CN110057823A - 一种岩土体崩解测试装置与分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种岩土体崩解测试装置与分析方法，属于分析测试领域。岩土体崩解测试装置包括底座、用于盛放岩土体试样的敞口容器，所述敞口容器底部内径小于等于所述敞口容器壁任一截面的内径；所述测试装置还包括用于罩扣敞口容器的照明灯箱，所述照明灯箱包括侧壁与顶壁，所述顶壁开设窗口，所述窗口能够观测到敞口容器中岩土体的横截面；所述侧壁设有供敞口容器进出的开口。采用上述装置对岩土体崩解性能参数进行分析，采用某一时刻岩土体的水平投影面积St与崩解试验初始时刻岩土体的水平投影面积S0的比值作为特定时刻的岩土体崩解指数，利用该崩解指数能有效表征和评价土体的崩解特性。
Description
技术领域
本发明属于分析测试领域，更具体地说，涉及一种岩土体崩解测试装置与分析方法。
背景技术
含水率较低的岩土体浸没水中时，发生崩散解体的现象称崩解。崩解后的土颗粒之间失去结构连接，呈现松散状态，发生时间短且不可逆，会对建筑物结构造成突然性的破坏。岩土的崩解性在评价路堤路堑、渠道边坡、露天基坑等的稳定性中起着非常重要的作用。因此，岩土体崩解性的研究在工程中尤为重要。
早期的岩土的崩解试验是将试样放入静水中，观察并描述试样在静水中的崩解反应，记录试样完全崩解时间，该方法仅能够定性地对崩解进行评价，而难以定量研究岩土崩解的过程。传统的土工试验中，也尝试利用在浮筒中悬挂岩土试样，通过浮筒在水中上浮的变化测量崩解量的多少。
在此基础之上，现有的崩解分析方法集中于岩土浸入水中后崩解过程中的拉力变化来计算岩土的崩解率，如公开号为CN 103399140 A的现有技术公开了一种岩土崩解试验装置及使用方法，基于阿基米德定律和静力学平和原理设计了岩土崩解试验装置，通过测试岩土试样全部浸入水中的瞬时的弹簧测力计读数、岩土试样浸入水中在时间t时弹簧测力计读数、以及空载方式浸入水中的弹簧测力计的读数，按照时间间隔记录弹簧测力计的数值，计算岩土的崩解率。该方法采用的设备结构简单，易于装配和调试；数据直接从弹簧测力计直接读出，简单易行。
公告号为CN 207586233 U的现有技术公开了一种岩土崩解分析仪，也是利用拉力变化来研究岩土的崩解性质，岩土崩解分析仪包括支架、有机玻璃水缸、盖板、底座、拉力传感器、振荡筛装置、铁丝网板、振荡装置。所述拉力传感器安装在所述盖板的下端，所述铁丝网板安装在所述拉力传感器的下端。所述振荡筛装置包括土壤筛组件、土壤筛连接杆，所述轴承位于所述盖板的上方，所述土壤筛连接杆的一端安装在所述轴承上，另一端从所述盖板中穿过并与所述土壤筛组件连接。采用该装置，不仅可以进行岩土崩解实验，还可以在崩解实验后分析崩解后土样颗粒组成，并通过防水摄像机记录崩解实验的过程，功能更加完善，实验过程更加高效。
但是，需要指出的是，若采用拉力计方法用于分析岩土体崩解，其中岩土体自身含水量对崩解过程有重要的影响，对数据的准确性存在一定的误差，另外，传感器所采得的数据处在时刻波动状态，无法准确获得岩土体在某一时刻的崩解情况。
发明内容
1.要解决的问题
针对现有岩土崩解研究通过拉力定量研究的局限性，本发明提供一种全新的岩土体崩解测试装置与分析方法，以一种全新的分析方法对岩土体的崩解情况、崩解速率进行测定；可观测试验过程中岩土体的崩解现象；操作简单，实验结果准确度提高。
2.技术方案
本发明所采用的技术方案如下：
一种岩土体崩解测试分析方法，采用下式计算特定时刻的岩土体崩解指数：
其中，SI为崩解指数，St为某一时刻岩土体的水平投影面积，S0为崩解试验初始时刻岩土体的水平投影面积。SI越大，说明岩土体的崩解程度越高。
一种岩土体崩解测试分析方法，采用下式计算岩土体崩解速率：
式中SR为崩解速率，是崩解过程中岩土体的水平投影面积St随着时间t的导数。SR越大，说明岩土体的崩解速率越快。SR数值可以通过Origin软件(9.1版本)中Analysis(分析)功能实现，具体操作为：在Origin软件中输入St与t数值，选择Analysis(分析)功能，选择mathematics(数学分析)-differentiate(求导)即可直接生成某一时刻的导数值，即为崩解过程中某一时刻的崩解速率。
优选地，所述分析方法包括以下步骤：
1)将相机置于顶壁开设窗口的照明灯箱上；
2)在敞口容器中放入岩土体样品和水，迅速将敞口容器置于照明灯箱中；
3)岩土体被水浸没的同时开始通过置于照明灯箱顶壁窗口的相机对岩土体样品的崩解过程进行拍摄；
4)对步骤3)拍摄的图片进行处理，计算特定时刻的岩土体崩解指数和崩解速率。
优选地，步骤4)所述图片的处理方法为采用图像分析系统(CIAS-NJU，南京大学，软件著作权登记号：2018SR091636)对图像进行剪裁、二值化以及生成区块图。
优选地，所述处理步骤具体为：
A)对图片进行等量剪裁，突出岩土体主体；
B)将图片调整成灰度图，采用自适应阈值算法计算出最佳阈值并生成二值图；
C)通过岩土体识别与统计模块，生成区块图，统计岩土体的像素点个数作为岩土体在某一时刻的面积。
优选地，按照时间间隔为1～3600s拍摄岩土体崩解过程照片。对于崩解较为快速的岩土体样品(如黏性土)，拍摄过程中每1s拍摄一张照片；对于崩解适中的岩土体样品，拍摄过程中每1h拍摄一张照片(可根据实际情况延长或缩短拍摄频率)；且焦距、像素、通光量等条件保持不变。
一种用于上述岩土体崩解测试分析方法的岩土体崩解测试装置，包括底座、用于盛放岩土体试样的敞口容器，所述敞口容器为平底且底部内径小于等于所述敞口容器壁任一横截面的内径；所述测试装置还包括用于罩扣敞口容器的照明灯箱，所述照明灯箱包括侧壁与顶壁，所述顶壁开设窗口，通过窗口能够观测到敞口容器中岩土体的横截面；所述侧壁设有供敞口容器进出的开口。试验时，可以保证照明灯箱不动，移动敞口容器使之进入或移出照明灯箱。
通过窗口拍照得到崩解试验初始时刻岩土体的水平投影面积S0以及某一时刻岩土体的水平投影面积St，即可由下述公式计算特定时刻的岩土体崩解指数：
或可由窗口拍照得到崩解试验某一时刻岩土体的水平投影面积St及时间t，通过下式计算得到岩土体崩解速率：
优选地，所述敞口容器与待测岩土体存在色差。
优选地，所述敞口容器为透明有机玻璃材质，所述底座与待测岩土体的色差ΔE大于等于0.5。
优选地，所述测试装置还包括相机，所述相机通过窗口观测岩土体崩解过程。需要注意的是，由于相机的作用为通过照片记录岩土体的崩解过程，因此任何具有拍照功能的设备都应当理解为本发明中所述的相机。
优选地，所述底座上设有架于照明灯箱外周的支架，所述支架包括依次相连接的垂直部一、水平部、垂直部二，所述垂直部一、垂直部二连接在所述底座上；所述水平部上与所述窗口相对处设有相机支撑架。
优选地，所述底座、支架采用不锈钢或高强度、高硬度的合成材料制成。
优选地，所述照明灯箱的内壁安装LED灯，保证360°对岩土体样品进行照明，不产生阴影或反光。将盛有岩土体的敞口容器放置于一个恒定光源的照明灯箱内，使相机能够拍摄清晰、无阴影的岩土体照片。
优选地，所述相机与图像分析系统连接(CIAS-NJU，南京大学，软件著作权登记号：2018SR091636)。
优选地，所述图像分析系统包括数据传输模块、图像存储模块与数据处理模块。
优选地，所述数据传输模块，包括有线(数据线)传输与无线(Wi-Fi或蓝牙)传输。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明通过岩土体崩解测试装置，实现水平投影面积法分析土体崩解指数；通过在照明灯箱顶壁开设窗口，观测敞口容器中岩土体的横截面；照明灯箱侧壁设有开口，供敞口容器进出，以便于更加准确地记录初始时刻岩土体的水平投影面积；
(2)本发明岩土体崩解测试装置中敞口容器与待测岩土体的色差大于等于0.5时，能够有效提高后续图片处理时的精度，提高计算的崩解指数值准确性；
(3)本发明中的底座上设有的支架，用于保持相机的稳定拍摄，保证相机位置恒定，以固定相机焦距，使全程拍摄处于相同的条件下；
(4)本发明中照明灯箱的内壁安装LED灯，保证360°对岩土体样品进行照明，不产生阴影或反光，将盛有岩土体的敞口容器放置于一个恒定光源的照明灯箱内，使相机能够拍摄清晰、无阴影的岩土体照片；
(5)本发明的一种岩土体崩解测试分析方法，采用某一时刻岩土体的水平投影面积St与崩解试验初始时刻岩土体的水平投影面积S0的比值作为特定时刻的岩土体崩解指数，实施例中对素土和岩土体的测试实验证明，采用该崩解指数能有效表征和评价土体的崩解程度；
(6)本发明的一种岩土体崩解测试分析方法，采用崩解过程中岩土体的水平投影面积St随着时间t的导数作为特定时刻的岩土体崩解速率，实施例中实验证明，结合崩解指数和崩解速率能有效表征和评价土体的崩解特性；
(7)本发明运用图像分析系统对图像进行剪裁、二值化以及生成区块图得到土体的水平投影面积，保障了采用面积法分析岩土体崩解指数的实现。
附图说明
图1为实施例1中岩土体崩解试验装置的结构示意图(浸没崩解法)；
图2为本发明的岩土体崩解测试分析方法中图像处理流程图；
图3为实施例1中一次试验过程图；
图4为实施例1中素土与MICP改性土崩解指数随时间变化曲线；
图5为实施例2和3中掺砂后的MICP改性土崩解指数随时间变化曲线；
图中：10、底座；20、支架；21、垂直部一；22、水平部；23、垂直部二；30、照明灯箱；31、窗口；32、开口；40、相机；50、LED灯；60、敞口容器；70、岩土体样品；80、去离子水；90、图像分析系统。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。
需要指出的是，下面通过参考附图描述的实施方式是实例性的，仅用于解释本发明的实施方式，而不能理解为本发明的实施方式的限制。
实施例1
如图1所示，一种岩土体崩解测试装置，包括底座10，支架20，照明灯箱30，数码相机40，LED灯50，有机玻璃制成的敞口容器60；敞口容器60用于盛放岩土体样品70核去离子水80，数码相机与图像分析系统90连接。其中图像分析系统90包括数据传输模块、数据处理模块、图像存储模块，图像分析系统90通过无线或有线方式与数码相机40相连。
底座10放置在水平桌面上，放置照明灯箱30并安装调试LED灯50，保证灯箱内稳定的通光量，对崩解试验过程中进行照明。
LED灯50安装在照明灯箱30内壁，至少安装3个环形灯组保证360°对岩土体样品进行照明，后期拍摄过程中不产生阴影或反光。
支架20安装在底座10上并保持固定，支架20包括依次相连接的垂直部一21、水平部22、垂直部二23，所述垂直部一21、垂直部二23连接在所述底座10上；所述水平部22上与窗口31相对处设有相机支撑架。在支架20上固定数码相机40并保证相机位置恒定，以固定相机焦距，通过数码相机40对崩解全过程进行拍照，保证图片用于图像处理。
照明灯箱30设置一个开口32用于放置敞口容器60进出的通道。
在进行崩解试验时，安装好崩解试验装置，打开LED灯50组进行照明，向敞口容器60中注入一定量的去离子水80，将岩土体样品70放置其中并浸没。浸没的同时开始通过数码相机40对岩土体样品70的崩解过程进行拍摄，记录崩解试验的全过程。
本实施例采用崩解较为快速的岩土体样品(黏性土)及该黏性土经MICP技术处理后的改性土体(物理性质指标见表1)，考虑到岩土体在前期崩解较快，前25s内每间隔1s拍摄一张照片，随后每60s拍摄一张照片，土块的浸泡时间为15min。每个岩土体均选取不同位置5个土块进行崩解试验。拍摄过程中焦距、像素、通光量等条件保持不变，将照片采用图像分析系统90处理。
表1岩土体样品(黏性土)基本物理性质指标
如图2所示，利用图像数字处理软件对所有照片进行统一调整，主要包括图片剪裁、二值化及岩土体面积统计三个步骤。如图3所示，首先对图片进行等量剪裁，突出岩土体主体；然后利用CIAS将图片调整成灰度图，采用自适应阈值算法计算出最佳阈值并生成二值图；最后通过软件的岩土体识别与统计模块，生成区块图，统计岩土体的像素点个数作为岩土体在某一时刻的面积。
为了定量评价岩土体的崩解程度，本发明亦提出崩解指数以及崩解速率概念，其定义如下：
式中SI为崩解指数，St为某一时刻岩土体的水平投影面积，S0为崩解试验初始时岩土体的水平投影面积；SR为崩解速率，t为时间，崩解速率SR为崩解过程中岩土体的水平投影面积St随着时间t的导数。SI越大，说明岩土体的崩解程度越高，SR越大，说明岩土体的崩解速率越快。
测得素岩土体及改性岩土体的崩解指数随时间的变化如图4所示，经过崩解试验，黏性土素土在前5s内崩解指数急剧升高，从1上升至4.6，上升了3.6个单位。相比之下，MICP改性土仅有0.2个单位的增幅，为黏性土素土的5.6％。试验后期，黏性土素土崩解指数保持在4.6左右，MICP改性土崩解指数则保持在2.2左右，不到黏性土素土的50％。利用本发明提出的崩解指数能较好地用于描述和评价土体的崩解特性。素土的崩解指数随时间快速增加并最终趋于稳定，其崩解速率远高于改性土，有效表征了改性前后岩土体的崩解情况。
实施例2
针对岩土体崩解试验装置的安装及分析方法与实施例1相同，但是岩土体样品有所差异，本实施例中样品为砂与实施例1中黏性土的混合物，其中砂的平均粒径为0.5mm，添加质量分数为10％。样品经过多次MICP处理，探究不同含砂量下MICP对黏性土水稳性的影响。
经过25s的崩解试验，结果表明：如图5所示，样品在25s内崩解指数随时间逐步升高并趋于稳定，整个崩解过程中，崩解指数前10s内升高较快，增加了0.27个单位，说明10s内该样品剧烈崩解，10s后期逐步稳定，最终崩解指数稳定在1.32左右，说明崩解过程基本结束。利用本发明提出的崩解指数能较好地用于描述和评价混合及改性土体的崩解程度。
实施例3
针对岩土体崩解试验装置的安装及分析方法与实施例1相似，但是岩土体样品有所差异，本实施例中样品为砂与黏性土混合物，其中砂平均粒径为0.5mm，添加质量分数为20％。样品经过多次MICP处理，探究不同含砂量下MICP对黏性土水稳性的影响。
经过25s的崩解试验，结果表明：如图5所示，样品在25s内崩解指数随时间逐步升高，最终待崩解指数趋于稳定时，仅增加了0.05个单位，为掺砂量10％样品的15.6％。这说明增加了10％掺砂量，有利于MICP改性黏性土的水稳性，也进一步论证了利用本发明提出的崩解试验方法，崩解指数可以有效表征不同土样的崩解程度。
实施例4
本实施例中利用崩解速率的计算公式：
计算实施例2与实施例3中10％与20％掺砂样品崩解速率SR，可以通过Origin软件(9.1版本)中Analysis(分析)功能实现，具体操作为：在Origin软件中输入St与t数值，选择Analysis(分析)功能，选择mathematics(数学分析)-differentiate(求导)即可直接生成某一时刻的导数值，即为崩解过程中某一时刻的崩解速率。
结果如表2所示。结果表明，在前20s内，10％掺砂量的样品崩解速率明显高于20％掺砂量的样品，即10％掺砂样品崩解速率更快，这一结果也与崩解指数结果相符，侧面证明了崩解指数的可靠性。另一方面，结果表明在第25s时，20％掺砂量的样品崩解速率略高于10％掺砂量的样品，这主要是因为在该时刻砂颗粒的瞬时崩解导致的。这表明通过崩解速率的计算，能够精确计算某一时刻土样崩解的瞬时情况，结合崩解指数对崩解程度的表征，崩解速率进一步完善了对岩土体崩解过程的定量统计方法，实验数据也证明了二者可以有效表征不同岩土体样品的崩解特性。
表2不同时刻不同掺砂量样品崩解速率
实施例5
针对岩土体崩解试验装置的安装及分析方法与实施例1相似，但是对于崩解适中的岩土体样品，拍摄过程中每1h拍摄一张照片(可根据实际情况延长或缩短拍摄频率)，且焦距、像素、通光量等条件保持不变，将照片采用图像分析系统90处理。
实施例6
针对岩土体崩解试验装置的安装及分析方法与实施例1相似，但是针对崩解较为缓慢的的岩土体样品而言，拍摄过程中每1d(可根据实际情况延长或缩短拍摄频率)拍摄一张照片，且焦距、像素、通光量等条件保持不变，将照片采用图像分析系统90处理。
需要说明的是，本技术领域的普通技术人员应当认识到，在上述具体的实施方案所描述的操作步骤，仅仅是为了说明本发明过程中的实施案例，并不局限于本发明本身，只要是在本发明实质精神范围内，对上述实施案例的变化、变型都落在本发明的权利要求范围内。
Claims (10)
1.一种岩土体崩解测试分析方法，其特征在于，采用下式计算特定时刻的岩土体崩解指数：
其中，SI为崩解指数，St为某一时刻岩土体的水平投影面积，S0为崩解试验初始时刻岩土体的水平投影面积。
2.一种岩土体崩解测试分析方法，其特征在于，采用下式计算岩土体崩解速率：
式中SR为崩解速率，是崩解过程中岩土体的水平投影面积St随着时间t的导数。
3.根据权利要求1或2所述的岩土体崩解测试分析方法，其特征在于，所述分析方法包括以下步骤：
1)将相机置于顶壁开设窗口的照明灯箱上；
2)在敞口容器中放入岩土体样品和水，将敞口容器置于照明灯箱中；
3)岩土体被水浸没的同时开始通过置于照明灯箱顶壁窗口的相机对岩土体样品的崩解过程进行拍摄；
4)对步骤3)拍摄的图片进行处理，计算特定时刻的岩土体崩解指数或崩解速率。
4.根据权利要求3所述的岩土体崩解测试分析方法，其特征在于，步骤4)所述图片的处理方法为采用图像分析系统对图像进行剪裁、二值化以及生成区块图。
5.根据权利要求4所述的岩土体崩解测试分析方法，其特征在于，所述处理步骤具体为：
A)对图片进行等量剪裁，突出岩土体主体；
B)将图片调整成灰度图，采用自适应阈值算法计算出最佳阈值并生成二值图；
C)通过岩土体识别与统计模块，生成区块图，统计岩土体的像素点个数作为岩土体在某一时刻的面积。
6.一种用于权利要求1或2所述岩土体崩解测试分析方法的岩土体崩解测试装置，其特征在于，包括底座(10)、用于盛放岩土体试样的敞口容器(60)，所述敞口容器(60)底部内径小于等于所述敞口容器(60)壁任一横截面的内径；所述测试装置还包括用于罩扣敞口容器(60)的照明灯箱(30)，所述照明灯箱(30)包括侧壁与顶壁，所述顶壁开设窗口(31)，通过窗口(31)能够观测到敞口容器(60)中岩土体的横截面；所述侧壁设有供敞口容器(60)进出的开口(32)。
7.根据权利要求6所述的岩土体崩解测试装置，其特征在于，所述测试装置还包括相机(40)，相机通过窗口(31)观测岩土体崩解过程；所述照明灯箱(30)的内壁安装LED灯(50)，保证360°对岩土体样品进行照明。
8.根据权利要求6所述的岩土体崩解测试装置，其特征在于，所述底座(10)上设有架于照明灯箱(30)外周的支架(20)，所述支架(20)包括依次相连接的垂直部一(21)、水平部(22)、垂直部二(23)，所述垂直部一(21)、垂直部二(23)连接在所述底座(10)上；所述水平部(22)上与所述窗口(31)相对处设有相机支撑架。
9.根据权利要求7所述的岩土体崩解测试装置，其特征在于，所述相机(40)与图像分析系统(90)连接。
10.根据权利要求9所述的岩土体崩解测试装置，其特征在于，所述图像分析系统(90)包括数据传输模块、图像存储模块与数据处理模块。
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