CN112033800A - 一种测量砂土三轴试样全局体变的方法 - Google Patents
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Abstract
一种测量砂土三轴试样全局体变的方法，属于土工试验技术领域。本发明利用数字图像处理技术测量砂土三轴试样动态全表面应变及其均匀性，该方法基于试验装置实现，试验装置包括三个高速工业相机、改造后三轴压力室、砂土三轴试样，通过3个高速工业相机全方位拍摄试样上印制的散斑来跟踪模拟试样的变形过程，而后利用先进的数字图像处理技术对所拍摄的散斑图像进行分析，获取试样体全表面各局部的变形。本发明试验操作简单，后期图像处理成本低，分析结果有效性和可信度高，测量过程不会扰动试样，同时还可以进行径向应变等其他参数的分析；此方法为应变标准的选取提供准确可靠的方法和测量手段，能够推动土动力学和砂土液化研究的发展。
Description
技术领域
本发明属于土工试验技术领域，涉及一种利用数字图像处理技术测量砂土三轴试样全局体变的测量方法。
技术背景
在砂土三轴试验中，由于刚性试样帽和底座与试样之间存在摩擦力约束，在试样受力加载过程中，试样端部受力与中间部分不一致，从而导致试样体整体的应变发展不均匀。同时，在加载过程中，受加载频率、渗透系数等因素影响，试样整体应变的发展不均匀。
目前，试样局部位移一般通过直接安装在试样体上或压力室内部的一定量的局部位移计量测。这些传感器的安装均会在试样体上设置接触设备，因此附加设备将会对试验的进行和测量产生影响。存在的主要影响有：
(1)在试验加载过程中，传感器的加持会干扰试样体应变的发展，轴向应变和径向应变均受到扰动；
(2)加载过程中，应变发展较为迅速，径向应变的发展会干扰局部位移计测量的准确性和精度；
(3)当变形发展较大时，这类方法测量不准确；对于大变形的试验工况，这类方法同样不适用；
(4)局部位移计的测量设置，导致其只能测量某些局部的应变情况，不能对试样的全面场进行各部位的局部测量，导致测量不够全面准确；
(5)局部位移计的测量需要设施大量的设备，导致试验设备结构复杂，试验操作难度加大，试验成本增加。
由此可见，目前急需一种不影响试样应变发展，又能全面准确测量试样全表面局部变形的方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种设备装置简单、试验操作方便并能够减小试验过程中对试样的干扰，同时又能够准确测量试样全表面局部应变的方法，解决了试样体全表面各局部变形测量的难题、加载过程中试样体大变形测量的难题以及判别加载频率，制样方法等对试样应变发展均匀性影响的难题。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种测量砂土三轴试样全局体变的方法，是一种利用数字图像处理技术测量砂土三轴试样动态全表面应变及其均匀性的方法。该方法基于试验装置实现，试验装置包括三个高速工业相机1～3、改造后三轴压力室4、砂土三轴试样5，通过3个高速工业相机全方位拍摄试样上印制的散斑来跟踪模拟试样的变形过程，而后利用先进的数字图像处理技术(如DIC等)对所拍摄的散斑图像进行分析，获取试样体全表面各局部的变形。试验操作简单，后期图像处理成本低，分析结果有效性和可信度高，测量过程不会扰动试样，同时还可以进行径向应变等其他参数的分析。包括如下步骤：
(1)采用常规中型静动三轴仪设备，并对其压力室进行改造，改造措施如下：在压力室外罩上按照中心对称的方式开设三个矩形窗口，在窗口处设置高强钢化玻璃，并进行严格密封处理。在窗口处，高强钢化玻璃内侧边缘处设置LED灯带，并进行密封处理。
(2)按《土工试验规程》(SL237-1999)中常规三轴试样制样方法制备三轴试样5。
(3)对乳胶膜进行散斑处理。具体为：利用喷漆对乳胶膜进行表面全场散斑处理。先喷制均匀黑底，晾干后，再随机喷制白色散斑。
(4)对砂土三轴试样5进行安装、通气、饱和、固结，并连接好加载装置。具体为：采用常规试验方法对砂土三轴试样5进行安装。砂土三轴试样5顶部与底部分别放置透水石，并在砂土三轴试样5外部套置步骤(2)处理后的乳胶膜，将砂土三轴试样5放置于试样底座上，安置试样帽，绑扎乳胶膜，完成安装。通气，饱和，固结，并将连接轴与液压加载系统连接。
(5)架设外置辅助照明设备，对砂土三轴试样5进行光照设置。使试样表面光照均匀，其表面散斑更加清晰，轮廓线更加分明，提高图像质量。
(6)架设三台高速工业相机1～3，并采用高速数据采集线将其与电脑连接，调节高速工业相机1～3的镜头，对砂土三轴试样5进行对焦，调整曝光率。同时，调试图像采集程序，设置采集参数包括采集图像像素、采集帧率。所述三台高速工业相机架设位置要求为：相机位于压力室视窗外≥1m外，具体举例根据相机参数，试样大小等确定，保证获取的照片能涵盖所有试样表面场信息，且存在的干扰信息最少。三台相机镜头中心线之间的角度为120°，相机镜头中心点、视窗中心点及试样中心点，三点共轴，轴线如图2所示。
(7)同时触发加载程序和图像采集程序，进行试验。
(8)获取试验数据及试验图像，并进行后处理。后处理过程具体如下：
8.1)三台高速工业相机从试样体三个不同方向各获取一个砂土三轴试样5表面场图像，其中一个图像为表面场图像6；下面的图像处理过程以对表面场图像6处理为例，其余两个方向图像处理方法均与表面场图像6处理方法相同，待三个方向图像处理结束后，再进行汇总处理。对得到的三个表面场图像6进行相同的处理方法，以其中一个表面场图像6处理为例：沿长轴方向将表面场图像6平均分为L层，每一层作为一个计算条带。
8.2)现根据图像6详细描述图像处理过程：沿长轴方向将表面场图像6平均分为L层，每一层作为一个计算条带。
8.3)根据步骤8.2)得到的每个计算条带，选取计算条带中心线左右各5°范围内图像作为轴向应变计算区块，由图像处理程序计算得到各轴向应变计算区块中心线上下端点实际轴向位移，记为S1、S2，由以下公式计算得该计算条带轴向应变εa：
其中，εa表示某一计算条带轴向应变；S1、S2表示某一计算条带轴向应变计算区块中心线上下端点实际轴向位移；H表示计算条带沿轴向原始高度。
8.4)根据步骤8.2)得到的每个计算条带，在选取的计算条带左右边缘处各选取2M+1个像素点宽度范围作为径向应变计算区块，由图像处理程序计算得到各径向应变计算区块中心点相较于初始图像径向应变计算区块中心点实际径向位移，记为R1、R2，各计算条带径向应变计算公式如下：
式中：εr表示某一计算条带径向应变，R1、R2表示某一计算条带左、右端径向应变计算区块中心点实际径向位移；R0表示砂土三轴试样5平均半径。
8.6)根据步骤8.3)、8.4)得到每个计算条带轴向应变εa和径向应变εr，计算该表面场体积应变：
式中：εv表示某一表面场图图像6体积应变；εai表示第i个计算条带轴向应变；εri表示第i个计算条带径向应变；i＝1,2,3……L；L表示计算条带数量。
根据步骤8.2)至8.6)得到有表面场图像6计算得到砂土三轴试样5的体积应变。根据上述步骤，对其余两个方向分别处理，分别得到相应的砂土三轴试样5的体积应变。
8.7)由步骤8.2)至8.6)分别获取三个方向分别计算得到的砂土三轴试样5体积应变，计算根据砂土三轴试样5实际体积应变εV为：
式中：εV表示砂土三轴试样5实际体积应变，
表示某一表面场图像6处理的体积应变；j表示砂土三轴试样5从三个方向获取的图像编号，分别对应三台高速工业相机的标号1、2、3。
本发明的有益效果：
该测量方法不需要另外设计和研制对试样体进行全面局部测量的设备，利用工业相机和现有常规小型三轴仪就可以完成全面局部变形的测量。该测量方法操作步骤简单，且避免了外置传感器对试样变形的干扰，实时保存散斑图像，利于在试验结束后重新观察和分析整个试验过程。同时，在试验过程中避免了只针对试样体某些局部进行应变测量的局限性。后期针对保存的散斑图像，利用先进的数字图像处理算法可以精确地测量试样体局部的轴向变形和径向变形，此方法不仅适用于小变形测量同样适用于大变形测量，为应变标准的选取提供了准确可靠的方法和测量手段，推动了土动力学和砂土液化研究的发展，具有良好的推广价值。
附图说明
图1是改造后三轴试验设备及采集设备立体图。
图2是改造后三轴试验设备及采集设备俯视图。
图3是三轴压力室视窗及试样体散斑立体图。
图中：1～3高速工业相机；4改造后三轴压力室；5砂土三轴试样；6表面场图像。
具体实施方式
以下结合实例，对本发明进行详细说明：
一种利用数字图像处理技术测量三轴试样动态全表面变应变及其均匀性的方法，基于小型三轴试验仪实现，试验装置包括高速工业相机1～3、改造后三轴压力室4、砂土三轴试样5等。具体包括以下步骤：
(1)采用常规中型静动三轴仪设备，在其基础上，对压力室进行改造。具体改造措施如下：在压力室外罩上按照中心对称的方式开设三个矩形窗口，在窗口处设置高强钢化玻璃，并进行严格密封处理。在窗口处，高强钢化玻璃内侧边缘处设置LED灯带，并进行密封处理。
(2)按《土工试验规程》(SL237-1999)中常规三轴试样制样方法制备砂土三轴试样5。
(3)利用喷漆(黑色和白色)对乳胶膜进行表面全场散斑处理。先喷制均匀黑底，晾干后，再随机喷制白色散斑。黑色底层使成像清晰，边缘明显，使得乳胶膜与背景反差明显，使砂土三轴试样5与其周边部分的灰度值在边缘位置有明显跃迁,满足阶跃边缘的条件；黑底白斑对比度高，灰度值差别大，易于后期图像分析，提高测量精确度。
(4)按《土工试验规程》(SL237-1999)中常规试验方法对砂土三轴试样5进行安装。砂土三轴试样5顶部与底部分别放置透水石，并在砂土三轴试样5外部套置乳胶膜，将砂土三轴试样5放置于试样底座上，安置试样帽，绑扎乳胶膜，完成安装。通气，饱和，固结，并将连接轴与液压加载系统连接。
(5)架设外置辅助照明设备，对试样体进行光照设置。使试样体表面光照均匀，使试样体表面散斑更加清晰，试样体轮廓线更加分明，提高图像质量。
(6)架设高速工业相机1～3，并采用高速数据采集线将其与电脑连接，调节高速工业相机1～3的镜头，对试样体进行对焦，调整曝光率。同时，调试图像采集程序，设置采集参数包括采集图像像素、采集帧率。所述三台高速工业相机架设位置要求为：相机位于压力室视窗外≥1m外，具体举例根据相机参数，试样大小等确定，保证获取的照片能涵盖所有试样表面场信息，且存在的干扰信息最少。三台相机镜头中心线之间的角度为120°，相机镜头中心点、视窗中心点及试样中心点，三点共轴，如图2所示。
(7)同时触发加载程序和图像采集程序，高频采集全过程试验图像至试验结束，获取试验图像。
(8)三台高速工业相机从试样体三个不同方向各获取一个砂土三轴试样5表面场图像，其中一个图像为表面场图像6；下面的图像处理过程以对表面场图像6处理为例，其余两个方向图像处理方法均与表面场图像6处理方法相同，待三个方向图像处理结束后，再进行汇总处理。对得到的三个表面场图像6进行相同的处理方法，以其中一个表面场图像6处理为例：沿长轴方向将表面场图像6平均分为L层，每一层作为一个计算条带。该实例以分层数20为例。
(9)现根据表面场图像6详细描述图像处理过程：沿长轴方向将表面场图像6平均分为20层，每一层作为一个计算条带。
(10)根据步骤(9)得到的每个计算条带，选取计算条带中心线左右各5°范围内图像作为轴向应变计算区块，由图像处理程序计算得到各轴向应变计算区块中心线上下端点实际轴向位移，记为S1、S2，由以下公式计算得该计算条带轴向应变εa：
其中，εa表示某一计算条带轴向应变；S1、S2表示某一计算条带轴向应变计算区块中心线上下端点实际轴向位移；H表示计算条带沿轴向原始高度。
(11)根据步骤(9)得到的每个计算条带，在选取的计算条带左右边缘处各选取2M+1个像素点宽度范围作为径向应变计算区块，由图像处理程序计算得到各径向应变计算区块中心点相较于初始图像径向应变计算区块中心点实际径向位移，记为R1、R2，各计算条带径向应变计算公式如下：
式中：εr表示某一计算条带径向应变，R1、R2表示某一计算条带左、右端径向应变计算区块中心点实际径向位移；R0表示砂土三轴试样平均半径。
(12)根据步骤(10)、(11)得到每个计算条带轴向应变εa和径向应变εr，计算该表面场体积应变：
式中：εv表示某一表面场图图像6体积应变；εai表示第i个计算条带轴向应变；εri表示第i个计算条带径向应变；i＝1,2,3……20。
根据步骤(9)至(12)得到有表面场图像6计算得到砂土三轴试样5的体积应变。根据上述步骤，对其余两个方向分别处理，分别得到相应的砂土三轴试样5的体积应变。
(13)由步骤(9)至(12)分别获取三个方向分别计算得到的砂土三轴试样5体积应变，计算根据砂土三轴试样5实际体积应变εV为：
式中：εV表示砂土三轴试样5实际体积应变，
表示某一表面场图像6处理的体积应变；j表示砂土三轴试样5从三个方向获取的图像编号，分别对应三台高速工业相机的标号1、2、3。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种测量砂土三轴试样全局体变的方法，其特征在于，所述方法基于试验装置实现，试验装置包括三个高速工业相机、改造后三轴压力室、砂土三轴试样，通过3个高速工业相机全方位拍摄试样上印制的散斑来跟踪模拟试样的变形过程，而后利用数字图像处理技术对所拍摄的散斑图像进行分析，获取试样体全表面各局部的变形；包括如下步骤：
(1)采用常规中型静动三轴仪设备，并对其压力室进行改造：在压力室外罩上按照中心对称的方式开设三个矩形窗口，在窗口处设置高强钢化玻璃，并进行严格密封处理；在窗口处，高强钢化玻璃内侧边缘处设置LED灯带，并进行密封处理；
(2)采用常规三轴试样制样方法制备砂土三轴试样；
(3)对乳胶膜进行散斑处理；
(4)对砂土三轴试样进行安装、通气、饱和、固结，并连接好加载装置；
(5)架设外置辅助照明设备，对砂土三轴试样进行光照设置，使试样表面光照均匀，其表面散斑清晰，轮廓线分明，提高图像质量；
(6)架设三台高速工业相机，并采用高速数据采集线将其与电脑连接，调节三台高速工业相机的镜头，对砂土三轴试样进行对焦，调整曝光率；同时，调试图像采集程序，设置采集参数包括采集图像像素、采集帧率；所述三台高速工业相机架设位置要求为：相机位于压力室视窗外≥1m外，保证获取的照片能涵盖所有试样表面场信息，且存在的干扰信息最少；三台相机镜头中心线之间的角度为120°，相机镜头中心点、视窗中心点及试样中心点，三点共轴；
(7)同时触发加载程序和图像采集程序，进行试验；
(8)获取试验数据及试验图像，并进行后处理；后处理过程具体如下：
8.1)三台高速工业相机从试样体三个不同方向各获取一个砂土三轴试样表面场图像，其中一个图像为表面场图像；图像处理过程以对表面场图像处理进行说明，其余两个方向图像处理方法均与表面场图像处理方法相同，待三个方向图像处理结束后，再进行汇总处理；
8.2)表面场图像处理过程为：沿长轴方向将表面场图像6平均分为L层，每一层作为一个计算条带；
8.3)根据步骤8.2)得到的每个计算条带，选取计算条带中心线左右各5°范围内图像作为轴向应变计算区块，由图像处理程序计算得到各轴向应变计算区块中心线上下端点实际轴向位移，记为S1、S2，由以下公式计算得该计算条带轴向应变εa：
其中，εa表示某一计算条带轴向应变；S1、S2表示某一计算条带轴向应变计算区块中心线上下端点实际轴向位移；H表示计算条带沿轴向原始高度；
8.4)根据步骤8.2)得到的每个计算条带，在选取的计算条带左右边缘处各选取2M+1个像素点宽度范围作为径向应变计算区块，由图像处理程序计算得到各径向应变计算区块中心点相较于初始图像径向应变计算区块中心点实际径向位移，记为R1、R2，各计算条带径向应变计算公式如下：
式中：εr表示某一计算条带径向应变，R1、R2表示某一计算条带左、右端径向应变计算区块中心点实际径向位移；R0表示砂土三轴试样平均半径；
8.6)根据步骤8.3)、8.4)得到每个计算条带轴向应变εa和径向应变εr，计算该表面场体积应变：
式中：εv表示某一表面场图图像体积应变；εai表示第i个计算条带轴向应变；εri表示第i个计算条带径向应变；i＝1，2，3......L；L表示计算条带数量；
根据步骤8.2)至8.6)得到有表面场图像计算得到砂土三轴试样的体积应变；根据上述步骤，对其余两个方向分别处理，分别得到相应的砂土三轴试样的体积应变；
8.7)由步骤8.2)至8.6)分别获取三个方向分别计算得到的砂土三轴试样体积应变，计算根据砂土三轴试样实际体积应变，为：
式中：εV表示砂土三轴试样实际体积应变，
表示某一表面场图像处理的体积应变；j表示砂土三轴试样从三个方向获取的图像编号，分别对应三台高速工业相机的标号1、2、3。
2.根据权利要求1所述的一种测量砂土三轴试样全局体变的方法，其特征在于，所述步骤(3)具体为：利用喷漆对乳胶膜进行表面全场散斑处理；先喷制均匀黑底，晾干后，再随机喷制白色散斑。
3.根据权利要求1所述的一种测量砂土三轴试样全局体变的方法，其特征在于，所述步骤(4)具体为：采用常规试验方法对砂土三轴试样进行安装；砂土三轴试样顶部与底部分别放置透水石，并在砂土三轴试样外部套置步骤(2)处理后的乳胶膜，将砂土三轴试样放置于试样底座上，安置试样帽，绑扎乳胶膜，完成安装；通气、饱和、固结，并将连接轴与液压加载系统连接。
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