一種沉樁過程中土體位移場可視化試驗裝置及使用方法
【專利摘要】一種沉樁過程中土體位移場可視化試驗裝置及使用方法，利用正十二烷、十五號白油的混合液與烘烤石英砂合成透明土，沉樁試驗過程中，通過激光切割樁周圍土體，形成一個明亮的土體內(nèi)部顆粒切面，利用CCD相機正對該切面連續(xù)拍攝，獲得該切面的一系列圖像，并結合粒子圖像處理技術獲得土體內(nèi)部的連續(xù)變形特征，從而實現(xiàn)對沉樁過程中引起的樁周土體內(nèi)部連續(xù)變形的非嵌入式可視化測量。本發(fā)明技術方法，利用透明土材料和粒子圖像處理技術，解決了沉樁過程中樁周土體內(nèi)部連續(xù)變形測量的難題；且可操作性強，簡單便捷，經(jīng)濟可行，測量精度高。
【專利說明】一種沉粧過程中土體位移場可視化試驗裝置及使用方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于巖土工程可視化試驗【技術領域】，尤其涉及一種沉樁過程中土體位移場可視化試驗裝置及使用方法。
[0002]
【背景技術】
[0003]巖土工程涉及建筑、交通、水利、能源等眾多行業(yè)，與人們的日常生活息息相關。巖土工程試驗一直以來都是研究巖土力學特性，檢驗巖土材料本構模型的必要手段，同時也為地基處理、隧道開挖、基坑支護、邊坡穩(wěn)定和道路施工等具體工程的設計施工提供重要的參考依據(jù)，科學地評價工程的可靠性、穩(wěn)定性，從而保證工程的順利進行，達到技術上安全，經(jīng)濟上合理。測量土體在各種應力狀態(tài)下的變形，尤其是沉樁過程中土體內(nèi)部的連續(xù)變形和位移場，一直是試驗工作者長期面臨的問題。傳統(tǒng)方法是在樁身周圍的土體中預埋一些離散的傳感器，但土體中的傳感器不能提供土體內(nèi)部的連續(xù)變形特征，而且易受到周圍環(huán)境的影響，結果往往不準確。隨著科技的發(fā)展，越來越多的方法可以用來測量土體中的連續(xù)變形。例如X射線、磁共振成像技術(MRI)以及計算機三維層析成像(CAT掃描)已經(jīng)應用于巖土工程模型試驗用來研究土體的連續(xù)變形及流動。但是高昂的試驗設備費用和技術上的難點大大限制了這些技術的廣泛應用。因此，探討從既經(jīng)濟又技術可行的沉樁過程中土體位移場測量可視化試驗的技術方案顯得尤為迫切。隨著計算機數(shù)字圖像技術的發(fā)展，一些更為簡單的空間測量技術在巖土工程模型試驗中得到迅速的發(fā)展，數(shù)字圖像技術越來越多地被用來研究巖土問題。
[0004]在本發(fā)明專利前，中國申請發(fā)明專利“一種模擬靜壓樁沉樁過程的模型試驗裝置”(申請?zhí)?201110221445.9)，公布了一種由手動鏈條式靜力觸探儀、模型箱、山形板、墊壓板、鐵棒、壓力傳感器、模型樁、定位導向組件等組成的靜壓樁沉樁過程模型試驗裝置。該技術方案具有可連續(xù)貫入土體，沉樁速率可控等技術優(yōu)點；但是，樁身周圍的土體變形及位移場只能通過預埋一些離散的傳感器來進行測量，測量元器件容易受到周圍環(huán)境的影響，導致測量結果不夠精確。
[0005]相關學者利用數(shù)字圖像技術進行了一系列的巖土工程模型試驗研究，主要集中在砂土模型表面變形場的測量，但是如何利用數(shù)字圖像技術來獲得土體內(nèi)部連續(xù)變形特征的問題目前尚未有學者提出較好的解決辦法。因此，基于數(shù)字圖像技術和透明土材料，開發(fā)一種可以測量沉樁過程中土體內(nèi)部變形和位移場的試驗裝置及其使用方法成為一個刻不容緩的工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于克服上述不足和缺陷，解決沉樁過程中土體內(nèi)部變形和位移場測量不連續(xù)和不可見問題，提出一種沉樁過程中土體位移場可視化試驗裝置及使用方法，以達到可視化沉樁過程模型試驗的目的。[0007]—種沉樁過程中土體位移場可視化試驗裝置，包括人工合成透明土，光學平臺，透明模型槽，激光發(fā)生器，CCD相機，沉樁加載儀，壓力傳感器，位移傳感器，試驗模型樁，其特征在于:沉樁加載儀固定在光學平臺上，人工合成透明土填筑在透明模型槽內(nèi)，裝有透明土的透明模型槽放置在沉樁加載儀下方用螺絲固定在光學平臺上；透明模型槽的左側(cè)面或者右側(cè)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；透明模型樁安裝在沉樁加載儀下方，并利用沉樁加載儀將其靜壓入透明土中。
[0008]本發(fā)明采用的技術方案為:利用正十二烷、十五號白油的混合液與烘烤石英砂顆粒合成透明土，正十二烷、十五號白油的混合液的折射率與烘烤石英砂顆粒折射率一致，沉樁模型試驗過程中，通過激光面切割樁周土體，形成一個明亮的土體內(nèi)部顆粒切面，利用CCD相機連續(xù)拍攝，獲得該切面的一系列圖像，結合粒子圖像處理技術分析土體內(nèi)部的連續(xù)變形特征，從而實現(xiàn)了對沉樁過程中引起的周圍土體連續(xù)變形的可視化測量。
[0009]所述的透明土，由正十二烷與十五號白油在一定溫度下按質(zhì)量比組成混合液與烘烤石英砂顆?；旌蠑嚢柚敝辆鶆蛲该魉瞥?。
[0010]所述的光學平臺，采用阻尼材料，鐵磁不銹鋼表面，蜂窩狀支撐內(nèi)芯結構，臺面平整度高。臺面布置陣列的標準孔距(25 mmX25 mm)的螺紋孔(Μ 6)，可方便固定加載系統(tǒng)和圖像攝錄系統(tǒng)。
[0011]所述的透明模型槽，由樹脂玻璃制作，形狀為上部開口的長方體，長、寬100mm-130 mm，高度為300 mm- 400 mm,壁厚5 mm-10 _，底部對稱突出，尺寸為170 mm X 170_，預留M 6螺孔，用于將其固定在光學平臺；其中一側(cè)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(tǒng)的標定和校正，同時可進行像素坐標與物理坐標之間的轉(zhuǎn)化。
[0012]所述的激光器，采用內(nèi)腔式氦氖激光器，功率為50 mff-500 mW，并配有線性轉(zhuǎn)換器，用于將點光源轉(zhuǎn)化為線性光源。
[0013]所述的CCD相機，分辨率為50 w-500 W，幀曝光，幀數(shù)15，曝光時間100 μ8 - 30 s ；CCD相機通過螺栓固定在測試臺架上，通過調(diào)節(jié)支架高度和角度，可得到理想的相機視場，整個測試臺架固定在光學平臺上。
[0014]所述的沉樁加載儀，采用靜壓方法，整體框架由高強鋼材和螺栓組成，起著穩(wěn)定和傳遞反力的作用；同時可以通過光學平臺表面螺孔來固定加載儀，提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性；加載儀由電機提供穩(wěn)定的沉樁速率，范圍為0.1 mm/s - 10 mm/s,并帶有位移傳感器和壓力傳感器，用于測量沉樁深度和沉樁貫入阻力。
[0015]所述的粒子圖像處理軟件，采用PIVview2軟件，可分析沉樁過程中拍攝的一系列圖片，得到樁周土體內(nèi)部連續(xù)變形的位移場。
[0016]一種沉樁過程中土體位移場可視化試驗裝置的使用方法，包括以下技術步驟:
(1)按試驗需求配制好不同參數(shù)的透明土，倒入透明模型槽內(nèi)，并將透明模型槽固定在光學平臺上；
(2)調(diào)整并保證光學平臺臺面的水平，確定透明模型槽、激光器、CCD相機、沉樁加載儀在光學平臺上的位置；CCD相機鏡頭所在平面平行于透明模型槽外表面，調(diào)整相機視場，使其能涵括整個沉樁試驗畫面；
(3)將透明模型樁固定在沉樁加載儀的預留孔道處，并保證其垂直度； (4)打開激光器，檢驗其在透明土體內(nèi)部形成的顆粒切面明亮度，并調(diào)整激光角度，使切面垂直入射通過模型樁中心線；
(5)打開CXD相機，使其鏡頭所在平面平行于透明模型槽外表面，并調(diào)整相機視場，使其能涵括整個沉樁畫面；
(6)將沉樁加載儀的靜壓沉樁速率調(diào)至試驗需要的速率，同時通過圖像采集系統(tǒng)控制CXD相機連續(xù)拍攝沉樁過程；
(7)沉樁完成后，通過粒子圖像處理軟件分析獲得的沉樁過程圖片，得到沉樁過程中不同時刻的樁周土體變形位移場。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)點和效果在于:利用正十二烷、十五號白油的混合液與烘烤石英砂顆粒合成透明土，在沉樁模型試驗過程中，通過激光切割樁周土體，形成一個明亮的土體內(nèi)部顆粒切面，利用CCD相機連續(xù)拍攝，獲得該切面在沉樁過程中的一系列圖像，并結合粒子圖像處理技術獲得土體內(nèi)部的連續(xù)變形特征，從而實現(xiàn)了對沉樁過程中引起的樁周土體內(nèi)部連續(xù)變形的可視化測量。與其他土體變形測量方法相比具有以下顯著優(yōu)點:
(1)結構小巧，拆裝方便，可廣泛用于巖土工程試驗；
(2)能夠展現(xiàn)內(nèi)部土體連續(xù)變形過程；
(3)為進行土體的三維圖像測量奠定基礎；
(4)費用低廉。
[0018]本發(fā)明有效地解決了沉樁過程中樁周土體內(nèi)部連續(xù)變形的可視化問題，且操作簡便，有效地節(jié)省了資源，避免了不合理的浪費；適用性廣，可根據(jù)需要模擬砂土或者黏土地基，不同直徑、不同樁型以及提供不同沉樁速率；使用上大大節(jié)約了時間，試驗效果明顯。
[0019]
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明的試驗裝置的立面示意圖；
圖2為本發(fā)明的試驗裝置的平面示意圖；
圖3為本發(fā)明的透明模型槽結構示意圖；
其中，I為人工合成透明土，2為光學平臺，3為透明模型槽，4為激光發(fā)生器，5為CXD相機，6為沉樁加載儀，7為壓力傳感器，8為位移傳感器，9為試驗模型樁。
[0021]
【具體實施方式】
[0022]以下結合附圖詳細敘述本發(fā)明的【具體實施方式】。本發(fā)明的保護范圍并不僅僅局限于本實施方式的描述。
[0023]首先，利用正十二烷與十五號白油在一定溫度(本實施例為24 ° C)下按質(zhì)量比(本實施例為1:4)組成混合液與烘烤石英砂攪拌，直至均勻透明，制成人工合成透明土 1，制配人工合成透明土 I的過程，保持溫度恒定，過程連續(xù)；在一個平整的場地內(nèi)，安放光學平臺2，場地內(nèi)的光線保持均勻，本實施例子光學平臺2尺寸為1800 (長)X 1200 (寬)X800(高)(單位:mm)，臺面厚度200 mm，采用四支撐，支架高度600 mm，調(diào)整支架使臺面保持平整，通過光學平臺2臺面的螺孔固定沉樁加載儀6 ;將人工合成透明土 I填入透明模型槽3，上部開口，本實施例子透明模型槽3尺寸為130 (長)X 130 (寬)X 300 (高)(單位:mm)，壁厚5 mm，底部對稱突出，尺寸為170 mm X 170 mm，預留M 6螺孔，填入透明模型槽3中的人工合成透明土 I高度為200 mm，將透明模型槽3通過螺栓固定在光學平臺2臺面，同時透明模型槽3中心軸對準自動沉樁加載儀6中心；將模型樁9安裝在沉樁加載儀6的預留孔道處，并用螺栓固定，保證其垂直度，確保斜率不大于0.5 %，本實施例子模型樁9直徑10mm，長度200 mm，不銹鋼材質(zhì)；將量程0_50 MPa壓力傳感器7和量程0-300 mm位移傳感器8通過螺桿固定在沉樁加載儀6上；將激光發(fā)生器4安放在光學平臺2臺面上，本實施例子激光發(fā)生器4米用內(nèi)腔式氦氖激光器,功率為375 mW,并配有線性轉(zhuǎn)換器,用于將點光源轉(zhuǎn)化為線性光源，調(diào)整線性轉(zhuǎn)換器使其光源中心線形成的切面垂直，并對準模型槽3的中心軸，激光發(fā)生器4與透明模型槽3相距400 mm ;將CXD相機5固定在光學平臺2臺面上，并調(diào)整其具體位置，使其對準模型槽3的觀察面，并獲得較好的視場，CCD相機5分辨率為50w-500 W，幀曝光，幀數(shù)15，曝光時間100 μ8 - 30 S，本實施例子C⑶相機5采用的分辨率為200 w,曝光時間為I S，與透明模型槽相距200 mm ;沉樁加載儀6提供的沉樁速率范圍為0.1 mm/s - 10 mm/s,本實施例子沉樁加載儀6采用的沉樁速率為5 mm/s,同時通過計算機控制CCD相機5同步拍攝沉樁過程，整個沉樁過程持續(xù)40 S，圖像拍攝的速度大約每秒I張，共獲得沉樁過程變形圖像40張；通過粒子圖像處理軟件分析獲得的沉樁過程圖片，得到沉樁過程中不同時刻的土體內(nèi)部連續(xù)變形位移場，本實施例子采用的圖像處理軟件為PIVview2，可批量處理沉樁過程中獲得的變形圖像；最后完成沉樁過程中土體內(nèi)部連續(xù)變形特征的測量。
【權利要求】
1.一種沉樁過程中土體位移場可視化試驗裝置，包括人工合成透明土，光學平臺，透明模型槽，激光發(fā)生器，CCD相機，沉樁加載儀，壓力傳感器，位移傳感器，試驗模型樁，其特征在于:沉樁加載儀固定在光學平臺上，人工合成透明土填筑在透明模型槽內(nèi)，裝有透明土的透明模型槽放置在沉樁加載儀下方用螺絲固定在光學平臺上；透明模型槽的左側(cè)面或者右側(cè)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；透明模型樁安裝在沉樁加載儀下方，并利用沉樁加載儀將其靜壓入透明土中。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種沉樁過程中土體位移場可視化試驗裝置，其特征在于:所述的人工合成透明土由正十二烷與十五號白油在一定溫度下按質(zhì)量比組成混合液與烘烤石英砂顆?；旌辖M成，烘烤石英砂顆粒粒徑為0.01 mm-5 mm。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種沉樁過程中土體位移場可視化試驗裝置，其特征在于:所述的透明模型槽由樹脂玻璃制作，形狀為上部開口的長方體，長、寬100 mm-130 mm，高度為300 mm-400 mm,壁厚5 mm-10 mm，底部對稱突出，尺寸為170 mm X 170 mm，預留螺孔，用于將其固定在光學平臺上；其中一側(cè)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(tǒng)的標定和校正，同時可進行像素坐標與物理坐標之間的轉(zhuǎn)化。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種沉樁過程中土體位移場可視化試驗裝置，其特征在于: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 X 200 mm。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種沉樁過程中土體位移場可視化試驗裝置，其特征在于:所述的激光器采用內(nèi)腔式氦氖激光器，功率為50 mff-500 mW，并配有線性轉(zhuǎn)換器。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種沉樁過程中土體位移場可視化試驗裝置，其特征在于:所述的C⑶相機分辨率50 w-500 W，幀數(shù)15，幀曝光，曝光時間100 μ8 - 30 s;(XD相機通過螺栓固定在測試臺架上，通過調(diào)節(jié)支架高度和角度，可得到理想的相機視場，整個測試臺架固定在光學平臺上。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種沉樁過程中土體位移場可視化試驗裝置，其特征在于:所述的沉樁加載儀整體框架由高強鋼材和螺栓組成，起著穩(wěn)定和傳遞反力的作用；同時可以通過光學平臺表面螺孔來固定加載儀，提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性；加載儀由電機提供穩(wěn)定的沉樁速率，范圍為0.1 mm/s - 10 mm/s，并帶有位移傳感器和壓力傳感器，用于測量沉樁深度和沉樁貫入阻力。
8.根據(jù)權利要求1所述的一種沉樁過程中土體位移場可視化試驗裝置，其特征在于:所述的粒子圖像處理軟件采用PIVview2軟件，可分析沉樁過程中拍攝的一系列圖片，得到樁周土體內(nèi)部連續(xù)變形的位移場。
9.基于權利要求1所述的一種沉樁過程中土體位移場可視化試驗裝置的使用方法，包括以下技術步驟: (1)按試驗需求配制好不同參數(shù)的透明土，倒入透明模型槽內(nèi)，并將透明模型槽固定在光學平臺上； (2)調(diào)整并保證光學平臺臺面的水平，確定透明模型槽、激光器、CCD相機、沉樁加載儀在光學平臺上的位置；CCD相機鏡頭所在平面平行于透明模型槽外表面，調(diào)整相機視場，使其能涵括整個沉樁試驗畫面；(3)將透明模型樁固定在沉樁加載儀的預留孔道處，并保證其垂直度； (4)打開激光器，檢驗其在透明土體內(nèi)部形成的顆粒切面明亮度，并調(diào)整激光角度，使切面垂直入射通過模型樁中心線； (5)打開CXD相機，使其鏡頭所在平面平行于透明模型槽外表面，并調(diào)整相機視場，使其能涵括整個沉樁畫面； (6)將沉樁加載儀的靜壓沉樁速率調(diào)至試驗需要的速率，同時通過圖像采集系統(tǒng)控制CXD相機連續(xù)拍攝沉樁過程； (7)沉樁完成后，通過粒子圖像處理軟件分析獲得的沉樁過程圖片，得到沉樁過程中不同時刻的樁周土體變形位移場。
【文檔編號】E02D33/00GK103967057SQ201410180379
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月30日 優(yōu)先權日:2014年4月30日
【發(fā)明者】劉漢龍, 曹兆虎, 孔綱強, 周航, 王維國 申請人:河海大學