CN113804560B - 一种非饱和土与结构物界面剪切可视化试验装置及方法 - Google Patents

一种非饱和土与结构物界面剪切可视化试验装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非饱和土与结构物界面剪切可视化试验装置及方法，其包括支架系统、剪切盒、竖向加载系统、水平加载系统、吸力测量系统、摄影测量系统和数据采集分析系统；通过竖向加载系统和水平加载系统分别为剪切盒缓慢提供法向应力和剪切应力；通过吸力测量系统时时监测界面剪切带的基质吸力变化；通过摄影测量系统获取界面剪切带的时间序列图像，并经编程处理后得到界面剪切带实时饱和度和位移变化；通过数据采集分析系统对试验过程中界面剪切带传输的数据进行监测、采集和分析。本发明结构合理，操作简便，控制精准，解决了均质界面剪切试样制备、界面剪切带基质吸力、饱和度及位移量测的问题，真正意义上实现了界面剪切带可视化。

Description

一种非饱和土与结构物界面剪切可视化试验装置及方法
技术领域
本发明涉及土与结构物界面剪切技术领域，特别涉及一种非饱和土与结构物界面剪切可视化的试验装置及方法。
背景技术
传统岩土工程设计通常将土体看作完全饱和或干燥，因而在设计中简单取界面摩擦角＝(1/2～2/3)φ(φ为土体摩擦角)或直接忽略界面剪切强度。然而，一方面，相比饱和土或干土，非饱和土中固-液-气三相之间的相互作用，使得土体的力学性质更加复杂多变；另一方面，许多结构如浅基础、挡土墙和抗滑桩等经常与非饱和土接触建造，并可能因季节性降雨和地下水位上升等因素显著改变土体饱和度和基质吸力，从而影响土体与结构物界面的剪切行为。
鉴于非饱和土的复杂性，建立非饱和土与结构物界面剪切强度模型必须以相关界面剪切试验为基础。界面直剪仪是一种较好的界面剪切强度测试设备，因其操作简便，测得数据较为精确而应用较多。针对非饱和土与结构物界面剪切试验装置，目前国内外有少量学者在非饱和土直剪仪基础上开展了一系列改进工作，如Hamid(2009)、刘毓氚(2014)和Hossain(2015)等基于轴平移技术研发了多种非饱和土与结构物界面剪切测试装置。然而，一方面，常规改装土与结构物界面剪切测试装置只能反映整个土体位移变化，无法反映剪切带土体颗粒位移变化，尤其是界面粗糙度对土颗粒相对位置变化的影响，进而无法有效模拟剪切破坏机制；另一方面，轴平移技术被证明存在诸多内在缺陷：(1)轴平移环境与自然环境中吸力存在差异，剪切过程中人为控制吸力不变，但实际土体吸力大小与其本身结构有关，造成剪切模拟失真；(2)轴平移技术的压力室气密性难以保证，剪切过程容易漏气；(3)试验周期长，施加每级吸力需要等待很长时间，以保证压力室的水汽平衡。此外，采用上述界面剪切试验装置进行试验时，制样方法也存在如下难题：(1)界面剪切带无法均匀有效击实，人为使界面剪切带更为薄弱，忽略了严重影响试验结果的可靠性；(2)在分层击实成样时，每层击实能量相同，与实际能量传递递减不符，导致无法制备均质试样。
为稳步推进非饱和土相关理论的发展，现阶段关于土与结构物界面剪切试验研究应至少包含如下内容：(1)制备均质界面剪切试样；(2)在自然条件下进行剪切试验，实时监测剪切过程中界面剪切带基质吸力和饱和度的变化；(3)实时拍摄界面剪切带的位移图像，经处理后揭示界面剪切带形成、物态演化及局部变形机理。然而，针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种非饱和土与结构物界面剪切可视化试验装置及方法，解决了现有技术中存在的问题。
为达到上述技术效果，本发明的技术方案是：
一种非饱和土与结构物界面剪切可视化试验装置，包括支架系统，支架系统上安装有剪切盒；所述剪切盒包括上半剪切盒和下半剪切盒，下半剪切盒一侧有水平加载系统；上半剪切盒上方安装有竖向加载系统；所述水平加载系统包括水平伺服电机，水平伺服电机通过法兰盘连接有水平减速机，水平减速机联轴器连接有水平传力杆；
水平加载系统还包括与上半剪切盒侧面连接有水平压力传感器，水平压力传感器连接在支架系统上，配合上半剪切盒还安装有位移传感器；水平传力杆和水平压力传感器分别安装在支架系统上相对的两侧；所述下半剪切盒内固定有透明结构物，透明结构物顶部成形有若干剪切齿，透明结构物下方安装有摄影测量系统；所述上半剪切盒内填充有土样，土样内安装有吸力测量系统；水平加载系统、竖向加载系统、吸力测量系统和摄影测量系统有线或无线连接有数据采集分析系统；上半剪切盒和下半剪切盒之间形成界面剪切带。
进一步的改进，所述支架系统包括工作台，工作台上固定有若干立柱，立柱间固定有横梁；立柱外侧安装有三角支撑架，三角支撑架与上半剪切盒之间安装有水平压力传感器；所述工作台中部设有相机拍摄孔a，相机拍摄孔a两侧对称设有水平导轨，水平导轨采用螺栓固定在工作台上，水平导轨上安装有若干滚珠，下半剪切盒滑动安装在水平导轨上；所述立柱下端固定在工作台上，立柱上端通过螺栓与横梁固定连接，竖向加载系统滑动连接在横梁上；所述三角支撑架下端固定在工作台上。
进一步的改进，所述下半剪切盒底部连接有剪切盒底座；上半剪切盒和下半剪切盒通过销钉连接固定；透明结构物与下半剪切盒底部凸缘采用螺栓连接；透明结构物上部低于下半剪切盒顶面2～5mm；上半剪切盒顶部设有与串筒可拆卸连接的螺栓孔；下半剪切盒与剪切盒底座间设有挤压连接的第二O型密封圈，下半剪切盒中部设有固定透明结构物的第一O型密封圈。
进一步的改进，所述竖向加载系统包括竖向伺服电机，竖向伺服电机通过法兰盘连接有竖向减速机，竖向减速机通过联轴器连接有竖向加载杆，竖向加载杆上安装有竖向压力传感器；配合上半剪切盒,支架系统上安装有竖向激光位移传感器。
进一步的改进，所述吸力测量系统包括与竖向加载杆连接的加载帽，加载帽顶部中心开凹槽，凹槽上部与竖向加载杆相连；加载帽连接有传压板，传压板内成形有插孔；插孔内穿过有电缆线；电缆线电连接有高量程张力计，高量程张力计下端安装有陶土板，陶土板放置在界面剪切带的顶部以监测基质吸力变化；电缆线下端设有带螺纹的内卡环；所述高量程张力计上端设有带螺纹的外卡环，外卡环通过螺纹与内卡环相连。
进一步的改进，所述位移传感器为水平激光位移传感器。
进一步的改进，所述摄影测量系统包括DIC黑箱和处于DIC黑箱一侧的LED泛光灯；DIC黑箱内安装有CCD相机，CCD相机位于透明结构物的正下方，镜头对准拍摄透明结构物与土样的接触界面处。
进一步的改进，所述数据采集分析系统包括数据采集仪，数据采集仪电连接有计算机；水平加载系统、竖向加载系统、吸力测量系统和摄影测量系统有线或无线连接数据采集仪，计算机实现实时监测、采集和分析各传感器量测的数据变化；计算机获取摄影测量系统传输的时间序列图像，并经编程处理后得到界面剪切带实时饱和度和位移变化。
一种非饱和土与结构物界面剪切试验装置试验方法，包括下列步骤：
S1、标定ρt-t关系曲线：配置一系列不同饱和度Sr土样，并在与剪切和尺寸相同的标定盒中控制不同时间t压实土样，每次压实后采用环刀法计算对应土样密度ρt，由此得到不同饱和度下土样密度ρt与压实时间t的关系曲线：
ρt＝a1×ln(t)+a2 (1)
其中a1和a2为标定系数；
S2、标定Sr-RGB关系曲线：对步骤S1中压实土样进行拍照，并利用Matlab数字图像识别技术提取不同饱和度Sr下土样颜色图像的色度值RGB，由此得到饱和度Sr与色度值RGB的关系曲线：
Sr＝b1×RGB2+b2×RGB+b3 (2)
其中b1、b2和b3为标定系数；
S3、安装界面剪切试验装置，调试设备；
S4、将剪切盒底座放在水平导轨上，并将下半剪切盒放在剪切盒底座上；安装完好后将预设界面粗糙度的透明结构物放入下半剪切盒，并采用螺栓与下半剪切盒连接固定完好；将上半剪切盒放置在下半剪切盒上，并插入销钉固定；
S5、制备界面剪切试样：将套环套在串筒上，采用螺栓将串筒与上半剪切盒连接形成压实筒，并在压实筒内壁涂抹减阻凡士林；在预设饱和度Sr0下，根据控制密度ρt0向压实筒内填入对应质量m0的土样，并在土样上部依次放置传压板和加载帽，调整竖向加载杆与加载帽接触；启动竖向加载系统，控制减速机以预设的输出速度对试样施加法向压力，加载时间t0为按式(1)反算ρt0对应的时间，从而制备出预设饱和度和控制密度下的界面剪切试样；其中，m0＝ρt0×V0，V0为剪切盒内部体积；
S6、安装张力计：关闭竖向加载系统，将高量程张力计的外卡环与内卡环相连，并将电缆线穿越传压板和加载帽的插孔与数据采集仪相连；在土样中心钻孔，钻孔深度为界面剪切带之上，钻孔直径为高量程张力计直径，并将高量程张力计放入钻孔中，依次在土样上重新放置传压板和加载帽；
S7、界面剪切测试：将竖向加载杆重新与加载帽连接，调整水平传力杆与下半剪切盒左侧刚好接触，上半剪切盒右侧与水平压力传感器连接；移除上剪半切盒和下半剪切盒之间的销钉；清零各传感器读数，重新启动竖向加载系统，直至竖向压力传感器达至预定法向压力；设定剪切速率，同步启动水平加载系统、摄影测量系统、吸力测量系统和数据采集分析系统，采集时间、法向压力、竖向位移、剪切应力、剪切位移和基质吸力数据及时间序列图像，并传输至计算机存储；直至剪切位移达到预设值，结束当次试验；
S8、在不同法向压力、界面粗糙度和土样饱和度和控制密度下重复步骤S4～步骤S7，完成多次界面剪切试验；将计算机存储数据进行分析和处理，得到剪切过程中剪切带位移的变化、界面剪切带饱和度和基质吸力随剪切位移的变化、以及饱和度-抗剪强度-界面粗糙度之间的定量关系。
进一步的改进，所述步骤S7和步骤S8中时间序列图像被分为为两组，其中一组直接利用Matlab数字图像识别技术提取图像色度值RGB，并按式(2)计算对应色度值下的饱和度；另一组先处理为灰度图像，并利用DIC图像关联技术追踪剪切带的位移；透明结构物的界面粗糙度Rn＝hmax/D50，其中hmax为透明结构物表面峰谷高度，D50为土样中值粒径。
上述技术方案中用于测定界面剪切带位移的DIC数字图像相关方法，所依据的技术原理是：根据土体颗粒具有各自不同的纹理，首先将时间序列图像处理为灰度图像，并分割成若干均匀的子块，然后利用Matlab匹配算法追踪每个子块的中心像素点的位置变化即可得到相应的位移矢量，经过分析多个子块的位移，就可以得到不同时间段整个观测区域的位移场。
上述技术方案中用于测定界面剪切带饱和度的Matlab数字图像识别技术，所依据的技术原理是：根据土体颗粒具有各自不同的亮度值，首先将所拍摄的每个时间序列图像分成若干个小方格，利用Matlab软件编程对小方格内的亮度值进行平均以减少亮度值散射，然后根据亮度值计算出每个方格内的饱和度，并生成显示不同时间段饱和度分布的等高线图或云图。
本发明的显著效果如下：
1、利用密度-时间标定曲线精确控制土样不同深度处能量均匀传递，从而制备均质试样；
2、待测试样处于自然状态下，即土体孔隙气压与大气压相等，能够真实模拟天然非饱和土的吸力状态，并且避开了保持装置气密性的难题；
3、将高量程张力计与加载帽和传压板固定连接，并埋设在界面剪切带顶面处，以便于剪切过程实时测定界面剪切带基质吸力；
4、结构物采用透明材料制作，且工作平台留有拍摄孔，以便利用CCD相机实时拍摄界面剪切带土体颗粒微观的运动轨迹；
5、利用Matlab软件编程提取试样剪切带分块图像的色度值，并根据饱和度-色度值标定曲线计算对应饱和度，实现实时监测界面剪切带饱和度变化。
附图说明
图1为非饱和土与结构物界面剪切可视化试验装置立面结构示意图；
图2为非饱和土与结构物界面剪切可视化试验装置平面结构示意图；
图3为剪切盒剖视结构放大图；
图4为剪切盒俯视结构放大图；
图5为下半剪切盒、透明结构物剖视结构放大图；
图6为剪切盒底座剖视结构放大图；
图7为图1中A-A剖面示意图；
图8为数据采集分析系统的电路原理框图；
图9为特制串筒剖视结构放大图；
图10为土样密度与压实时间之间的关系曲线图；
图11为饱和度与色度值之间的关系曲线图。
图中：1-1、工作台；1-2、横梁；1-3、立柱；1-4、三角支撑架；1-5、相机拍摄孔a；1-6、水平导轨；1-7、滚珠；2-1、上半剪切盒；2-2、下半剪切盒；2-3、销钉；2-4、剪切盒底座；2-5、土样；2-6、透明结构物；2-7、螺栓孔；2-8、第一O型密封圈；2-9、第二O型密封圈；2-10、拍摄孔b；3-1、竖向伺服电机；3-2、竖向减速机；3-3、竖向加载杆；3-4、竖向压力传感器；3-5、竖向激光位移传感器；4-1、水平伺服电机；4-2、水平减速机；4-3、水平传力杆；4-4、水平压力传感器；4-5、水平激光位移传感器；5-1、加载帽；5-2、传压板；5-3、插孔；5-4、弹簧；5-5、高量程张力计；5-6、电缆线；5-7、内卡环；5-8、外卡环；5-9、陶土板；6-1、CCD相机；6-2、DIC黑箱；6-3、LED泛光灯；7-1、采集仪；7-2、计算机；8-1、特制串筒；8-2、套环。
具体实施方式
以下通过具体实施方式并且结合附图对本发明的技术方案作具体说明。
实施例1
如图1所示的参考图1、图2和图8，一种非饱和土与结构物界面剪切可视化试验装置，其特征在于，包括支架系统、剪切盒、竖向加载系统、水平加载系统、吸力测量系统、摄影测量系统和数据采集分析系统；所述支架系统与剪切盒、竖向加载系统、水平加载系统、吸力测量系统、摄影测量系统和数据采集分析系统构成一个整体。
参考图1，所述支架系统由工作台、横梁、立柱和三角支撑架组成；所述工作台中部设有相机拍摄孔a，拍摄孔a两侧对称设有水平导轨，水平导轨采用螺栓固定在工作台上，水平导轨上放置有若干滚珠；所述立柱下端固定在工作台上，立柱上端通过螺栓固定在横梁上；所述三角支撑架下端固定工作台上，三角支撑架上端与水平压力传感器相连。
参考图1、图3～图7，所述剪切盒由上半剪切盒、下半剪切盒和剪切盒底座组成；所述上半剪切盒与下半剪切盒通过销钉连接固定，下半剪切盒放置在剪切盒底座上，剪切盒底座放置在水平导轨上；所述上半剪切盒内放置土样，下半剪切盒内放置透明结构物，透明结构物与下半剪切盒底部凸缘采用螺栓连接，且透明结构物上部低于下半剪切盒顶面2～5mm以模拟真实界面剪切带厚度；所述上半剪切盒顶部设有与特制串筒连接的螺栓孔，上半剪切盒右侧与水平压力传感器相连；所述下半剪切盒与剪切盒底座间设有挤压连接的O型密封圈，下半剪切盒中部设有固定透明结构物的O型密封圈；所述剪切盒底座设有拍摄孔b。
优选的，所述透明结构物可选择高硬度材料如氮氧化铝、钢化防爆玻璃、石英玻璃等。
参考图1～图2，所述竖向加载系统至少包括竖向伺服电机、竖向减速机、竖向加载杆、竖向压力传感器、竖向激光位移传感器；所述竖向伺服电动机与其下方竖向减速机通过法兰盘连接，竖向减速机中部固定在横梁上，竖向减速机右侧与竖向加载杆通过联轴器连接；所述竖向加载杆上设有竖向压力传感器，配合竖向加载杆在横梁上安装有竖向激光位移传感器。竖向伺服电机、竖向减速机和竖向加载杆形成电伸缩杆结构。
参考图1～图2，所述水平加载系统至少包括水平伺服电机、水平减速机、水平传力杆、水平压力传感器、水平激光位移传感器；所述水平伺服电动机与其右侧水平减速机通过法兰盘连接，水平减速机下部与工作台通过螺栓连接；所述水平传力杆左侧与水平减速机通过联轴器连接，水平传力杆右侧与下半剪切盒连接；所述水平压力传感器左侧与上半剪切盒连接，水平压力传感器右侧与三角支撑杆连接，配合水平传力杆在三角支撑杆上安装有水平激光位移传感器。水平伺服电机、水平减速机和水平传力杆形成电伸缩杆结构。
参考图1和图3，所述吸力测量系统至少包括加载帽、传压板、弹簧和高量程张力计；所述加载帽顶部中心开凹槽，加载帽凹槽上部与竖向加载杆相连；所述加载帽下部与传压板连接固定，加载帽和传压板间设有连通插孔，插孔中设有与电缆线相连的弹簧，电缆线下端设有带螺纹的内卡环；所述高量程张力计上端设有带螺纹的外卡环，外卡环通过螺纹与内卡环相连；所述高量程张力计埋设在土样中，高量程张力计下端安装有陶土板，陶土板放置在界面剪切带的顶部以监测基质吸力变化。
参考图1，所述摄影测量系统至少包括CCD相机、DIC黑箱和LED泛光灯；所述CCD相机放置在DIC黑箱内，且CCD相机位于结构物正下方，镜头对准拍摄结构物与土样的接触界面处；所述DIC黑箱采用螺栓固定在工作台拍摄孔处，DIC黑箱右侧窗口处设有LED泛光灯。
优选的，所述DIC黑箱中采用pp柔光背景板覆盖，以增加反光率和使灯光柔化，不会让灯在拍摄图片中形成光斑。
参考图1和图8，所述数据采集分析系统至少包括数据采集仪和计算机；所述计算机安装有数据采集仪，数据采集仪集成连接有竖向激光位移传感器、水平激光位移传感器、竖向压力传感器、水平压力传感器、高量程张力计和CCD相机，实现实时监测、采集和分析各传感器量测的数据变化；所述计算机获取CCD相机传输的时间序列图像，并经编程处理后得到界面剪切带实时饱和度和位移变化。
参考图1、图2和图9，一种利用非饱和土与结构物界面剪切可视化试验装置的试验方法，其特征在于，包括下列步骤：
S1、标定ρt-t关系曲线：配置一系列不同饱和度Sr(如Sr＝5％、30％和60％)土样，并在标定盒(与剪切盒尺寸相同)中控制不同时间t压实土样，每次压实后采用环刀法计算对应土样密度ρt，由此得到不同饱和度下土样密度ρt与压实时间t的关系曲线：
ρt＝a1×ln(t)+a2 (1)
其中a1和a2为标定系数；
具体地，不同饱和度下典型ρt-t曲线如图10所示；
S2、标定Sr-RGB关系曲线：对步骤S1中压实土样进行拍照，并利用Matlab数字图像识别技术提取不同饱和度Sr下土样颜色图像的色度值RGB，由此得到饱和度Sr与色度值RGB的关系曲线：
Sr＝b1×RGB2+b2×RGB+b3 (2)
其中b1、b2和b3为标定系数；
具体地，典型粉土和砂土的Sr-RGB关系曲线如图11所示；
S3、安装界面剪切试验装置各系统，并与数据采集仪和计算机连接，调试设备；
S4、将剪切盒底座放在水平导轨上，并将下半剪切盒放在剪切盒底座上；安装完好后将一定界面粗糙度(粗糙度Rn＝hmax/D50，其中hmax为透明结构物表面峰谷高度，D50为土样中值粒径)的透明结构物放入下半剪切盒，并采用螺栓与下半剪切盒连接固定完好；将上半剪切盒放置在下半剪切盒上，并插入销钉固定；
S5、制备界面剪切试样：将套环套在特制串筒上(见图9)，采用螺栓将特制串筒与上半剪切盒连接形成压实筒，并在压实筒内壁涂抹减阻凡士林；在一定饱和度Sr0下，根据控制密度t0向压实筒内填入对应质量m0(m0＝t0×V0，其中V0为剪切盒体积)的土样，并在土样上部依次放置传压板和加载帽，调整竖向加载杆与加载帽接触；启动竖向加载系统，控制减速机以一定输出速度对试样施加法向压力，加载时间t0为按式(1)反算t0对应的时间，从而制备出一定饱和度和控制密度下的界面剪切试样；
S6、安装张力计：关闭竖向加载系统，将高量程张力计外卡环与传压板内卡环相连，并将电缆线穿越传压板和加载帽的插孔与数据采集仪相连；在土样中心钻孔，钻孔深度为界面剪切带之上，钻孔直径为高量程张力计直径，并将高量程张力计放入钻孔中，依次在土样上重新放置传压板和加载帽；
S7、界面剪切测试：将竖向加载杆重新与加载帽连接，调整水平传力杆与下半剪切盒左侧刚好接触，上半剪切盒右侧与水平压力传感器连接；移除上剪半切盒和下半剪切盒之间的销钉；清零各传感器读数，重新启动竖向加载系统，直至竖向压力传感器达至预定法向压力；设定剪切速率，同步启动水平加载系统、摄影测量系统、吸力测量系统和数据采集分析系统，采集时间、法向压力、竖向位移、剪切应力、剪切位移和基质吸力数据及时间序列图像，并传输至计算机存储；直至剪切位移达到预设值，结束当次试验；
S8、在不同法向压力、界面粗糙度和土样饱和度和控制密度下重复步骤S4～步骤S7，完成多次界面剪切试验；将计算机存储数据进行分析和处理，得到剪切过程中剪切带位移的变化、界面剪切带饱和度和基质吸力随剪切位移的变化、以及饱和度-抗剪强度-界面粗糙度之间的定量关系。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种非饱和土与结构物界面剪切试验方法，其特征在于，所述非饱和土与结构物界面剪切试验方法采用非饱和土与结构物界面剪切试验装置进行，采用非饱和土与结构物界面剪切试验装置包括支架系统，支架系统上安装有剪切盒；所述剪切盒包括上半剪切盒(2-1)和下半剪切盒(2-2)，下半剪切盒(2-2)一侧有水平加载系统；上半剪切盒(2-1)上方安装有竖向加载系统；所述水平加载系统包括水平伺服电机(4-1)，水平伺服电机(4-1)通过法兰盘连接有水平减速机(4-2)，水平减速机(4-2)联轴器连接有水平传力杆(4-3)；
水平加载系统还包括与上半剪切盒(2-1)侧面连接有水平压力传感器(4-4)，水平压力传感器(4-4)连接在支架系统上，配合上半剪切盒(2-1)还安装有位移传感器；水平传力杆(4-3)和水平压力传感器(4-4)分别安装在支架系统上相对的两侧；所述下半剪切盒(2-2)内固定有透明结构物(2-6)，透明结构物(2-6)顶部成形有若干剪切齿，透明结构物(2-6)下方安装有摄影测量系统；所述上半剪切盒(2-1)内填充有土样(2-5)，土样(2-5)内安装有吸力测量系统；水平加载系统、竖向加载系统、吸力测量系统和摄影测量系统有线或无线连接有数据采集分析系统；上半剪切盒(2-1)和下半剪切盒(2-2)之间形成界面剪切带；
具体包括下列步骤：
S1、标定ρt-t关系曲线：配置一系列不同饱和度Sr土样，并在与剪切盒尺寸相同的标定盒中控制不同时间t压实土样，每次压实后采用环刀法计算对应土样密度ρt，由此得到不同饱和度下土样密度ρt与压实时间t的关系曲线：
ρt＝a1×ln(t)+a2 (1)
其中a1和a2为标定系数；
S2、标定Sr-RGB关系曲线：对步骤S1中压实土样进行拍照，并利用Matlab数字图像识别技术提取不同饱和度Sr下土样颜色图像的色度值RGB，由此得到饱和度Sr与色度值RGB的关系曲线：
Sr＝b1×RGB2+b2×RGB+b3 (2)
其中b1、b2和b3为标定系数；
S3、安装界面剪切试验装置，调试设备；
S4、将剪切盒底座放在水平导轨上，并将下半剪切盒放在剪切盒底座上；安装完好后将预设界面粗糙度的透明结构物放入下半剪切盒，并采用螺栓与下半剪切盒连接固定完好；将上半剪切盒放置在下半剪切盒上，并插入销钉固定；
S5、制备界面剪切试样：将套环套在串筒上，采用螺栓将串筒与上半剪切盒连接形成压实筒，并在压实筒内壁涂抹减阻凡士林；在预设饱和度Sr0下，根据控制密度ρt0向压实筒内填入对应质量m0的土样，并在土样上部依次放置传压板和加载帽，调整竖向加载杆与加载帽接触；启动竖向加载系统，控制减速机以预设的输出速度对试样施加法向压力，加载时间t0为按式(1)反算ρt0对应的时间，从而制备出预设饱和度和控制密度下的界面剪切试样；其中，m0＝ρt0×V0，V0为剪切盒内部体积；
S6、安装张力计：关闭竖向加载系统，将高量程张力计的外卡环与内卡环相连，并将电缆线穿越传压板和加载帽的插孔与数据采集仪相连；在土样中心钻孔，钻孔深度为界面剪切带之上，钻孔直径为高量程张力计直径，并将高量程张力计放入钻孔中，依次在土样上重新放置传压板和加载帽；
S7、界面剪切测试：将竖向加载杆重新与加载帽连接，调整水平传力杆与下半剪切盒左侧刚好接触，上半剪切盒右侧与水平压力传感器连接；移除上剪半切盒和下半剪切盒之间的销钉；清零各传感器读数，重新启动竖向加载系统，直至竖向压力传感器达至预定法向压力；设定剪切速率，同步启动水平加载系统、摄影测量系统、吸力测量系统和数据采集分析系统，采集时间、法向压力、竖向位移、剪切应力、剪切位移和基质吸力数据及时间序列图像，并传输至计算机存储；直至剪切位移达到预设值，结束当次试验；
S8、在不同法向压力、界面粗糙度和土样饱和度和控制密度下重复步骤S4～步骤S7，完成多次界面剪切试验；将计算机存储数据进行分析和处理，得到剪切过程中剪切带位移的变化、界面剪切带饱和度和基质吸力随剪切位移的变化、以及饱和度-抗剪强度-界面粗糙度之间的定量关系。
2.如权利要求1所述的非饱和土与结构物界面剪切试验方法，其特征在于，所述步骤S7和步骤S8中时间序列图像被分为为两组，其中一组直接利用Matlab数字图像识别技术提取图像色度值RGB，并按式(2)计算对应色度值下的饱和度；另一组先处理为灰度图像，并利用DIC图像关联技术追踪剪切带的位移；透明结构物的界面粗糙度Rn＝hmax/D50，其中hmax为透明结构物表面峰谷高度，D50为土样中值粒径。
3.如权利要求1所述的非饱和土与结构物界面剪切试验方法，其特征在于，所述支架系统包括工作台(1-1)，工作台(1-1)上固定有若干立柱(1-3)，立柱(1-3)间固定有横梁(1-2)；立柱(1-3)外侧安装有三角支撑架(1-4)，三角支撑架(1-4)与上半剪切盒(2-1)之间安装有水平压力传感器(4-4)；所述工作台(1-1)中部设有相机拍摄孔a(1-5)，相机拍摄孔a(1-5)两侧对称设有水平导轨(1-6)，水平导轨(1-6)采用螺栓固定在工作台(1-1)上，水平导轨(1-6)上安装有若干滚珠(1-7)，下半剪切盒(2-2)滑动安装在水平导轨(1-6)上；所述立柱(1-3)下端固定在工作台(1-1)上，立柱(1-3)上端通过螺栓与横梁(1-2)固定连接，竖向加载系统滑动连接在横梁(1-2)上；所述三角支撑架(1-4)下端固定在工作台(1-1)上。
4.如权利要求1所述的非饱和土与结构物界面剪切试验方法，其特征在于，所述下半剪切盒(2-2)底部连接有剪切盒底座(2-4)；上半剪切盒(2-1)和下半剪切盒(2-2)通过销钉(2-3)连接固定；透明结构物(2-6)与下半剪切盒(2-2)底部凸缘采用螺栓连接；透明结构物(2-6)上部低于下半剪切盒(2-2)顶面2～5mm；上半剪切盒顶部设有与串筒(81)可拆卸连接的螺栓孔(2-7)；下半剪切盒(2-2)与剪切盒底座(2-4)间设有挤压连接的第二O型密封圈(2-9)，下半剪切盒(2-2)中部设有固定透明结构物(2-6)的第一O型密封圈(2-8)。
5.如权利要求1所述的非饱和土与结构物界面剪切试验方法，其特征在于，所述竖向加载系统包括竖向伺服电机(3-1)，竖向伺服电机(3-1)通过法兰盘连接有竖向减速机(3-2)，竖向减速机(3-2)通过联轴器连接有竖向加载杆(3-3)，竖向加载杆(3-3)上安装有竖向压力传感器(3-4)；配合上半剪切盒(2-1),支架系统上安装有竖向激光位移传感器(3-5)。
6.如权利要求1所述的非饱和土与结构物界面剪切试验方法，其特征在于，所述吸力测量系统包括与竖向加载杆(3-3)连接的加载帽(5-1)，加载帽(5-1)顶部中心开凹槽，凹槽上部与竖向加载杆(3-3)相连；加载帽(5-1)连接有传压板(5-2)，传压板(5-2)内成形有插孔(5-3)；插孔(5-3)内穿过有电缆线(5-6)；电缆线(5-6)电连接有高量程张力计(5-5)，高量程张力计(5-5)下端安装有陶土板(5-9)，陶土板(5-9)放置在界面剪切带的顶部以监测基质吸力变化；电缆线(5-6)下端设有带螺纹的内卡环(5-7)；所述高量程张力计(5-5)上端设有带螺纹的外卡环(5-8)，外卡环(5-8)通过螺纹与内卡环(5-7)相连。
7.如权利要求1所述的非饱和土与结构物界面剪切试验方法，其特征在于，水平传力杆(4-3)上安装有水平压力传感器(4-5)；所述位移传感器为水平激光位移传感器(4-5)。
8.如权利要求1所述的非饱和土与结构物界面剪切试验方法，其特征在于，所述摄影测量系统包括DIC黑箱(6-2)和处于DIC黑箱(6-2)一侧的LED泛光灯(6-3)；DIC黑箱(6-2)内安装有CCD相机(6-1)，CCD相机(6-1)位于透明结构物(2-6)的正下方，镜头对准拍摄透明结构物(2-6)与土样(2-5)的接触界面处。
9.如权利要求1所述的非饱和土与结构物界面剪切试验方法，其特征在于，所述数据采集分析系统包括数据采集仪(7-1)，数据采集仪(7-1)电连接有计算机(7-2)；水平加载系统、竖向加载系统、吸力测量系统和摄影测量系统有线或无线连接数据采集仪(7-1)，计算机(7-2)实现实时监测、采集和分析各传感器量测的数据变化；计算机(7-2)获取摄影测量系统传输的时间序列图像，并经编程处理后得到界面剪切带实时饱和度和位移变化。
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