间任意稳定功率。

7. 根据权利要求1所述的一种取土过程中土体内部位移测量模型试验装置，其特征在于：所述的CCD相机分辨率50 w-1000 w，帧数15，帧曝光，曝光时间100 μs - 30 s，CCD相机通过底部螺栓固定在测试台架上，通过调节支架高度和角度，可得到理想的CCD相机视场，整个测试台架固定在光学平台上。

8. 根据权利要求1所述的一种取土过程中土体内部位移测量模型试验装置，其特征在于：所述的计算机使用的图像处理软件为PIV软件，可处理取土过程中CCD相机拍摄的一系列散斑场图片，得到土体内部位移。

9.基于权利要求1所述的一种取土过程中土体内部位移测量模型试验装置的使用方法，包括以下技术步骤：

（1）按试验参数要求配制相应透明土，置入透明模型箱内，并将透明模型箱通过螺栓固定在光学平台上；

（2）根据透明模型箱位置，确定取土器设备、激光器、CCD相机在光学平台上的位置，其中CCD相机镜头所在平面平行于透明模型箱一外立面，取土器中心对准透明模型箱中心，并保证其垂直；

（3）打开激光器，待功率稳定后，调整激光切面的角度，使其垂直打入透明土，形成散斑场；

（4）调整CCD相机视场，使其涵括整个取土画面，并设置为自动连续拍摄模式；

（5）开启取土器的电动推杆，使其下端缓慢匀速下降，将取土管及管靴静压入土；

（6）待取土管压入设计取土深度处，断开电动推杆，使取土管中的土样与透明模型箱内的土样分离；

（7）打开电动气泵，抽气形成负压，吸住土样，开启电动推杆，使其下端缓慢匀速上升，使取土器向上提土，最终取土管被电动推杆从透明模型箱内的土样中缓缓拔出；

（8）取土完成后，通过计算机图像处理软件对获得的散斑场图像进行分析，得到取土过程中土体内部的位移场。