一種取土過程中土體內(nèi)部位移測量模型試驗(yàn)裝置及其使用方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種取土過程中土體內(nèi)部位移測量模型試驗(yàn)裝置及其使用方法。該試驗(yàn)裝置包括透明土，光學(xué)平臺，透明模型箱，激光器，CCD相機(jī)，取土器設(shè)備和計(jì)算機(jī)。利用正十二烷和十五號白油的混合溶液與烘烤石英砂顆粒制配成透明土，透明模型箱內(nèi)放置透明土樣，并安置于光學(xué)平臺上；利用激光切面打入透明土形成散斑場，在取土器貫入、提樣的過程中，通過CCD相機(jī)對該散斑場進(jìn)行連續(xù)拍攝，后通過計(jì)算機(jī)中圖像處理軟件對獲得的散斑場進(jìn)行分析，得到土體內(nèi)部位移。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了取土器貫入、提樣過程土體內(nèi)部位移的非嵌入式可視化觀測；且具有操作簡單、取土靈活、擾動小和精度高等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種取土過程中土體內(nèi)部位移測量模型試驗(yàn)裝置及其使用方法
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明屬于巖土工程【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種取土過程中土體內(nèi)部位移測量模型試驗(yàn)裝置及其使用方法。
[0003]【背景技術(shù)】
[0004]土工模型試驗(yàn)是研究土體力學(xué)性態(tài)的重要手段，是建立和改進(jìn)巖土本構(gòu)模型的必要手段，同時也是工程設(shè)計(jì)和施工重要的參考依據(jù)，測量土體在各種試驗(yàn)條件下的性態(tài)，尤其是取土過程中土體的內(nèi)部變形一直是試驗(yàn)工作者長期面臨的問題。傳統(tǒng)的測量土體變形的方法是在土體內(nèi)部預(yù)埋傳感器，但傳感器不能提供土體連續(xù)變形的特性，同時傳感器自身容易受到外界環(huán)境的影響，測量結(jié)果往往不夠準(zhǔn)確。隨著計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像技術(shù)的發(fā)展，越來越多的學(xué)者利用其來研究很多巖土問題。目前國內(nèi)在這方面的研究主要集中在利用模型試驗(yàn)箱的透明壁面，在試驗(yàn)各階段，直接利用數(shù)碼CCD相機(jī)或攝像機(jī)拍攝照片，然后利用圖像分析技術(shù)，進(jìn)行照片序列的變形分析，追蹤和捕捉土體的變形模式，破壞過程以及滑動面切面的位置形狀等，但這種試驗(yàn)方法屬于半模型試驗(yàn)，不能模擬真實(shí)的邊界條件。一些新技術(shù)如計(jì)算機(jī)三維層析成像和磁共振成像技術(shù)，雖然可以用來測量土體內(nèi)部的連續(xù)變形，但是高昂的試驗(yàn)設(shè)備費(fèi)用以及技術(shù)上的難點(diǎn)限制了這些技術(shù)在巖土工程界的廣泛應(yīng)用。 [0005]本發(fā)明之前，中國專利“基于微觀結(jié)構(gòu)分析的室內(nèi)模型試驗(yàn)取土裝置及取土方法”(CN 102419267 B)介紹了一種基于室內(nèi)模型試驗(yàn)，可對透明模型箱內(nèi)土體進(jìn)行不同位置、深度處進(jìn)行取土的試驗(yàn)裝置及取土方法。該技術(shù)方案較好地滿足了微觀結(jié)構(gòu)分析的制樣要求，具有操作簡單、采樣率高、取土靈活、擾動小的優(yōu)點(diǎn)，但是取土器下壓過程中對土樣造成的擠壓擾動并未能真正反映。所以一種簡便、經(jīng)濟(jì)的方法測量取土過程中土體內(nèi)部擾動或者變形的方法刻不容緩。將透明土與數(shù)字圖像處理技術(shù)相結(jié)合，測量土體內(nèi)部變形，操作方便，經(jīng)濟(jì)合理，是未來巖土工程測試技術(shù)的發(fā)展趨勢。
[0006]
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的就在于克服已有技術(shù)的不足與缺陷，解決取土過程中土體擾動不可見問題，提出一種取土過程中土體內(nèi)部位移測量模型試驗(yàn)裝置及其使用方法。
[0008]一種取土過程中土體內(nèi)部位移測量模型試驗(yàn)裝置，包括透明土，光學(xué)平臺，透明模型箱，激光器，CCD相機(jī)，取土器設(shè)備和計(jì)算機(jī)，其特征在于:透明土填筑在透明模型槽內(nèi)，裝有透明土的透明模型槽用螺絲固定在光學(xué)平臺上；透明模型槽的左側(cè)面或者右側(cè)面設(shè)置激光器并固定在光學(xué)平臺上；透明模型槽的正前方或者正后方設(shè)置CCD相機(jī)并固定在光學(xué)平臺上；透明模型槽上方布置取土器設(shè)備，取土器設(shè)備由反力支架、取土管及管靴和電動推桿部分組成；計(jì)算機(jī)與CCD相機(jī)連接并設(shè)置自動讀數(shù)。
[0009]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:利用正十二烷和十五號白油按1:4質(zhì)量比混合而成的溶液與烘烤石英砂顆粒制配成透明土，在取土器貫入透明土和提樣的過程中，利用激光切面打入透明土，形成散斑場，期間通過CCD相機(jī)對該散斑場進(jìn)行連續(xù)拍攝，后通過計(jì)算機(jī)中圖像處理軟件對獲得的散斑場圖像序列進(jìn)行分析，得到土體內(nèi)部位移場，實(shí)現(xiàn)取土過程中土體擾動的可視化。
[0010]所述的透明土由正十二烷和十五號白油在24°C溫度下按1:4質(zhì)量比混合而成的溶液與烘烤石英砂顆粒制配而成；
所述的透明透明模型箱由樹脂玻璃制作，形狀為上部開口的長方體，長、寬100 mm-150臟，高度為300 mm-500 mm,壁厚5 mm-10 mm，底部對稱突出，尺寸為200 mm X 200 mm，預(yù)留螺孔，用于將其固定在光學(xué)平臺；其中一側(cè)面(觀察面)由精密機(jī)床標(biāo)有一系列參考點(diǎn)，并漆成紅色，用于測量系統(tǒng)的標(biāo)定和校正，同時可進(jìn)行像素坐標(biāo)與物理坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)化；
所述的光學(xué)平臺尺寸長 1000 mm-2000 mm,寬 1000 mm-1500 mm,高800 mm-1000 mm,臺面厚度 200 mm-400 mm，桌腿截面 200 mm X 200 mm ；
所述的取土器設(shè)備包括反力支架、取土管及管靴和電動推桿，反力支架固定于光學(xué)平臺上，支架頂梁通過螺栓與電動推桿連接，電動推桿下端通過孔道與取土管連接；
所述的激光器為半導(dǎo)體片光源，可提供0-3 W之間任意穩(wěn)定功率；
所述的C⑶相機(jī)分辨率50 w-1000 W，幀數(shù)15，幀曝光，曝光時間100 μ8 - 30 s, CXD相機(jī)通過底部螺栓固定在測試臺架上，通過調(diào)節(jié)支架高度和角度，可得到理想的CCD相機(jī)視場，整個測試臺架固定在光學(xué)平臺上；
所述的計(jì)算機(jī)使用的圖像處理軟件為PIV軟件，可處理取土過程中CXD相機(jī)拍攝的一系列散斑場圖片，得到土體內(nèi)部位移。
[0011]一種取土過程中土體內(nèi)部位移測量模型試驗(yàn)裝置的使用方法，包括以下技術(shù)步驟:
(1)按試驗(yàn)參數(shù)要求配制相應(yīng)透明土，置入透明模型箱內(nèi)，并將透明模型箱通過螺栓固定在光學(xué)平臺上；
(2)根據(jù)透明模型箱位置，確定取土器設(shè)備、激光器、C⑶相機(jī)在光學(xué)平臺上的位置，其中C⑶相機(jī)鏡頭所在平面平行于透明模型箱一外立面，取土器中心對準(zhǔn)透明模型箱中心，并保證其垂直；
(3)打開激光器，待功率穩(wěn)定后，調(diào)整激光切面的角度，使其垂直打入透明土，形成散斑
場；
(4)調(diào)整CXD相機(jī)視場，使其涵括整個取土畫面，并設(shè)置為自動連續(xù)拍攝模式；
(5)開啟取土器的電動推桿，使其下端緩慢勻速下降，將取土管及管靴靜壓入土；
(6)待取土管壓入設(shè)計(jì)取土深度處，斷開電動推桿，使取土管中的土樣與透明模型箱內(nèi)的土樣分離；
(7)打開電動氣泵，抽氣形成負(fù)壓，吸住土樣，開啟電動推桿，使其下端緩慢勻速上升，使取土器向上提土，最終取土管被電動推桿從透明模型箱內(nèi)的土樣中緩緩拔出；
(8)取土完成后，通過計(jì)算機(jī)圖像處理軟件對獲得的散斑場圖像進(jìn)行分析，得到取土過程中土體內(nèi)部的位移場。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和效果在于:利用正十二烷和十五號白油在24°C溫度下按1:4質(zhì)量比混合而成的溶液與烘烤石英砂顆粒制配而成透明土，在取土器貫入透明土和提樣過程中，利用激光切面打入透明土，形成散斑場，期間通過C⑶相機(jī)對該散斑場進(jìn)行連續(xù)拍攝，后通過計(jì)算機(jī)中圖像處理軟件對獲得的散斑場圖像序列進(jìn)行分析，得到土體內(nèi)部位移場，實(shí)現(xiàn)取土過程中土體擾動的可視化，與其他土體變形測量方法相比具有以下顯著優(yōu)點(diǎn):
(1)操作簡便，經(jīng)濟(jì)可行，可廣泛用于巖土工程試驗(yàn)；
(2)能夠測量取土過程中土體內(nèi)部位移場，實(shí)現(xiàn)取土過程的可視化；
(3)為進(jìn)行土體位移場的三維測量奠定基礎(chǔ)；
本發(fā)明有效地解決了取土過程中土體擾動及其內(nèi)部位移場的可視化問題，且操作簡便，經(jīng)濟(jì)可行，有效地節(jié)省了資源，避免了不合理的浪費(fèi)；適用性廣，可根據(jù)需要模擬砂土或者黏土地基，廣泛應(yīng)用于土工模型試驗(yàn)，解決土體內(nèi)部變形及可視化問題；使用上大大節(jié)約了時間，試驗(yàn)效果明顯。
[0013]
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明的模型試驗(yàn)裝置系統(tǒng)示意圖；
圖2為本發(fā)明試驗(yàn)裝置的取土器結(jié)構(gòu)示意圖；
圖中:1為透明土，2為透明模型箱，3為光學(xué)平臺，4為反力支架，5為電動推桿，6為取土管及管靴，7為激光器，8為CXD相機(jī)，9為計(jì)算機(jī)。
[0015]【具體實(shí)施方式】:
以下結(jié)合附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅僅局限于本實(shí)施方式的描述。
[0016]首先，利用正十二烷與十五號白油在常溫下(本實(shí)施例為24oC)按1:4質(zhì)量比組成混合液，并與烘烤石英砂顆粒充分?jǐn)嚢瑁敝镣翗泳鶆蛲该?，制成透明?1，制配透明土 I的過程中，保持所處環(huán)境溫度恒定；在平整的場地內(nèi)，安放光學(xué)平臺3，場地內(nèi)的光線保持均勻，本實(shí)施例子光學(xué)平臺3的尺寸為1800 (長)X 1200 (寬)X800 (高)(單位:mm)，臺面厚度200 _，采用四支撐，支架高度600 _，調(diào)整支架使臺面保持平整；將透明土 I置于透明模型箱2內(nèi)，透明模型箱2上部開口，本實(shí)施例子透明模型箱2尺寸為130 (長)X 130(寬)X 300 (高)(單位:mm)，壁厚5臟，底部對稱突出，尺寸為170 mm X 170 mm，預(yù)留M 6螺孔，置于透明模型箱2內(nèi)的透明土 I高度為200 mm,同時將透明模型箱2通過螺栓固定在光學(xué)平臺3的臺面上；將取土器裝置的反力支架4安裝于透明模型箱2的正上面，下端固定于光學(xué)平臺3的臺面上；用螺栓將電動推桿5與反力支架4的橫梁緊固連接，可通過橫梁上的螺孔位置來調(diào)整電動推桿5的橫向位置；電動推桿5與取土管及管靴6通過螺紋凹槽連接；將激光器7安放在光學(xué)平臺3的臺面上，本實(shí)施例子激光器7采用半導(dǎo)體片源激光，功率為2 W，后打開激光器7，調(diào)整激光切面的角度使其垂直并對準(zhǔn)透明模型箱2的中心軸打入透明土 1，形成獨(dú)特散斑場，激光器7與透明模型箱3外立面垂直相距400 mm ;將CXD相機(jī)8固定在光學(xué)平臺3的臺面上，調(diào)整位置，使C⑶相機(jī)8鏡頭對準(zhǔn)透明模型箱2的外立面，并獲得較好的視場，C⑶相機(jī)8分辨率為50 w-1000 w，幀曝光，幀數(shù)15，曝光時間100 μ8 -30 s，本實(shí)施例子C⑶相機(jī)8采用的分辨率為800 W，曝光時間為I S，與透明模型箱2外立面垂直相距200 mm ;(XD相機(jī)8通過計(jì)算機(jī)9控制，同步拍攝取土過程，提樣開始時，打開電動氣泵，抽氣形成負(fù)壓，吸住土樣，整個取土器貫入及提樣的過程持續(xù)30 s，C⑶相機(jī)8拍攝的速度每秒I張，共獲得取土過程激光散斑場圖像30張；通過計(jì)算機(jī)9中數(shù)字圖像處理軟件分析取土過程中獲得的激光散斑場圖像，得到取土過程中不同時刻的土體內(nèi)部位移場，本實(shí)施例子采用的數(shù)字圖像處理軟件為PIV軟件，可批量處理取土過程中獲得的激光散斑場圖像；最后完成取土過程中土體內(nèi)部位移場的測量，實(shí)現(xiàn)取土過程中土體位移場的可視化。
【權(quán)利要求】
1.一種取土過程中土體內(nèi)部位移測量模型試驗(yàn)裝置，包括透明土，光學(xué)平臺，透明模型箱，激光器，CCD相機(jī)，取土器設(shè)備和計(jì)算機(jī)，其特征在于:透明土填筑在透明模型槽內(nèi)，裝有透明土的透明模型槽用螺絲固定在光學(xué)平臺上；透明模型槽的左側(cè)面或者右側(cè)面設(shè)置激光器并固定在光學(xué)平臺上；透明模型槽的正前方或者正后方設(shè)置CCD相機(jī)并固定在光學(xué)平臺上；透明模型槽上方布置取土器設(shè)備，取土器設(shè)備由反力支架、取土管及管靴和電動推桿部分組成；計(jì)算機(jī)與CCD相機(jī)連接并設(shè)置自動讀數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種取土過程中土體內(nèi)部位移測量模型試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述的透明土由正十二烷和十五號白油在24°C溫度下按1:4質(zhì)量比混合而成的溶液與烘烤石英砂顆粒制配而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種取土過程中土體內(nèi)部位移測量模型試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述的透明模型箱由樹脂玻璃制作，形狀為上部開口的長方體，長、寬100 mm-150 mm,高度為300 mm-500 mm,壁厚5 mm-10 mm，底部對稱突出，尺寸為200 mm X 200 mm,預(yù)留螺孔，用于將其固定在光學(xué)平臺；其中一側(cè)面由精密機(jī)床標(biāo)有一系列參考點(diǎn)，并漆成紅色，用于測量系統(tǒng)的標(biāo)定和校正，同時可進(jìn)行像素坐標(biāo)與物理坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)化。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種取土過程中土體內(nèi)部位移測量模型試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述的光學(xué)平臺尺寸長1000 mm-2000 mm,寬1000 mm-1500 mm,高800 mm-1000 mm,臺面厚度 200 mm-400 mm，桌腿截面 200 mm X 200 mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種取土過程中土體內(nèi)部位移測量模型試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述的取土器設(shè)備包括反力支架、取土管及管靴和電動推桿，反力支架固定于光學(xué)平臺上，支架頂梁通過螺栓與電動推桿連接，電動推桿下端通過孔道與取土管連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種取土過程中土體內(nèi)部位移測量模型試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述的激光器為半導(dǎo)體片光源，可提供0-3 W之間任意穩(wěn)定功率。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種取土過程中土體內(nèi)部位移測量模型試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述的CCD相機(jī)分辨率50 w-1000 W，幀數(shù)15，幀曝光，曝光時間100 μ8 - 30 s，CCD相機(jī)通過底部螺栓固定在測試臺架上，通過調(diào)節(jié)支架高度和角度，可得到理想的CCD相機(jī)視場，整個測試臺架固定在光學(xué)平臺上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種取土過程中土體內(nèi)部位移測量模型試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述的計(jì)算機(jī)使用的圖像處理軟件為PIV軟件，可處理取土過程中CCD相機(jī)拍攝的一系列散斑場圖片，得到土體內(nèi)部位移。
9.基于權(quán)利要求1所述的一種取土過程中土體內(nèi)部位移測量模型試驗(yàn)裝置的使用方法，包括以下技術(shù)步驟: (1)按試驗(yàn)參數(shù)要求配制相應(yīng)透明土，置入透明模型箱內(nèi)，并將透明模型箱通過螺栓固定在光學(xué)平臺上； (2)根據(jù)透明模型箱位置，確定取土器設(shè)備、激光器、C⑶相機(jī)在光學(xué)平臺上的位置，其中C⑶相機(jī)鏡頭所在平面平行于透明模型箱一外立面，取土器中心對準(zhǔn)透明模型箱中心，并保證其垂直； (3)打開激光器，待功率穩(wěn)定后，調(diào)整激光切面的角度，使其垂直打入透明土，形成散斑場； (4)調(diào)整CXD相機(jī)視場，使其涵括整個取土畫面，并設(shè)置為自動連續(xù)拍攝模式；(5)開啟取土器的電動推桿，使其下端緩慢勻速下降，將取土管及管靴靜壓入土； (6)待取土管壓入設(shè)計(jì)取土深度處，斷開電動推桿，使取土管中的土樣與透明模型箱內(nèi)的土樣分離； (7)打開電動氣泵，抽氣形成負(fù)壓，吸住土樣，開啟電動推桿，使其下端緩慢勻速上升，使取土器向上提土，最終取土管被電動推桿從透明模型箱內(nèi)的土樣中緩緩拔出； (8)取土完成后，通過計(jì)算機(jī)圖像處理軟件對獲得的散斑場圖像進(jìn)行分析，得到取土過程中土體內(nèi)部的位移場。
【文檔編號】G01N33/24GK103968774SQ201410178638
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月30日
【發(fā)明者】曹兆虎, 孔綱強(qiáng), 周航, 欒魯寶 申請人:河海大學(xué)