[發明專利]一種取土過程中土體內部位移測量模型試驗裝置及其使用方法

在審

• 申請號: 201410178638.4
• 申請日: 2014-04-30
• 公開（公告）號: CN103968774A
• 公開（公告）日: 2014-08-06
• 發明（設計）人: 曹兆虎;孔綱強;周航;欒魯寶
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G01B11/16
• 分類號: G01B11/16;G01N33/24
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 虞希光

技術領域

本發明屬于巖土工程技術領域，特別涉及一種取土過程中土體內部位移測量模型試驗裝置及其使用方法。

背景技術

土工模型試驗是研究土體力學性態的重要手段，是建立和改進巖土本構模型的必要手段，同時也是工程設計和施工重要的參考依據，測量土體在各種試驗條件下的性態，尤其是取土過程中土體的內部變形一直是試驗工作者長期面臨的問題。傳統的測量土體變形的方法是在土體內部預埋傳感器，但傳感器不能提供土體連續變形的特性，同時傳感器自身容易受到外界環境的影響，測量結果往往不夠準確。隨著計算機數字圖像技術的發展，越來越多的學者利用其來研究很多巖土問題。目前國內在這方面的研究主要集中在利用模型試驗箱的透明壁面，在試驗各階段，直接利用數碼CCD相機或攝像機拍攝照片，然后利用圖像分析技術，進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，但這種試驗方法屬于半模型試驗，不能模擬真實的邊界條件。一些新技術如計算機三維層析成像和磁共振成像技術，雖然可以用來測量土體內部的連續變形，但是高昂的試驗設備費用以及技術上的難點限制了這些技術在巖土工程界的廣泛應用。

本發明之前，中國專利“基于微觀結構分析的室內模型試驗取土裝置及取土方法”（CN 102419267 B）介紹了一種基于室內模型試驗，可對透明模型箱內土體進行不同位置、深度處進行取土的試驗裝置及取土方法。該技術方案較好地滿足了微觀結構分析的制樣要求，具有操作簡單、采樣率高、取土靈活、擾動小的優點，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、經濟的方法測量取土過程中土體內部擾動或者變形的方法刻不容緩。將透明土與數字圖像處理技術相結合，測量土體內部變形，操作方便，經濟合理，是未來巖土工程測試技術的發展趨勢。

發明內容

本發明的目的就在于克服已有技術的不足與缺陷，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部位移測量模型試驗裝置及其使用方法。

一種取土過程中土體內部位移測量模型試驗裝置，包括透明土，光學平臺，透明模型箱，激光器，CCD相機，取土器設備和計算機，其特征在于：透明土填筑在透明模型槽內，裝有透明土的透明模型槽用螺絲固定在光學平臺上；透明模型槽的左側面或者右側面設置激光器并固定在光學平臺上；透明模型槽的正前方或者正后方設置CCD相機并固定在光學平臺上；透明模型槽上方布置取土器設備，取土器設備由反力支架、取土管及管靴和電動推桿部分組成；計算機與CCD相機連接并設置自動讀數。

本發明采用的技術方案為：利用正十二烷和十五號白油按1:4質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相機對該散斑場進行連續拍攝，后通過計算機中圖像處理軟件對獲得的散斑場圖像序列進行分析，得到土體內部位移場，實現取土過程中土體擾動的可視化。

所述的透明土由正十二烷和十五號白油在24^oC溫度下按1:4質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 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 × 200 mm，預留螺孔，用于將其固定在光學平臺；其中一側面（觀察面）由精密機床標有一系列參考點，并漆成紅色，用于測量系統的標定和校正，同時可進行像素坐標與物理坐標之間的轉化；

所述的光學平臺尺寸長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 × 200 mm；

所述的取土器設備包括反力支架、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體片光源，可提供0-3 W之間任意穩定功率；

所述的CCD相機分辨率50 w-1000 w，幀數15，幀曝光，曝光時間100 μs - 30 s，CCD相機通過底部螺栓固定在測試臺架上，通過調節支架高度和角度，可得到理想的CCD相機視場，整個測試臺架固定在光學平臺上；

所述的計算機使用的圖像處理軟件為PIV軟件，可處理取土過程中CCD相機拍攝的一系列散斑場圖片，得到土體內部位移。