[發(fā)明專利]一種地震作用下土體中基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和土體運動可視化的模擬方法

在審

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• 申請日: 2015-07-08
• 公開（公告）號: CN104964978A
• 公開（公告）日: 2015-10-07
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙紅華;康馨;鄭嘯男;呂久洲;張智
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01N21/84
• 分類號: G01N21/84
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 趙連明

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于巖土試驗力學技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種地震作用下土體中基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和土體運動可視化的模擬方法

背景技術(shù)

在巖土工程中，由于結(jié)構(gòu)例如錨桿、地基基礎(chǔ)和土工織物等通常是埋置在土體中的，肉眼是看不見的，研究人員曾經(jīng)采用CT、X射線成像方法、核磁共振等方法實現(xiàn)土體中結(jié)構(gòu)和附近土體的可視化。但是這些方法中設(shè)備比較昂貴，難以推廣應(yīng)用，這里提出了一種經(jīng)濟可行的實現(xiàn)一種地震作用下土體中基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和土體運動可視化的模擬方法。

技術(shù)領(lǐng)域

針對土體的不同可以選用硅膠顆粒，熔融石英砂，無定型硅膠等透明的顆粒材料和與這些材料折射系數(shù)相一致的孔隙溶液，孔隙溶液可以通過選擇兩種折射系數(shù)不同的液體配置。把透明的顆粒材料與折射系數(shù)一致的孔隙液體拌合在一起，就可以制作出透明度較好的模擬巖土性質(zhì)的類巖土材料。

地震是通過小型的振動臺產(chǎn)生的地震波進行模擬的。另外制作小型的模型箱，為了實現(xiàn)可視化，模型箱在觀測的一面由透明的有機玻璃或者玻璃制作。透明土放在模型箱體中，形成透明土模型。

其次，扇形激光系統(tǒng)通過透明土模型，由于顆粒和激光的反射、散射和漫射作用，在透明土體內(nèi)部產(chǎn)生激光散斑效應(yīng)，形成散斑場。

高速數(shù)碼相機放置在透明土模型前面，用于捕捉地震荷載作用下土體和結(jié)構(gòu)的運動和變形，由計算機采集控制系統(tǒng)控制相機進行圖像的采集。采集的散斑圖像進行圖像處理，可以采用數(shù)字圖像相關(guān)的方法得到土體的變形和位移以及結(jié)構(gòu)的變形和位移，從而實現(xiàn)了地震荷載作用下土體和結(jié)構(gòu)運動的可視化，為研究地震作用下土與結(jié)構(gòu)相互作用提供了一種非常好的試驗方法。

本專利提出的一種地震作用下土體中基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和土體運動可視化的模擬方法，是一種創(chuàng)新性的方法，是比CT掃描，X射線成像，核磁共振更加經(jīng)濟和簡單可行的一種方法；可以在巖土力學領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

所述的透明土，可以是硅膠顆粒，無定形硅膠顆?；蛘呤侨廴谑ⅲ紫兑后w可以是任意能和透明顆粒材料折射系數(shù)相匹配的液體，不能和透明材料發(fā)生物理和化學反應(yīng)。發(fā)明中的振動臺，可以是能產(chǎn)生多種波形荷載的振動平臺裝置。發(fā)明中的高速數(shù)碼相機，可以是工業(yè)上廣泛應(yīng)用的高速CCD，CMOS相機，具有不少于10萬的像素精度。發(fā)明中采用的圖像處理方法，可以是基于圖像相關(guān)方法測量原理的多種圖像處理方法，也可以采用圖像處理開源軟件完成圖像處理的工作。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種地震作用下土體中基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和土體運動可視化的模擬方法，用透明土用來模擬天然的土體材料，通過扇面激光系統(tǒng)，振動臺和高速數(shù)碼相機和圖像處理等設(shè)備和方法，實現(xiàn)地震荷載作用下土體結(jié)構(gòu)和土體運動的可視化。本發(fā)明的技術(shù)方案包括以下步驟：

步驟一，設(shè)備安裝：模擬設(shè)備主要由扇面激光發(fā)生器、透明土體、震動臺、高速數(shù)碼相機、計算機處理系統(tǒng)、模型樁和土模型箱組成；透明的土模型箱為長方型箱體結(jié)構(gòu)，其中裝滿模擬的透明土體；在透明土體中心位置打入透明的模型樁；將固定有模型樁的土模型箱放置在振動臺上；扇面激光發(fā)生器放在土模型箱的一個側(cè)面，使扇面激光發(fā)生器的激光進入透明土模型箱內(nèi)部，在垂直于入射面方向形成較好的激光散斑效果，并且使扇面激光的入射面和模型樁所在的中心面一致；在土模型箱正面放置高速數(shù)碼相機；

步驟二，數(shù)據(jù)采集，設(shè)定好高速數(shù)碼相機的采集頻率，要為采集地震荷載頻率的20倍以上；輸入模擬地震載荷到振動臺，高速數(shù)碼相機采集地震荷載作用下透明土體模型的激光散斑圖像和模型樁的運動和變形圖像；

步驟三，將采集到的透明土體的激光散斑圖像進行處理，可以使用geoPIV軟件采用圖像數(shù)字相關(guān)的方法，得出土體顆粒運動的位移，然后通過geoPIV的應(yīng)變求解函數(shù)，計算得到土體顆粒運動的應(yīng)變；從而得出樁基礎(chǔ)模型的運動和變形。

步驟三中，將采集到的一系列透明土體的激光散斑圖像進行篩選，選取想要的N幅圖像，根據(jù)數(shù)字信號分析的原理，對連續(xù)的兩組圖像進行定量分析，尋找互相關(guān)函數(shù)的峰值，確定互相關(guān)函數(shù)峰值所在的位置，就可以匹配前后A、B兩幅圖像上同一散斑點；離散二維互相關(guān)函數(shù)為：