[發明專利]土體拉伸過程中細觀結構變化規律測試方法

有效

• 申請號: 201310713242.0
• 申請日: 2013-12-20
• 公開（公告）號: CN103743624A
• 公開（公告）日: 2014-04-23
• 發明（設計）人: 崔猛;易進翔;洪寶寧;劉鑫;方慶軍;朱俊杰
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G01N3/08
• 分類號: G01N3/08
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 繆友菊

技術領域

本發明涉及巖土工程中的一種測試方法，具體涉及一種土體在拉伸過程中細觀結構變化規律的測試方法。

背景技術

在巖土領域中，巖土體的破壞包括壓縮剪切破壞及拉伸破壞，近幾十年來人們對土的壓縮剪切性質的研究已經非常成熟，然而對土體拉伸破壞的研究卻還停滯在初步階段，這主要是由于土體的抗拉強度相對其抗剪強度較小，導致常常被忽略。但是，土體的拉伸破壞卻往往直接或間接地導致土工建筑物的失穩或破壞，如地下建筑物的開挖導致上部結構的坍塌，土質邊坡在降雨等外力作用下的滑坡，土石壩心墻水力劈裂等，這些災害產生的前提都是拉應力區土體的破壞。眾所周知，土體的宏觀力學性能都是其微細觀結構變化的反應，所以能夠從細觀層面上揭示土體拉伸過程中的結構變化，將有助于對土體拉伸性能及拉伸破壞機理更深層次的理解。

目前對土體拉伸性能的研究主要是在宏觀的層面上通過直接或間接的試驗方法來測試其抗拉強度，以及干密度、含水率等指標對抗拉強度的影響，并沒有一種試驗方法能夠從細觀的層面上結合圖像處理技術對土體的拉伸性能進行更深一步的研究，去了解土體在拉伸過程中細觀結構的變化規律。

發明內容

發明目的：本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種土體拉伸過程中細觀結構變化規律測試方法，以提高在細觀層面上對土體拉伸性能的研究水平。

技術方案：本發明所述的土體拉伸過程中細觀結構變化規律測試方法，包括如下步驟：

（1）制作土體試樣：將土體在模具中壓實，制得兩端為圓柱體夾持端、中間為立方體拉伸段的土體試樣，兩個夾持端與拉伸段之間平滑過渡，且兩個夾持端與拉伸段的重心在同一水平線上；拆模后去除土體試樣觀測面表層，露出新鮮面；

（2）安裝土體試樣：將土體試樣的兩個夾持端分別固定在與夾持端尺寸相適配的兩個拉伸夾具中；其中一個拉伸位置夾具固定，另一個拉伸夾具在拉力的作用下可自由移動；

（3）施加拉伸荷載：先對拉伸裝置進行標定，然后設定加載速率，開始施加連續拉伸荷載；

（4）細觀圖像采集：在不同的應變狀態下，對土體的細部結構圖像進行采集；在初步變形階段圖像采集步長設為0.05%，在變形發生較快階段步長設為0.02%；

（5）圖像處理：基于小波變換原理，對采集的圖像進行融合，運用模塊匹配技術對融合后的圖像進行拼接處理，得到若干張不同拉伸應變下的覆蓋整個觀測區域的完整清晰的圖片；

（6）數據分析：分別提取處理好圖像的細觀結構參數，包括裂隙面積比、裂隙分布分維、顆粒定向度、顆粒圓度和顆粒分布分維，得到了每一個細觀結構參數在不同拉伸應變狀態下的數值，通過繪制曲線分析細觀結構參數在整個拉伸過程中的變化規律。

步驟（3）中，對拉伸裝置的標定方法為：施加荷載，觀察位移傳感器與力傳感器的變化是否同步，若不同步則調整傳感器的位置，使施加拉伸荷載時位移傳感器與力傳感器的變化同步。加載速率根據不同的加載階段及變形狀態進行調整，調整范圍為0.01mm/min～0.1mm/min，加載速率在初步階段可適當調大，可在0.05mm/min～0.1mm/min范圍內，在變形發生較快的階段需要降低到0.01mm/min～0.05mm/min范圍內。

步驟（4）中，對土體的細部結構圖像進行采集時，每一處觀測區域根據不同的景深情況采集3-4幅圖像，保證觀測區域的每一部分都有清晰的圖像。

裂隙面積比為裂隙的面積與整個面積的比值，在圖像上由裂隙分布區域的像素總數與圖像總像素數的比值得到，公式為：

裂隙分布分維為裂隙的分布情況，因為即使是在相同的裂隙面積比的情況下，不同的裂隙分布也會導致土性的很大不同。計算裂隙的維數時采用盒維法：

首先將一幅含有裂隙的圖像，采用不同的邊長為r₁,r₂,r₃,…r_n的正方形將圖像分別分割成一個含有(L/r₁)×(L/r₁),(L/r₂)×(L/r₂),(L/r₃)×(L/r₃),…,(L/r_n)×(L/r_n)個正方形的網格，并分別統計每次分割后裂隙所占有的格子總數N,r與N之間存在如下的關系：

N～r^-K，式中K即為裂隙維數；