数字图像测量技术在土工三轴试验中的应用

将数字图像测量技术应用于常规土工三轴试验,解决了常规土工三轴试验传统变形测量中的一系列难题。自主研发了三轴图像测量系统,发展历程可概括为3个阶段：（1）基于边缘识别的三轴试样变形图像测量,通过跟踪边缘位置的变化确定土样的径向变形,识别橡皮膜上的白色标志线确定土样的轴向变形;（2）基于角点识别的三轴试样变形图像测量,用方形标志块将橡皮膜表面离散成若干单元,测量跟踪单元每一角点（节点）的位置,可得任意时刻的土样表面节点的位移,应用有限元技术,可以得到土样表面的位移（变形）场和应变场;（3）三轴土样变形全表面数字图像测量,以基于角点识别的前表面三轴试样变形测量为基础,增设一组平面镜,用一台摄像机实现了圆柱体土样360度全表面的变形测量,得到每一时刻的表面变形场和应变场。三轴土样变形数字图像测量系统具有传统测量方法无可比拟的优点,对于推动土力学,特别是土的本构关系研究具有重要价值。     

MTS试验机岩石压缩试验变形测量数据的选取方法研究

变形测量数据的选取对认识岩石力学性质及变形参数的计算有着重要影响.MTS试验机已被广泛应用于岩石力学试验中,其中岩石的变形测量常用方式有引伸计、LVDT和压板位移,这3种测量方法得到的轴向应变的准确性和适用性有待深入研究.本研究采用MTS试验机进行岩石的单轴和三轴压缩试验,对比引伸计、压板位移和LVDT 3种方式测量得...     

桩锚支护结构水平位移的简化算法

桩锚支护结构在基坑和边坡围护工程中有着广泛的应用,设计阶段对支护结构的水平变形作出准确预测意义重大。根据国内多地基坑工程围护墙变形实测结果,建立桩锚支护结构水平位移的计算模型和计算假定,计算基坑围护墙在各外力作用下的变形,利用弹性叠加法得出桩锚支护结构围护墙深层水平位移表达式,联立锚杆刚度方程求解出其中的参数,最终得到水平位移的简化计算结果。该简化算法适用于围护墙底变形较小的桩锚支护结构计算,通过温州某基坑工程实例对比,围护墙变形计算结果与实测数据较为吻合,验证了该简化算法的适用性。     

三轴试验土样的端部影响问题研究

在以往的研究中,由于受到三轴试样变形测量手段的限制,无法定量研究三轴试样的端部约束对试样受力变形及其测量结果的影响。采用数字图像测量技术,直接量测试样的轴向变形和径向变形,把它们与传统测量方法得到的变形测量结果进行比较,定量分析端部约束与端部接触对三轴试验土样的影响。同时笔者建议采用数字图像测量技术,直接测量三轴试样中间部分的土样变形,以此避开试样端部的影响,使试验结果更加真实可靠。     

邓肯-张E-B模型参数对软土路堤沉降计算结果的影响

有限单元法是计算路堤沉降常见的数值计算方法,其土体模型参数的准确性是计算结果可靠性高的保证。邓肯-张E-B模型是岩土工程分析计算中常用的一种非线性弹性模型。本文针对模型参数敏感性进行大量非线性有限元计算,得到了各参数与路堤沉降和侧向位移之间的关系,确定了该模型中影响软基路堤沉降和侧向变形的主要参数。     

基于亚像素角点检测的试样变形图像测量方法

作为一种数字图像测量方法,亚像素角点检测能够在数字图像中可以发现角点的亚像素精度的位置（简称亚像素角点检测方法）。在土工三轴试验中应用该方法使得试样的变形测量更加简便。通过使用高精度标定板,对该数字图像测量方法进行了精度分析,结果表明亚像素角点检测方法的轴向和径向测量的标准差都达到了0.02个像素,相对测量精度达到10-4数量级。在三轴压缩试验条件下,同时使用高精度位移传感器和该测量方法对小变形的干性试样进行了变形测量,证明亚像素角点检测方法对试样变形的测量结果是精确可靠的。     

邓肯- 张参数对基坑支护结构变形的敏感性研究

有限单元法是计算基坑开挖支护结构变形的常见的数值计算方法,其土体模型参数的准确性是计算结果可靠性高的保证。邓肯- 张E-模型是岩土工程分析计算中常用的一种非线性弹性模型。本文以双排桩支护结构为例,针对模型参数敏感性进行大量非线性有限元计算,计算结果表明:影响基坑支护结构变形的主要参数为k、G、Rf和n,随着G、Rf和n的增大,侧向位移增大;随着k的增大,侧向位移减小。对于弯矩而言,参数的变化对弯矩的影响较小。从整体来看,邓肯- 张参数对侧向位移的敏感性要大于对弯矩的敏感性。     

高堆石坝瞬变-流变参数三维全过程联合反演方法及变形预测

利用反演分析得到的参数进行高面板坝的应力、变形分析来预测长期变形。由于堆石坝的施工过程和变形机制比较复杂,很难将瞬时变形和流变变形分开,因此,有必要对静力本构模型参数和流变模型参数进行综合反演。利用实测位移资料,以对堆石坝变形较敏感的静力本构模型和流变模型参数为待反演参数,采用基于粒子迁徙的粒子群算法和径向基函数神经网络构建参数反演平台,该方法克服了粒子群算法易陷入局部最优和早熟收敛的缺点,采用经过训练的神经网络来描述模型参数和位移之间的映射关系,节省了参数反演的计算时间。对水布垭高面板坝的反演结果表明,基于反演参数的沉降计算值与实测值吻合得很好,坝体变形在合理范围以内并趋于稳定。     

被动桩侧土体位移场的透明土模型试验

常规室内模型试验中,土体侧向位移作用下桩身变形特性能够获得,而桩周土体内部的位移很难量测。因此,结合透明土材料、粒子图像测速(PIV)技术和光学测量系统,设计了侧向位移作用下被动桩桩周土体变形测量试验系统。通过非插入式测量,得到桩不同埋置深度下桩周土体的位移场。试验结果表明:相同侧向位移模式下,桩埋置深度越大,桩对桩前土体的遮拦效应越明显,中间与两侧土体的相对位移越大。基于模型试验的结果建立了数值模型,参数敏感分析表明土体侧向位移形状对桩前土体位移遮拦效应的影响程度依次为矩形、抛物线形和三角形,且遮拦效果随着桩径的增加而更加明显。     

深部破碎岩体变形模量的一种新型试验方法及工程应用

岩体的变形模量是表征岩体抗变形能力的一个重要参数。对于深部破碎岩体的变形模量,采用传统的现场试验法或钻孔弹模法获得其变形参数有一定的局限性。因此,采用一种新开发的试验手段：将现场钻孔中取得的深部破碎岩体试样带回室内,放入MTS中进行三轴试验,记录相应的位移和应力;同时推导了一套配套的理论计算公式,利用室内试验的方法获得了从钻孔中取得的深部破碎岩体的变形模量。采用上述方法对实际水电工程坝基深部破碎带岩体的变形模量进行试验计算,并对试验得到的变形模量结果进行检验分析。其结果表明：采用两种方法获得的深部破碎岩体变形模量值差别一般在10％以内。     

基于图像测量的饱和细砂排水剪切试验研究

将计算机数字图像测量技术应用于土工静力三轴试验的土样变形测量,实现了土样变形的非接触测量。针对南宁饱和细砂,采用干装敲击法和控制不同初始成样含水率的湿装夯实法制备松砂和密砂试样,联合采用数字图像测量技术与常规三轴变形量测方法,在不同围压下进行了固结排水剪切试验。着重探讨了成样方法、初始成样含水率、密实程度、固结围压对两种量测方法所获得的应力-应变关系与邓肯-张模型中的切线模量5参数的影响。试验结果表明：成样方法、初始成样含水率、密实程度和围压决定土样的剪切破坏形式,影响应力-应变关系;剪切破坏的形式以及剪切带位置的不同,导致图像测量和常规三轴试验获得的轴向应变和偏应力数值均存在不同程度的差异;邓肯-张模型5参数不仅受到试样的成样方法、初始成样含水率、密实程度的影响,而且受到量测方法的影响。     

基于数字图像处理技术的砂土颗粒级配分析研究

砂土颗粒级配是影响砂土工程性质的重要参数之一，传统的颗分试验方法由于试验原理不同而具有不同的适用范 围。为更加方便、准确地获取砂土颗粒级配，提出了一种基于数字图像处理技术来获取SEM照片中的砂颗粒粒径参数及级 配特征的新方法。将准备好的砂土样品打磨成薄片放在扫描电镜下拍照，然后利用Photoshop软件对照片进行拼接，并采用 自主研发的SMAS数字图像分析系统对拼接好的照片进行定量分析处理，获取样品的微观结构参数，将获得的“土颗粒等 效直径”和“土颗粒面积”分别等效为实际土颗粒粒径和土颗粒质量，进而换算得到砂土的颗粒级配曲线；然后将通过数 字图像技术获得的砂土颗粒级配曲线与通过传统筛分法和激光粒度分析法得到的颗粒级配曲线进行对比，验证了提出的数 字图像处理方法的有效性和可靠性，同时分析了两种方法之间存在的差异及其原因，并对数字图像处理方法和传统颗分方 法各自的优缺点进行了讨论。     

基于数字图像处理技术的砂土颗粒级配分析研究

砂土颗粒级配是影响砂土工程性质的重要参数之一,传统的颗分试验方法由于试验原理不同而具有不同的适用范 围。为更加方便、准确地获取砂土颗粒级配,提出了一种基于数字图像处理技术来获取SEM照片中的砂颗粒粒径参数及级 配特征的新方法。将准备好的砂土样品打磨成薄片放在扫描电镜下拍照,然后利用Photoshop软件对照片进行拼接,并采用 自主研发的SMAS数字图像分析系统对拼接好的照片进行定量分析处理,获取样品的微观结构参数,将获得的“土颗粒等 效直径”和“土颗粒面积”分别等效为实际土颗粒粒径和土颗粒质量,进而换算得到砂土的颗粒级配曲线;然后将通过数 字图像技术获得的砂土颗粒级配曲线与通过传统筛分法和激光粒度分析法得到的颗粒级配曲线进行对比,验证了提出的数 字图像处理方法的有效性和可靠性,同时分析了两种方法之间存在的差异及其原因,并对数字图像处理方法和传统颗分方 法各自的优缺点进行了讨论。     

基于数字图像处理的颗粒流厚度动态提取方法研究

颗粒流厚度及其演化趋势是碎屑流物理模型试验中重点关注的要素。目前试验中颗粒流厚度的监测主要有传感器监测、机械原件测量、人工测读等方法。随着计算机跨学科的应用及计算机数字图像处理技术的成熟,越来越多的数字图像处理技术被应用于工程地质领域。以颗粒流斜槽试验为依托,基于自适应中值滤波、图像二值化、图像腐蚀及种子填充等数字图像处理方法,对高速相机所采集的颗粒流图像序列进行处理分析并编制了相关程序,实现了连续提取颗粒流运动过程中的厚度值。分析结果表明:基于数字图像处理方法提取的颗粒流厚度在颗粒流主体区段与实测厚度值相吻合,在颗粒流尾部由于颗粒离散会存在一定的偏差,主要是由于部分三维空间中的颗粒在二维图像中呈现出重叠的形式,造成颗粒连续的假象。总体而言,通过该方法获取的颗粒流厚度值在一定条件下具有较高的精度,相比于其他方法具有效率高、获取参数多、采样频率高、扰动低等优势,可作为颗粒流试验中流态参数动态获取的常规方法之一。     

数字图像测量技术在土工三轴试验中的应用研究

将数字图像处理技术应用于土工三轴试验土样变形测量,提供了一种新的非接触变形测量手段。可消除传统三轴系统的变形测量误差,可测量土样任意部分的局部变形、剪切带的形成和发展过程,可定量分析橡皮膜嵌入的影响,还可实时跟踪并纪录土样变形过程。文中讨论了图像测量结果与传统测量结果的差别,指出对于标准的小三轴试样可以取中间40 mm左右的试样段进行变形测量以排除端部效应影响。     

基于广义位势理论的土的数值弹塑性模型及其初步应用研究

广义位势理论从数学角度出发建立土的本构模型,可克服传统本构理论的不足,而又同时包含了传统理论作为其特例,从而为土的本构模型研究提供新的和适用性更广的理论。以广义虎克定律为基础的邓肯-张模型以其简单方便、参数确定容易且有明确的物理意义而得到广泛的应用,而其最大缺点则是不能反映土的剪胀性;此外,邓肯-张模型采用双曲线函数拟合试验曲线也有一定的局限性。为保留其参数确定简便的优点,并弥补其不足,基于广义位势理论建立了数值弹塑性模型。该模型保留了邓肯-张模型在参数确定方面的简单性,同时由于采用了广义位势理论来建模,不再受广义虎克定律的限制,因而可弥补邓肯-张模型在反映土体剪胀性方面的缺陷。此外,该模型采用数值手段来表示试验曲线的建模方法,可以克服邓肯-张模型采用双曲线函数表示试验曲线方法的局限性,具有更为广泛的适应性。通过对一碎石桩复合土体三轴试验结果的数值模拟表明：基于广义位势理论的数值弹塑性模型计算与试验结果吻合良好,且在反映碎石的剪胀特性方面优于邓肯-张模型,从而初步证明了该模型的合理性及优越性。     

负乘幂本构模型的切线模量

邓肯-张模型假设土体应力-应变关系符合双曲线关系,而且假定相关参数与围压的关系也是某种固定关系,这样的做法不仅违反了土体性质多样的现实,也容易造成模型与试验结果不符,引起误差。为此,提出了通过常用软件试算获取参数及直接寻求参数与围压最佳关系函数的思想,改变了参数与围压只有一种固定关系的思路。在邓肯-张模型基础上提出了负乘幂本构模型,它能够通过调整一个参数实现曲线形式的变化,从而体现出土体应力-应变关系的多样性;负乘幂模型采用前面提及的思想来获取参数,经过推导得到了该模型的切线模量公式。通过比较,证明负乘幂模型能够更好地与试验曲线吻合。     

一种基于MATLAB的碎屑岩粒度分析方法

利用MATLAB图像处理与统计计算功能对碎屑岩进行粒度分析,可以较好地解决传统粒度分析方法中存在的测量结果不精确、费时费力等问题。首先对碎屑岩镜下图像进行灰度化、二值化、图像增强等处理,准确测量出碎屑岩中各类粒度数据,然后将粒度数据转换为粒度参数运用到沉积环境分析中,更为精确地判别沉积环境。分析结果表明,该方法不但与传统粒度分析方法结果一致,而且测量精度高,方法简单,操作便捷,适用性好。