CN202814824U

CN202814824U - 观测裂土裂隙发展演化过程的试验装置

Info

Publication number: CN202814824U
Application number: CN 201220428318
Authority: CN
Inventors: 张先伟; 孔令伟
Original assignee: Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics of CAS
Current assignee: Wuhan Institute of Rock and Soil Mechanics of CAS
Priority date: 2012-08-27
Filing date: 2012-08-27
Publication date: 2013-03-20
Anticipated expiration: 2022-08-27

Abstract

本实用新型公开了一种观测裂土裂隙发展演化过程的试验装置,暗箱与暗室盖分别通过合页连接，第一孔洞为螺环孔，与螺旋伸缩杆外径匹配；第二孔洞内穿过CCD摄像头电源线以及数据传输线；第三孔洞内穿过LED冷光灯的电源线；第四孔洞内穿过LED冷光灯的电源线；第五孔洞内穿过电子天平电源线与数据传输线；CCD摄像头与螺旋伸缩杆，电源线及数据传输线从孔洞穿过与电脑相连；LED冷光灯的电源线从第三孔洞与第四孔洞中穿过，第一反光板与第二反光板通过铁钉固定与暗箱的顶部；电子天平摆放于暗箱底部，电子天平的电源线与数据传输线从第五孔洞中穿出与电脑相连。结构简单，使用方便，结果准确性高，试验全过程只需控制电脑采集数据，减少了人为影响误差。

Description

观测裂土裂隙发展演化过程的试验装置

技术领域

本实用新型涉及土体工程力学试验仪器技术领域，尤其涉及一种观测裂土裂隙发展演化过程的试验装置，利用该装置开展裂土裂隙在干缩失水影响下裂隙发展演化规律试验，有助于科研人员加深对土体裂隙变化物理过程的了解，并为最终建立在气候作用下裂土工程稳定性预测预报模型奠定基础。

背景技术

裂土（裂隙黏土、膨胀土、胀缩土等的统称）的裂隙是影响其工程性质的重要因素。在气候及外部环境影响下，土体因失水干缩产生的裂隙土体的强度和稳定性有重要影响。地下水的渗流、污染物的扩散等也受土体裂隙形状和大小的控制。随着交通、水电工程、建筑工程、矿业开发、石油开采、核废料处理等领域的快速发展，对土体裂隙发生、发展演化规律进行深入研究具有重要意义。

对裂隙的调查、测量和统计是评价土体质量、提取土体力学参数和进行数值仿真分析的基础。目前，对土体裂隙的野外调查和现场测量还是以手工测量方法为主，手工方法工作效率较低，易受到自然条件的影响，引起的随机误差和系统误差较大。因此，一些研究者通过室内模拟自然环境对土体裂隙演化展开研究。数码摄像以及数字图像识别分析技术的发展为实现高效的裂隙测量提供了一种可能途径。这种方法的关键在于对裂隙图像的计算机识别，其前提是获得清晰的可准确表现裂土在环境变化情况下裂隙发育过程的数码照片。然而，照片拍摄过程中光线等外部环境影响对拍摄效果影响较大，直接影响到后续试验与分析。

此外，裂土产生裂隙主要原因是水的蒸发，对于裂隙发展演化试验必须观测土体含水率的变化，而现有试验方法并不能实时动态记录土体含水率变化。

发明内容

本实用新型的目的是在于提供了一种观测裂土裂隙发展演化过程的试验装置，结构简单，使用方便，结果准确性高，试验全过程只需控制电脑采集数据，减少了人为影响误差。解决了现有室内模拟裂土在失水干缩过程裂隙演化试验中、拍摄照片易受外部环境干扰、无法对土体含水率实时记录、进而不能准确获得土体裂隙演化规律的难题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种观测裂土裂隙发展演化过程的试验装置，其原理是利用成像效果好的CCD摄像头拍摄土体裂隙演化照片，利用高精度电子天平监测土体裂隙发育过程中的失水质量，利用电脑控制摄像头与电子天平达到实时采集数据，利用密封不透光的暗箱避免外界对试验的干扰以及拍摄照片的影响。

一种观测裂土裂隙发展演化过程的试验装置，该装置包括：试验箱，成像装置，成像辅助装置，含水率监测装置，数据采集装置。

其中，试验箱包括：暗箱、暗室盖、第一合页、第二合页、第一孔洞、第二孔洞、第三孔洞、第四孔洞、第五孔洞、第一挂钩、第二挂钩。暗箱与暗室盖为木制，暗箱与暗室盖分别通过第一合页、第二合页连接，第一合页距离暗箱顶部为70cm、第二合页距离暗箱底部为70cm。暗箱为边长30cm，高为300cm的立方体，暗室盖尺寸为30cm×300cm。孔洞直径为1cm，其中第一孔洞为螺环孔，与螺旋伸缩杆外径匹配；第二孔洞内穿过CCD摄像头电源线以及数据传输线；第三孔洞内穿过第一LED冷光灯的电源线；第四孔洞内穿过第二LED冷光灯的电源线；第五孔洞内穿过电子天平电源线与数据传输线。

成像装置包括：CCD摄像头与螺旋伸缩杆。电源线及数据传输线从第二孔洞穿过与电脑相连。螺旋伸缩杆长20cm，从第一孔洞穿过，下部固定CCD摄像头，CCD摄像头的镜头距离暗箱顶部为38cm。

成像辅助装置包括：第一LED冷光灯、第二LED冷光灯、第一反光板、第二反光板。第一LED冷光灯与第二LED冷光灯距离暗箱顶部38cm，第一LED冷光灯与第二LED冷光灯的电源线从第三孔洞与第四孔洞中穿过。第一反光板与第二反光板通过铁钉固定与暗箱的顶部。

含水率监测装置主要是带有电脑控制可自动采集测量数据功能的电子天平（精度达到0.001g）。电子天平摆放于暗箱底部。

数据采集装置是电脑，负责采集CCD摄像头的成像数据以及电子天平称量的质量数据。

本实用新型的使用步骤：

将暗室放于水平平面，安装螺旋伸缩杆、LED冷光灯、反光板、安装CCD摄像头与电子天平并连接电脑，将各部件的电源线或数据传输线穿过孔洞。接通电源，调整螺旋伸缩杆高度与反光板角度，调试CCD摄像头焦距，将测试土样放于电子天平上，关上暗室盖并挂上挂钩。实时通过电脑控制CCD摄像头与电子天平工作，记录数据。

本实用新型的有益效果：

（1）采用成像效果好的CCD摄像头以及高精度的电子天平，并通过电脑控制、记录数据，可保证试验结果的准确性、动态采集数据。

（2）采用封闭暗室，解决了拍摄照片易受外部环境干扰，进而不能准确获得土体裂隙演化规律的难题。

（3）土样装入暗箱后，试验过程中无需开启，只需控制电脑采集数据便可完成试验，减少了人为影响误差，可操作性强，

附图说明

图1为一种观测裂土裂隙发展演化过程的试验装置的结构示意图。

图2为一种试验箱的结构示意图。

其中：

暗箱1；暗室盖2；电子天平3；电脑4；CCD摄像头5；螺旋伸缩杆6；第一LED冷光灯7a，第二LED冷光灯7b；第一反光板8a、第二反光板8b；第一合页9a、第二合页9b；第一孔洞10a、第二孔洞10b、第三孔洞10c、第四孔洞10d、第五孔洞10e；试验土样11；第一挂钩12a、第二挂钩12b。

图3为一种土体干缩过程中含水率与时间变化关系曲线。

图4为一种裂隙演化过程照片。

具体实施方式

实施例1：

为使本实用新型的目的、内容、和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

如图1所示，本实用新型装置包括：试验箱，成像装置，成像辅助装置，含水率监测装置，数据采集装置。其各部件的尺寸以及位置如图2所示。

如所述的试验箱包括：暗箱1、暗室盖2、第一合页9a、第二合页9b、第一孔洞10a、第二孔洞10b、第三孔洞10c、第四孔洞10d、第五孔洞10e、第一挂钩12a、第二挂钩12b。暗箱1与暗室盖2为木制，暗箱1与暗室盖2分别通过第一9a、第二合页9b连接，第一合页9a距离暗箱1顶部为70cm、第二合页9b距离暗箱1底部为70cm。暗箱1为边长30cm，高为300cm的立方体，暗室盖2尺寸为30cm×300cm。第一孔洞10a、第二孔洞10b、第三孔洞10c、第四孔洞10d、第五孔洞10e直径为1cm，其中第一孔洞10a为螺环孔，与螺旋伸缩杆6外径匹配；第二孔洞10b内穿过CCD摄像头5电源线以及数据传输线；第三孔洞10c内穿过第一LED冷光灯7a的电源线；第四孔洞10d内穿过第一LED冷光灯7a的电源线；第五孔洞10e内穿过电子天平3电源线与数据传输线。

如所述的成像装置包括：CCD摄像头5与螺旋伸缩杆6，电源线及数据传输线从第二孔洞10b穿过与电脑4相连。螺旋伸缩杆6长20cm，从第一孔洞10a穿过，下部固定CCD 摄像头5，其功能是可调整CCD摄像头5与拍摄物体间距离以达到最好的拍摄效果。CCD摄像头5的镜头距离暗箱1顶部为38cm

如所述的成像辅助装置包括：第一LED冷光灯7a、第二LED冷光灯7b、第一反光板8a、第二反光板8b。第一LED冷光灯7a、第二LED冷光灯7b距离暗箱1顶部38cm，第一LED冷光灯7a与第二LED冷光灯7b的电源线从第三孔洞10c与第四孔洞10d中穿过。第一反光板8a与第二反光板8b通过铁钉固定与暗箱1的顶部。第一LED冷光灯7a、第二LED冷光灯7b与第一反光板8a与第二反光板8b可为暗箱1提供摄像光源，采用双灯光源可增强立体感，控制反差。

如所述的含水率监测装置主要是高精度的电子天平3，电子天平3精度应达到0.001g，且需带有电脑控制可自动采集测量数据功能。电子天平3摆放于暗箱1底部，电子天平3的电源线与数据传输线从第五孔洞10e中穿出与电脑4相连。

如所述的数据采集装置为电脑4，其功能采集CCD摄像头5的成像数据以及电子天平3称量的质量数据。

本实用新型的使用步骤：

将暗箱1放于水平平面，安装螺旋伸缩杆6、第一LED冷光灯7a、第二LED冷光灯7bLED、第一反光板8a与第二反光板8b、安装CCD摄像头5与电子天平3并连接电脑4，各部件的电源线或数据传输线穿过第一孔洞10a、第二孔洞10b、第三孔洞10c、第四孔洞10d、第五孔洞10e时可用碎布条或棉花塞紧，防治外部光线进入暗室。接通上述部件电源，调整螺旋伸缩杆6高度与第一反光板8a与第二反光板8b角度，调试CCD摄像头5焦距以达到最优拍摄效果，将测试土样放于电子天平3上，关上暗室盖2并挂上第一挂钩12a、第二挂钩12b，使暗室1不透光。开始试验后，实时通过电脑4控制CCD摄像头5与电子天平3工作，记录数据。

下面介绍本实用新型实施例：

设计一个粘性土在温度25℃时自然干燥失水导致的裂隙演化过程观测试验，将土样风干后过孔径1mm的筛子，按含水率为50%配比充分搅拌，放入不锈钢制模具中，模具底面为50cm×5cm，高1.25cm。将土样密封静置24小时，以使土样初步沉降固结。按照上述试验步骤对其进行试验。试验进行360小时，获得土体干缩过程中含水率与时间变化关系曲线如图3所示，裂隙演化过程照片如图4所示，为了检验本实用新型的成像效果，对拍摄的图片进行亮度直方图与RGB直方图统计，如图4a上、中、下图分别为试验原图、亮度直方图、RGB直方图。

分析结果可知，图4清晰地表现了土体裂隙的产生、发展过程，随着含水量的减少，裂隙面积、条数、复杂度逐渐增大，完全符合土体裂隙发育理论。随着土中水的蒸发，土样照片表现为亮度逐渐减弱，亮度峰值突出，RGB直方图由初始的单峰状变为三峰状，这主要是水的减少减弱了土体的反光度，同时裂隙的产生使模具底部露出增加了色彩的复杂性，以上这些都表明该装置可较好避免裂隙演化过程成像受外界环境影响大的难题。

另外，从图4可见，裂隙产生初始阶段，土体失水速度较快，当达到某一状态时失水速度减缓，最后趋于稳定值，完全符合土体收缩过程中的水分蒸发规律，表明本实用新型可以准确监测土样裂隙演化过程中水分变化规律。

Claims

1.一种观测裂土裂隙发展演化过程的试验装置, 包括：试验箱、成像装置、成像辅助装置、含水率监测装置，其特征在于:试验箱包括：暗箱(1)、暗室盖(2)、第一合页(9a)、第二合页(9b)、第一孔洞(10a)、第二孔洞(10b)、第三孔洞(10c)、第四孔洞(10d)、第五孔洞(10e)、第一挂钩(12a)、第二挂钩(12b) ，暗箱(1)与暗室盖(2)分别通过第一合页(9a)、第二合页(9b)连接，第一孔洞(10a)为螺环孔，与螺旋伸缩杆(6)外径匹配；第二孔洞(10b)内穿过CCD摄像头(5)电源线以及数据传输线；第三孔洞(10c)内穿过第一LED冷光灯(7a)的电源线；第四孔洞(10d)内穿过第一LED冷光灯(7a)的电源线；第五孔洞(10e)内穿过电子天平(3)电源线与数据传输线;成像装置包括：CCD摄像头(5)与螺旋伸缩杆(6)，电源线及数据传输线从第二孔洞(10b)穿过与电脑(4)相连，成像辅助装置包括：第一LED冷光灯(7a)、第二LED冷光灯(7b)、第一反光板(8a)、第二反光板(8b)，第一LED冷光灯(7a)与第二LED冷光灯(7b)的电源线从第三孔洞(10c)与第四孔洞10d中穿过，第一反光板(8a)与第二反光板(8b)通过铁钉固定与暗箱(1)的顶部;含水率监测装置为电子天平(3)，电子天平(3)摆放于暗箱(1)底部，电子天平(3)的电源线与数据传输线从第五孔洞(10e)中穿出与电脑(4)相连。

2.根据权利要求1所述的一种观测裂土裂隙发展演化过程的试验装置，其特征在于：暗箱(1)与暗室盖(2)为木制，暗箱(1)为边长30cm，高为300cm的立方体。

3.根据权利要求1所述的一种观测裂土裂隙发展演化过程的试验装置，其特征在于：所述的暗室盖(2)尺寸为30cm×300cm。

4.根据权利要求1所述的一种观测裂土裂隙发展演化过程的试验装置，其特征在于：所述的第一孔洞(10a)、第二孔洞(10b)、第三孔洞(10c)、第四孔洞(10d)、第五孔洞(10e)直径为1cm。

5.根据权利要求1所述的一种观测裂土裂隙发展演化过程的试验装置，其特征在于: 所述的螺旋伸缩杆(6)长20cm，从第一孔洞(10a)穿过，下部固定CCD摄像头(5) 。