CN109374856A - 观测透明土模型内部三维空间变形的试验装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于岩土工程模型试验技术领域，具体涉及一种观测透明土模型内部三维空间变化的试验装置及使用方法，所述的装置主要由加载系统、桩靴模型、模型箱、升降可视试验平台、CCD工业相机、传动系统a、传动系统b、传动系统c、激光器和电脑组成。通过升降可视试验平台调节操作高度，通过三个传动系统控制CCD工业相机和激光器的同步移动。本发明的装置结构简单、原理清楚、易于操作、成本较低；分别从两个方向对透明土模型进行多次切片拍照，便可以获取三维空间中每一节点的三个方向上的位移分量，可以非侵入式的、连续的监测土体内部三维空间变形的变化过程，真正实现了土体内部三维空间变形的测量。

Description

观测透明土模型内部三维空间变形的试验装置及使用方法

技术领域

本发明属于岩土工程模型试验技术领域，具体涉及一种观测透明土模型内部三维空间变化的试验装置及使用方法。

背景技术

土体变形的测量是土力学及岩土工程专业研究的重要基础之一。传统的室内模型试验和现场试验只能观测到土体的宏观变形和地表变形，无法观测土体内部的三维空间变形。为了实现土体内部变形的可视化，研究者发明了一种新型的室内模型试验方法—透明土试验技术。利用透明土特有的“透明”特性，并结合图像观测技术实现了非侵入式土体内部可视化研究，对于深入理解土体变形和渗流机理，具有重要的意义。然而，基于图像观测技术的局限性，二维平面位移观测已经不能满足研究者的需要，因此，三维空间变形这个新课题还有许多挑战亟待解决。

中国发明专利“一种可量测透明土内部三维位移场分光模型试验装置”，(申请号201610154269.4)，公布了一种由激光分光系统、透明土模型试验设备和PIV测试系统组成的分光模型试验装置，通过透镜组形成垂直的平面状光束，将土样竖直切片；该技术是固定激光分光系统，通过移动模型箱，来得到多个切片图像。该技术虽然能实现对于透明土内部三维位移场进行测量，但是通过移动模型箱会对试样进行扰动，同时带动加载系统对造成试验操作的复杂性，改变相机与激光扇面的距离等问题会对试验拍摄图片的清晰度造成影响。中国发明专利“异性桩桩-土接触面破坏形式可视化试验装置及使用方法”，(申请号CN105716970A)，公布了一种异形桩桩-土接触面破坏形式可视化试验装置，通过两台相机和四台激光器对桩土接触面土体的移动进行可视化观测，但是这种方法采用的是水平方向上控制上部相机不动，通过照射两台激光器形成切片进行拍摄，只能拍摄两张水平方向上的切片；竖直方向上同样照射两台激光器，沿着环形轨道移动相机拍照。该方法因两台激光源同时照射，会对相机拍摄效果产生影响，同时沿环形轨道拍照无法得到同一坐标点上的三个位移分量，因而观测到的不是真正的土体三维空间变形。

因此研究一种可以可观测透明土模型三维空间变形的双相机试验装置，可准确实时量测透明土模型三维空间变形，对于深入理解岩土工程问题具有重要的意义。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种可观测透明土模型内部三维空间变化的双相机试验装置及使用方法，该装置借助升降可视试验平台为试验操作平台板下面的相机提供一个最佳的拍摄视角，通过三组传动系统、两台CCD工业相机和两台激光器实现对水平面和竖直面两个方向进行切片操作，进而三维重构，精确地对透明土内部三维空间变形进行测量。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种观测透明土模型内部三维空间变化的试验装置，主要由加载系统1、桩靴模型2、模型箱3、升降可视试验平台5、CCD工业相机6、传动系统a7、传动系统b8、传动系统c9、激光器10和电脑11组成；

所述的升降可视试验平台5，主要由试验操作平台板20、实心圆柱杆21、万向水平仪22和试验平台底座25组成；所述的实心圆柱杆21共四根，固定在试验平台底座25的四角，实心圆柱杆21上设有套丝23；所述的试验操作平台板20上设有四个通孔，与实心圆柱杆21的位置相对应，实心圆柱杆21穿过试验操作平台板20的通孔，通过固定螺母24与套丝23的配合，将试验操作平台板20固定在实心圆柱杆21上，通过调节试验操作平台板20在实心圆柱杆21上的位置，实现升降功能；所述的万向水平仪22共四个，分别安装在试验操作平台板20的四个边上；

所述的模型箱3为上部开口、下部密封的空心长方体结构，作为透明土模型试验设备，模型箱3内部装有透明土试样；模型箱3置于升降可视试验平台5上；

所述的桩靴模型2，其顶部设有螺纹杆，桩靴模型2位于模型箱3的上方；所述的加载系统1安装在桩靴模型2顶部的螺纹杆上，从而使加载系统1与桩靴模型2连接成为整体，以保持桩靴模型2贯入过程的垂直度；

所述的CCD工业相机6包括CCD工业相机a和CCD工业相机b，CCD工业相机a与CCD工业相机b竖直布置；所述的激光器10包括激光器a和激光器b，激光器a与激光器b竖直布置；CCD工业相机6与激光器10分别位于模型箱3相邻的两侧；

所述的传动系统a7主要由伺服电机16、联轴器15、丝杠导轨12和光栅尺13组成；所述的丝杠导轨12水平布置，所述的伺服电机16通过联轴器15与丝杠导轨12相连；所述的光栅尺13安装在丝杠导轨12的底部；传动系统a7共两个，分别位于模型箱3相邻的两侧，一个传动系统a7与模型箱3对应的边相垂直，另一个传动系统a7与模型箱3对应的边相平行；所述的CCD工业相机a安装在与模型箱3的边相垂直的传动系统a7上，所述的激光器a安装在与模型箱3的边相平行的传动系统a7上，通过伺服电机16控制使CCD工业相机a和激光器a分别沿两个传动系统a7上的丝杠导轨12滑动，并通过光栅尺13保持CCD工业相机a和激光器a的同步移动；

所述的传动系统b8主要由传动系统底座19、伺服电机16、联轴器15、丝杠导轨12、光栅尺13、可伸缩固定轴18和传动系统连接底板17组成，传动系统b8安装在激光器a所在的传动系统a7的下方；所述的可伸缩固定轴18垂直安装在传动系统底座19上，可伸缩固定轴18上沿竖直方向安装有丝杠导轨12和光栅尺13，通过可伸缩固定轴18调节激光器b或CCD工业相机b的初始位置；所述的伺服电机16安装在传动系统底座19上，与可伸缩固定轴18并排布置，伺服电机16通过联轴器15与丝杠导轨12相连接；所述的传动系统连接底板17安装在丝杠导轨12上，所述的激光器b安装在传动系统连接底板17上，传动系统连接底板17带动激光器b沿丝杠导轨12上下滑动；

所述的传动系统c 9主要由传动系统底座19、伺服电机16、联轴器15、丝杠导轨12、光栅尺13、可伸缩固定轴18、传动系统连接底板17和外延支撑底板14组成，传动系统c9安装在CCD工业相机a所在的传动系统a7的下方；所述的传动系统底座19、伺服电机16、联轴器15、丝杠导轨12、光栅尺13、可伸缩固定轴18和传动系统连接底板17的安装与布置，与传动系统b8相同；传动系统c9与传动系统b8的不同之处在于，传动系统连接底板17上安装有外延支撑底板14，外延支撑底板14与传动系统连接底板17相垂直；所述的CCD工业相机b安装在外延支撑底板14上，外延支撑底板14带动CCD工业相机b沿丝杠导轨12上下滑动；

所述的电脑11与CCD工业相机6和加载系统1相连，控制CCD工业相机6的拍照速度以及加载系统1的贯入速度。

所述的试验操作平台板20的材质为钢化玻璃。

所述的加载系统1、传动系统a7、传动系统b8和传动系统c9的速度精度为0.1mm/s，并同时控制每移动一个间距的停顿时间。

一种观测透明土模型内部三维空间变化的试验装置的使用方法，具体步骤如下：

步骤一、对升降可视试验平台5进行组装，并安装布置CCD工业相机6、传动系统a7、传动系统b8、传动系统c 9、激光器10和电脑11；

步骤二、配置透明土试样，用透明土试样填充模型箱3，将模型箱3置于升降可视试验平台5的试验操作平台板20上；连接加载系统1与桩靴模型2；

步骤三、打开激光器b，调节激光器b的激光强度，打开CCD工业相机b的图像采集系统，通过粗调升降试验平台5的高度和激光器b的初始位置、细调传动系统c 9的可伸缩固定轴18以及相机镜头设置，使CCD工业相机b的图片清晰度达到最佳状态；

步骤四、关闭激光器b，打开激光器a，调节激光强度，同时打开CCD工业相机a的图像采集系统，将CCD工业相机a置于指定位置，调整CCD工业相机a的图片清晰度达到最佳状态；

步骤五、控制传动系统a7，使激光器a和CCD工业相机a协同作用于模型箱3，沿水平方向进行初始阶段各切片位置的图像采集；

步骤六、传动系统a7图像采集完毕后，关闭激光器a，打开激光器b，控制传动系统b8和传动系统c9，使激光器b和CCD工业相机b协同作用于模型箱3，沿垂直方向进行初始阶段各指定切片位置的图像采集；

步骤七、通过电脑11控制加载系统1，从而控制桩靴模型2的贯入速度，贯入方式采用位移贯入法，待桩靴模型2每贯入一级并稳定后，再依次重复步骤五和步骤六，直至实验结束；

步骤八、处理试验数据，整理每个节点的三个位移分量，根据编写的Matlab代码，借助插值函数，进行三维重构，得出透明土模型内部三维空间变形位移场和应变场。

所述的激光器a与激光器b的激光强度为3.4A；所述的步骤七中的稳定时间为30min。

本发明与现有的技术相比，本发明的装置结构简单、原理清楚、易于操作、成本较低；采用三组传动系统结合两台CCD工业数码相机和两台激光器，分别从两个方向对透明土模型进行多次切片拍照，便可以获取三维空间中每一节点的三个方向上的位移分量，可以非侵入式的、连续的监测土体内部三维空间变形的变化过程，真正实现了土体内部三维空间变形的测量。

附图说明

图1是本发明的整体结构布局示意图；

图2是透明土模型沿水平方向的竖直切片示意图；

图3是透明土模型沿垂直方向的水平切片示意图；

图4是本发明传动系统b的结构示意图；

图5是本发明传动系统c的结构示意图；

图6是本发明升降可视试验平台的结构示意图。

图中：1加载系统；2桩靴模型；3模型箱；4第一张切片；5升降可视试验平台；6CCD工业相机；7传动系统a；8传动系统b；9传动系统c；10激光器；11电脑；12丝杠导轨；13光栅尺；14外延支撑底板；15联轴器；16伺服电机；17传动系统连接底板；18可伸缩固定轴；19传动系统底座；20试验操作平台板；21实心圆柱杆；22万向水平仪；23套丝；24固定螺母；25试验平台底座。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步描述本发明的具体实施方式。

正如背景技术所介绍的，在工业建筑、海洋工程和桥隧工程中涉及到很多因无法观测土体三维空间变形而对现象的作用机理无法解释的情况，因此需要一种新型方法来克服传统方法的局限性。

如图1-图6所示，一种观测透明土模型内部三维空间变化的试验装置，包括加载系统1、桩靴模型2、模型箱3、升降可视试验平台5、CCD工业相机6、传动系统a7、传动系统b8、传动系统c9、激光器10和电脑11组成；

模型箱3尺寸为280mm×170mm×260mm(长×宽×高)、壁厚为8mm。

升降可视试验平台5由四根直径80mm、长为2000mm的套丝实心圆柱杆21，一个尺寸为500mm×400mm×50mm(长×宽×高)、四个角各设有一个直径为80mm孔的试验操作平台板20，通过上下两个固定螺母24固定组装而成；试验操作平台板20选用高强度钢化玻璃；试验操作平台板20的四个边上分别镶嵌一个万向水平仪22。

透明土试样的配置：选取粒径为0.1-2mm的熔融石英颗粒，按照特定的颗粒级配曲线配置熔融石英颗粒材料；孔隙液选用硫代硫酸钠碘化钠，将碘化钠和水按照87：76质量比混合，借助阿贝折射仪调配成折射率为1.4585的孔隙液；将透明颗粒利用“分层振捣击实法”填充到有机玻璃材料制作的模型箱3中，利用软管沿模型箱3的箱壁从下向上慢慢充满孔隙液，并且将透明土试样用塑料膜封闭后抽真空2个小时，最终在模型箱3中配置成饱和透明土试样。

如图3所示，所述的传动系统a7是由丝杠导轨12、光栅尺13、联轴器15和伺服电机16水平放置组成；如图4至图5所示，传动系统b8和传动系统c9是由丝杠导轨12、光栅尺13、联轴器15、传动系统连接底板17、可伸缩固定轴18、传动系统底座19和伺服电机16竖直放置连接而成；所述的传动系统b8和传动系统c9区别在于一个外延支撑底板14，以此来提供CCD工业相机6在垂直方向拍照的稳定平台；所述的可伸缩固定轴18是用来调节CCD工业相机6和激光器10的初始位置，保证图片采集的清晰度。

下面结合本发明举一个桩靴模型2贯入的实施例，具体操作步骤如下：

步骤一、采用abs棒材质制作桩靴模型2，桩靴模型2的上端加工一段长30mm、直径15mm的螺纹杆。

步骤二、对升降可视试验平台5进行组装，升降可视试验平台5中，四根经过套丝23处理的实心圆柱杆21垂直的焊接在试验平台底座25上，试验操作平台板20通过四个预留孔穿过四根实心圆柱杆21，借助试验操作平台板20上四个万向水平仪22调整试验平台平衡，之后通过上下固定螺母24对其固定。配置透明土试样，用透明土试样填充模型箱3，将模型箱3放置在升降可视试验平台5的试验操作平台板20上。

步骤三、加载系统1与桩靴模型2通过桩靴模型2顶部的螺纹杆垂直连接成一个整体结构，保持桩靴模型2贯入过程的垂直度。

步骤四、在安装传动系统a7时，将CCD工业相机6中的CCD工业相机a和激光器10中的激光器a分别安装在传动系统a7的丝杠导轨12上；在安装传动系统b8时，将激光器10中的激光器b安装在传动系统连接底板17；在安装传动系统c9时，将CCD工业相机6中的CCD工业相机b安装在外延支撑底板14上。

步骤五、相机位置、镜头调试，首先打开激光器b，同时打开CCD工业相机b和图像采集系统，通过控制升降可视试验平台5和传动系统b8的可伸缩固定轴18进行粗调，然后再对相机光圈和焦距进行细调，使CCD工业相机b的清晰度处于最佳状态。

步骤六、关闭激光器b，打开激光器a，同时打开CCD工业相机a和图像采集系统，调节激光器a，使竖直的激光扇面照射在指定初始位置，再调整CCD工业相机a的设置。

步骤七、控制传动系统a7，使CCD工业相机a和激光器a在水平的杠丝导轨12上按照3000脉冲的速度移动，每移动3000脉冲停顿1s，重复此步骤直至完成30张切片。

步骤八、控制传动系统b8和传动系统c 9，使CCD工业相机b和激光器b在竖直的杠丝导轨12上按照3000脉冲的速度移动，每移动3000脉冲停顿1s，重复此步骤直至完成20张切片。

步骤九、通过加载系统1并采用位移法贯入方式对桩靴模型2进行分级贯入，每贯入一级重复步骤七、八，同时记录桩靴模型2中心线位置的切片在分级贯入过程中该切片不同时刻的变化，直至试验结束。

观测透明土模型水平方向上的竖直切片时，第一张切片4的位置如图2所示。

Claims (4)

1.一种观测透明土模型内部三维空间变化的试验装置，其特征在于，所述的双相机试验装置主要由加载系统(1)、桩靴模型(2)、模型箱(3)、升降可视试验平台(5)、CCD工业相机(6)、传动系统a(7)、传动系统b(8)、传动系统c(9)、激光器(10)和电脑(11)组成；

所述的升降可视试验平台(5)，主要由试验操作平台板(20)、实心圆柱杆(21)、万向水平仪(22)和试验平台底座(25)组成；所述的实心圆柱杆(21)共四根，固定在试验平台底座(25)的四角，实心圆柱杆(21)上设有套丝(23)；所述的试验操作平台板(20)上设有四个通孔，与实心圆柱杆(21)的位置相对应，实心圆柱杆(21)穿过试验操作平台板(20)的通孔，通过固定螺母(24)与套丝(23)的配合，将试验操作平台板(20)固定在实心圆柱杆(21)上，通过调节试验操作平台板(20)在实心圆柱杆(21)上的位置，实现升降功能；所述的万向水平仪(22)共四个，分别安装在试验操作平台板(20)的四个边上；

所述的模型箱(3)为上部开口、下部密封的空心长方体结构，作为透明土模型试验设备，模型箱(3)内部装有透明土试样；模型箱(3)置于升降可视试验平台(5)上；

所述的桩靴模型(2)，其顶部设有螺纹杆，桩靴模型(2)位于模型箱(3)的上方；所述的加载系统(1)安装在桩靴模型(2)顶部的螺纹杆上，从而使加载系统(1)与桩靴模型(2)连接成为整体，以保持桩靴模型(2)贯入过程的垂直度；

所述的CCD工业相机(6)包括CCD工业相机a和CCD工业相机b，CCD工业相机a与CCD工业相机b竖直布置；所述的激光器(10)包括激光器a和激光器b，激光器a与激光器b竖直布置；CCD工业相机(6)与激光器(10)分别位于模型箱(3)相邻的两侧；

所述的传动系统a(7)主要由伺服电机(16)、联轴器(15)、丝杠导轨(12)和光栅尺(13)组成；所述的丝杠导轨(12)水平布置，所述的伺服电机(16)通过联轴器(15)与丝杠导轨(12)相连；所述的光栅尺(13)安装在丝杠导轨(12)的底部；传动系统a(7)共两个，分别位于模型箱(3)相邻的两侧，一个传动系统a(7)与模型箱(3)对应的边相垂直，另一个传动系统a(7)与模型箱(3)对应的边相平行；所述的CCD工业相机a安装在与模型箱(3)的边相垂直的传动系统a(7)上，所述的激光器a安装在与模型箱(3)的边相平行的传动系统a(7)上，通过伺服电机(16)控制使CCD工业相机a和激光器a分别沿两个传动系统a(7)上的丝杠导轨(12)滑动，并通过光栅尺(13)保持CCD工业相机a和激光器a的同步移动；

所述的传动系统b(8)主要由传动系统底座(19)、伺服电机(16)、联轴器(15)、丝杠导轨(12)、光栅尺(13)、可伸缩固定轴(18)和传动系统连接底板(17)组成，传动系统b(8)安装在激光器a所在的传动系统a(7)的下方；所述的可伸缩固定轴(18)垂直安装在传动系统底座(19)上，可伸缩固定轴(18)上沿竖直方向安装有丝杠导轨(12)和光栅尺(13)，通过可伸缩固定轴(18)调节激光器b或CCD工业相机b的初始位置；所述的伺服电机(16)安装在传动系统底座(19)上，与可伸缩固定轴(18)并排布置，伺服电机(16)通过联轴器(15)与丝杠导轨(12)相连接；所述的传动系统连接底板(17)安装在丝杠导轨(12)上，所述的激光器b安装在传动系统连接底板(17)上，传动系统连接底板(17)带动激光器b沿丝杠导轨(12)上下滑动；

所述的传动系统c(9)主要由传动系统底座(19)、伺服电机(16)、联轴器(15)、丝杠导轨(12)、光栅尺(13)、可伸缩固定轴(18)、传动系统连接底板(17)和外延支撑底板(14)组成，传动系统c(9)安装在CCD工业相机a所在的传动系统a(7)的下方；所述的传动系统底座(19)、伺服电机(16)、联轴器(15)、丝杠导轨(12)、光栅尺(13)、可伸缩固定轴(18)和传动系统连接底板(17)的安装与布置，与传动系统b(8)相同；传动系统c(9)与传动系统b(8)的不同之处在于，传动系统连接底板(17)上安装有外延支撑底板(14)，外延支撑底板(14)与传动系统连接底板(17)相垂直；所述的CCD工业相机b安装在外延支撑底板(14)上，外延支撑底板(14)带动CCD工业相机b沿丝杠导轨(12)上下滑动；

所述的电脑(11)与CCD工业相机(6)和加载系统(1)相连，控制CCD工业相机(6)的拍照速度以及加载系统(1)的贯入速度。

2.根据权利要求1所述的一种观测透明土模型内部三维空间变化的试验装置，其特征在于，所述的试验操作平台板(20)的材质为钢化玻璃；所述的加载系统(1)、传动系统a(7)、传动系统b(8)和传动系统c(9)的速度精度为0.1mm/s，并同时控制每移动一个间距的停顿时间。

3.权利要求1或2所述一种观测透明土模型内部三维空间变化的试验装置的使用方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤一、对升降可视试验平台(5)进行组装，并安装布置CCD工业相机(6)、传动系统a(7)、传动系统b(8)、传动系统c(9)、激光器(10)和电脑(11)；

步骤二、配置透明土试样，用透明土试样填充模型箱(3)，将模型箱(3)置于升降可视试验平台(5)的试验操作平台板(20)上；连接加载系统(1)与桩靴模型(2)；

步骤三、打开激光器b，调节激光器b的激光强度，打开CCD工业相机b的图像采集系统，通过粗调升降试验平台5的高度和激光器b的初始位置、细调传动系统c(9)的可伸缩固定轴(18)以及相机镜头设置，使CCD工业相机b的图片清晰度达到最佳状态；

步骤四、关闭激光器b，打开激光器a，调节激光强度，同时打开CCD工业相机a的图像采集系统，将CCD工业相机a置于指定位置，调整CCD工业相机a的图片清晰度达到最佳状态；

步骤五、控制传动系统a(7)，使激光器a和CCD工业相机a协同作用于模型箱(3)，沿水平方向进行初始阶段各切片位置的图像采集；

步骤六、传动系统a(7)图像采集完毕后，关闭激光器a，打开激光器b，控制传动系统b(8)和传动系统c(9)，使激光器b和CCD工业相机b协同作用于模型箱(3)，沿垂直方向进行初始阶段各指定切片位置的图像采集；

步骤七、通过电脑(11)控制加载系统(1)，从而控制桩靴模型(2)的贯入速度，贯入方式采用位移贯入法，待桩靴模型(2)每贯入一级并稳定后，再依次重复步骤五和步骤六，直至实验结束；

步骤八、处理试验数据，整理每个节点的三个位移分量，根据编写的Matlab代码，借助插值函数，进行三维重构，得出透明土模型内部三维空间变形位移场和应变场。

4.根据权利要求3所述的使用方法，其特征在于，所述的激光器a与激光器b的激光强度为3.4A；所述的步骤七中的稳定时间为30min。