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散斑颗粒制备方法、透明土制备方法及直剪全过程模型试验方法

更新时间:2024-11-01
散斑颗粒制备方法、透明土制备方法及直剪全过程模型试验方法 专利申请类型:发明专利;
源自:北京高价值专利检索信息库;

专利名称:散斑颗粒制备方法、透明土制备方法及直剪全过程模型试验方法

专利类型:发明专利

专利申请号:CN202310541676.0

专利申请(专利权)人:中国矿业大学(北京)
权利人地址:北京市海淀区学院路丁11号

专利发明(设计)人:单仁亮,李赓照,王逸飞,周博森,庞远洋

专利摘要:本发明涉及散斑颗粒制备方法、透明土制备方法及直剪全过程模型试验方法。散斑颗粒制备方法包括:S101,取设定级配的I组熔融石英砂,将其按照质量比1:8~10分为两份,准备黑色水性色精与白色漆,并调配黑色水性色精染色液;S102,以黑色水性色精染色液染色质量占比1份的熔融石英砂;以白色漆染色质量占比8~10份的熔融石英砂;S103,将得到的两份染色熔融石英砂置于烘箱内烘烤,直至熔融石英砂烘干,得到黑色熔融石英砂颗粒与白色熔融石英砂颗粒;S104,将烘干后的黑白熔融石英砂颗粒充分混合,制得散斑颗粒。本发明通过制备散斑颗粒和透明土,以可视化的直剪试验设备实现对土体剪切宏观现象的直观展示和细观机理的量化分析。

主权利要求:
1.一种基于散斑颗粒的透明土制备方法,其特征在于,包括:S101,取设定级配的I组熔融石英砂,将其按照质量比1:8 10分为两份,准备黑色水性~色精与白色漆,并调配黑色水性色精染色液;
S102,以黑色水性色精染色液染色质量占比1份的熔融石英砂,使石英砂颗粒充分染色;以白色漆染色质量占比8 10份的熔融石英砂,使石英砂颗粒充分染色;
~
S103,将得到的两份染色熔融石英砂置于烘箱内烘烤,直至熔融石英砂烘干,得到黑色熔融石英砂颗粒与白色熔融石英砂颗粒;
S104,将烘干后的黑白熔融石英砂颗粒充分混合,制得散斑颗粒;
S201,取设定级配的II组熔融石英砂,洗净烘干,去除杂质和水分;
S202,配置孔隙流体,并且所述孔隙流体的折射率为1.4585;
S203,向直剪盒中倾倒孔隙流体,直至孔隙流体在直剪盒中达到一定的高度;
S204,向直剪盒中均匀倾撒所述II组熔融石英砂,在设定的散斑面位置倾撒所述的散斑颗粒;
S205,重复S203、S204,直至熔融石英砂堆积到设定高度,透明土制作完成,所述透明土中包含一个或多个由所述散斑颗粒形成的散斑面。
2.根据权利要求1所述的透明土制备方法,其特征在于:所述调配黑色水性色精染色液包括:按照黑色水性色精与水的质量比1:1调配黑色水性色精染色液。
3.根据权利要求1所述的透明土制备方法,其特征在于:所述将得到的两份染色熔融石英砂置于烘箱内烘烤包括:所述烘烤的温度为80℃,时间90min;烘干的标准为手指轻捻颗粒易分散、不脱色。
4.根据权利要求1所述的透明土制备方法,其特征在于:所述II组熔融石英砂与所述I组熔融石英砂质量比为8 10:1。
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5.根据权利要求1所述的透明土制备方法,其特征在于:所述配置孔隙流体包括:孔隙流体为正十二烷与15#白矿油的混合溶液,根据试验温度,调整烷油质量比,用玻璃棒搅拌均匀,使二者在烧杯中充分混合;
测定该试验温度下孔隙流体的折射率,以与熔融石英砂的折射率一致为孔隙流体配置合格的标志,若折射率不一致,则微调正十二烷或15#白矿油的用量。
6.一种基于透明土与数字图像相关法的直剪全过程模型试验方法,其特征在于,包括:准备透明土直剪试验装置;
采用权利要求1至5任一项所述的透明土制备方法在透明土直剪试验装置中制作透明土,所述透明土中包含一个或多个由所述散斑颗粒形成的散斑面;
完成所述透明土直剪试验装置的装配,并施加设定重量的法向力;
对所述透明土进行直剪试验,并以数字图像相关法成套设备对透明土进行拍摄;其中所述透明土直剪试验装置包括:直剪仪;
加压框架,包括上加压板、底固定座以及连接于上加压板与底固定座之间的竖向撑杆,加压框架通过所述底固定座固定于所述直剪仪上;
直剪盒,设置于所述直剪仪上并位于所述上加压板下方,包括上剪切盒和下剪切盒,上剪切盒和下剪切盒采用透明材质;
所述加压框架的竖向撑杆在左右两侧各由两根撑杆构成,并且两根撑杆间的间隙不小于所述直剪盒的宽度。
7.根据权利要求6所述的直剪全过程模型试验方法,其特征在于:所述下剪切盒底部设有两条限位轨道,两条限位轨道卡装于所述直剪仪工作面上的导向轨道上的小钢珠上。
8.根据权利要求6所述的直剪全过程模型试验方法,其特征在于:所述以数字图像相关法成套设备对透明土进行拍摄包括:根据散斑面的位置,架设数字图像相关法成套设备,调整设备高度,保证设备的摄像头正对散斑面,光源选用冷光源;
调整设备的焦距与曝光度,使直剪盒及散斑面清晰地呈现在设备的摄像头拍摄范围内;
试验,拍摄,并用设备相关后处理软件进行图像处理、计算与细观分析。 说明书 : 散斑颗粒制备方法、透明土制备方法及直剪全过程模型试验
方法技术领域[0001] 本发明涉及土工试验技术领域,尤其是物理试验模型,具体涉及散斑颗粒制备方法、透明土制备方法及直剪全过程模型试验方法。背景技术[0002] 物理模拟试验技术以相似原理为理论基础,通过正确有效的物理模型更加深入地认识原型,是岩土工程诸多领域进行科学研究与技术问题解决的重要手段之一。然而,目前在岩土工程技术领域仍然有许多技术难题。例如,土体与结构之间相互作用机理以及土体内部变形的可视化监测,这些问题的研究解决都与土体内部变形规律密不可分。[0003] 然而,传统的砂土直剪试验无法直观观测到土体内部的变形和破坏特征,传统的普通相似材料由于其内部不可见而无法对土体内部变形规律进行全面细致的“直接观测”。[0004] 因此,有必要提出一种新的物理模拟试验装置及试验方法,实现土体内部变形状况的可视化处理、动态化监测。发明内容[0005] 针对现有技术中存在的不足,本发明的主要目的是提供散斑颗粒制备方法、透明土制备方法及直剪全过程模型试验方法,以可视化的直剪试验设备实现细观机理的分析;突破拍摄面的限制,以解决现有可视化直剪技术中不能随意选择拍摄面,不能构建三维破坏机制等问题。[0006] 为实现上述目的,本发明采取以下技术方案:[0007] 本发明第一方面提供一种散斑颗粒制备方法,包括:S101,取设定级配的I组熔融石英砂,将其按照质量比1:8~10分为两份,准备黑色水性色精与白色漆,并调配黑色水性色精染色液;S102,以黑色水性色精染色液染色质量占比1份的熔融石英砂,使石英砂颗粒充分染色;以白色漆染色质量占比8~10份的熔融石英砂,使石英砂颗粒充分染色;S103,将得到的两份染色熔融石英砂置于烘箱内烘烤,直至熔融石英砂烘干,得到黑色熔融石英砂颗粒与白色熔融石英砂颗粒;S104,将烘干后的黑白熔融石英砂颗粒充分混合,制得散斑颗粒。[0008] 在一个实施例中,所述调配黑色水性色精染色液包括:按照黑色水性色精与水的质量比1:1调配黑色水性色精染色液。[0009] 在一个实施例中,所述将得到的两份染色熔融石英砂置于烘箱内烘烤包括:所述烘烤的温度优选为80℃,时间90min;烘干的标准为手指轻捻颗粒易分散、不脱色。[0010] 本发明第二方面提供一种透明土制备方法,包括:S201,取设定级配的II组熔融石英砂,洗净烘干,去除杂质和水分;S202,配置孔隙流体;S203,向直剪盒中倾倒孔隙流体,直至孔隙流体在直剪盒中达到一定的高度;S204,向直剪盒中均匀倾撒所述II组熔融石英砂,在设定的散斑面位置倾撒本发明第一方面提供的散斑颗粒制备方法制备得到的散斑颗粒;S205,重复S203、S204,直至熔融石英砂堆积到设定高度,透明土制作完成,所述透明土中包含一个或多个由所述散斑颗粒形成的散斑面。[0011] 在一个实施例中,所述II组熔融石英砂与所述I组熔融石英砂质量比为8~10:1。[0012] 在一个实施例中,所述配置孔隙流体包括:[0013] 孔隙流体为正十二烷与15#白矿油的混合溶液,根据试验温度,调整烷油质量比,用玻璃棒搅拌均匀,使二者在烧杯中充分混合;[0014] 测定该试验温度下孔隙流体的折射率,以与熔融石英砂的折射率一致为孔隙流体配置合格的标志,若折射率不一致,则微调正十二烷或15#白矿油的用量。[0015] 本发明第三方面提供一种基于透明土与数字图像相关法的直剪全过程模型试验方法,包括:准备透明土直剪试验装置;采用本发明第一方面提供的散斑颗粒制备方法制备散斑颗粒;采用本发明第二方面提供的透明土制备方法在透明土直剪试验装置中制作透明土,所述透明土中包含一个或多个由所述散斑颗粒形成的散斑面;完成所述透明土直剪试验装置的装配,并施加设定重量的法向力;对所述透明土进行直剪试验,并以数字图像相关法成套设备对透明土进行拍摄。[0016] 在一个实施例中,所述透明土直剪试验装置包括:[0017] 直剪仪;[0018] 加压框架,包括上加压板、底固定座以及连接于上加压板与底固定座之间的竖向撑杆,加压框架通过所述底固定座固定于所述直剪仪上;[0019] 直剪盒,设置于所述直剪仪上并位于所述上加压板下方,包括上剪切盒和下剪切盒,上剪切盒和下剪切盒采用透明材质;[0020] 优选的,所述下剪切盒底部设有两条限位轨道,两条限位轨道卡装于所述直剪仪工作面上的导向轨道上的小钢珠上。[0021] 在一个实施例中,所述加压框架的竖向撑杆在左右两侧各由两根撑杆构成,并且两根撑杆间的间隙不小于所述直剪盒的宽度。[0022] 在一个实施例中,所述以数字图像相关法成套设备对透明土进行拍摄包括:[0023] 根据散斑面的位置,架设数字图像相关法成套设备,调整设备高度,保证设备的摄像头正对散斑面,光源选用冷光源;[0024] 调整设备的焦距与曝光度,使直剪盒及散斑面清晰地呈现在设备的摄像头拍摄范围内;[0025] 试验,拍摄,并用设备相关后处理软件进行图像处理、计算与细观分析。[0026] 本发明相对于现有技术的有益效果是:本发明提供一种散斑颗粒制备方法,用于数字图像相关法,并进一步提供一种透明土制备方法,结合可视化的直剪试验设备突破拍摄面的限制,以解决现有可视化直剪技术中不能随意选择拍摄面,不能构建三维破坏机制等问题。具体而言,本发明至少能够获得如下技术效果中的一个或多个:[0027] (1)本发明提供的用于数字图像相关法的散斑颗粒制备方法,针对性地设计一个适用于透明土的散斑面制作方法,制作适用于透明土的散斑颗粒,如此在透明土内就可以根据需要形成无遮挡或交叉情况下的任意位置、任意数量以及任意形状的散斑面,突破拍摄面的限制,可以拍摄任何想要观测的平面或区域,对于构建三维的破坏机制起到了重要作用。[0028] (2)本发明提供的透明土制备方法,人工散斑效果好,证明透明土和数字图像相关法的结合是可行的,可以联合推广到更多试验中。[0029] (3)本发明提供的基于透明土与数字图像相关法的直剪全过程模型试验方法,设计采用透明直剪盒和不阻挡观测的垂直加压框架,使得直剪设备可视化,很好地解决了传统直剪设备对直剪盒的遮挡问题。[0030] (4)本发明提供的基于透明土与数字图像相关法的直剪全过程模型试验方法,与数字图像相关法(DIC)相结合,可以通过比较相邻两张物体表面数字图像(即所拍摄的散斑图像)分析变形前后的运动和应变信息,将变形的测量问题转化为一个图像搜索和数字图像识别的计算过程。该方法优势明显:测量全程非接触、数据精度高、对试验环境要求低,易于实现测量全程的自动化,可通过DIC计算,实现对土体剪切宏观现象的直观展示和细观机理的量化分析。[0031] 应当理解,本发明任一实施方式的实现并不意味要同时具备或达到上述有益效果的多个或全部。附图说明[0032] 通过阅读下文优选实施方式的详细描述,各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的,而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中,用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中:[0033] 图1为本发明一个实施例的散斑颗粒制备方法流程图;[0034] 图2为本发明一个实施例的透明土制备方法流程图;[0035] 图3为本发明一个实施例的模型试验方法流程图;[0036] 图4为本发明一个实施例的直剪试验装置总体示意图;[0037] 图5为本发明的一个实施例的改进加压框架的主视图;[0038] 图6为本发明的一个实施例的改进加压框架的侧视图;[0039] 图7为本发明的一个实施例的改进加压框架的俯视图;[0040] 图8为本发明的一个实施例的改进加压框架的立体图;[0041] 图9为本发明的一个实施例的上剪切盒主视图;[0042] 图10为本发明的一个实施例的上剪切盒侧视图;[0043] 图11为本发明的一个实施例的上剪切盒俯视图;[0044] 图12为本发明的一个实施例的下剪切盒主视图;[0045] 图13为本发明的一个实施例的下剪切盒侧视图;[0046] 图14为本发明的一个实施例的下剪切盒俯视图;[0047] 图15为本发明的一个实施例的上下剪切盒立体图;[0048] 图16为本发明的一个实施例的传压板示意图。[0049] 附图中各标记表示如下:[0050] 100‑直剪仪;200‑加压框架;300‑直剪盒;[0051] 1‑剪切传动手轮;2‑下剪切盒推动器;3‑上加压板;4‑小钢珠;5‑传压板;6‑上剪切盒;7‑下剪切盒;8‑小滚珠;9‑限位杆;10‑水平位移计;11‑限位轨道;12‑工作面;13‑底固定座;14‑竖向撑杆;15‑横杆;16‑短竖杆;17‑螺栓孔。[0052] 在各个附图中,相同或对应的标号表示相同或对应的部分。具体实施方式[0053] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白,下面结合实施例和附图,对本发明实施例作进一步详细说明。在此,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,但并不作为对本发明的限定。[0054] 在本发明中,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或成一体;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。[0055] 应当理解,术语“包括/包含”、“由……组成”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素,而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括/包含……”、“由……组成”限定的要素,并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。[0056] 还需要理解,术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置、部件或结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作,不能理解为对本发明的限制。[0057] 此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。[0058] 透明土相似材料的出现使得对模型内部变形进行“直接观测”成为可能。透明土相似材料是具有天然土体工程性质的人工合成透明模拟材料的统称,由骨料和具有相同或相近折射率的孔隙液体配制而成。因为骨料和孔隙液体具有相同或相近的折射率,光线在经过时就不会发生明显的折射或反射,故这种“土体”就是透明的。相对于普通的土,因为普通的土不透明,只能做边界面的细观分析,而透明土就可以突破拍摄面的限制,通过设计特殊的拍摄面,把拍摄面做在哪里,就可以观测哪里,如此能够很好地解决传统试验无法直观观测的问题,且通过拍摄面的合理设计(二维、三维,完整、局部),能够构建三维破坏机制等。[0059] 下面结合附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明。[0060] 为了完成上述试验,如图1所示,本发明首先提供一种散斑颗粒制备方法,尤其用于数字图像相关法,图1示出散斑颗粒制备方法的流程图,具体包括:[0061] S101:取设定级配的I组熔融石英砂,将其按照质量比1:9分为两份,准备黑色水性色精与白色漆,并调配黑色水性色精染色液;[0062] S102:以黑色水性色精染色液染色质量占比10%的熔融石英砂,使石英砂颗粒充分染色;以白色漆染色质量占比90%的熔融石英砂,使石英砂颗粒充分染色;[0063] S103:将S102得到的两份染色熔融石英砂置于烘箱内烘烤,直至熔融石英砂烘干,得到黑色熔融石英砂颗粒与白色熔融石英砂颗粒。[0064] S104:将烘干后的黑白熔融石英砂颗粒充分混合,制得散斑颗粒。[0065] 本实施例中,I组熔融石英砂的级配取决于后续将要模拟的是什么级配的原状土,比如原状土是粗砂,那么石英砂粒径就选大的,如果原状土是细砂,就选小粒径,也可以混合多种粒径。[0066] 需要说明,I组熔融石英砂所划分的质量比需要确保能够获得较好的散斑识别效果即可,本实施例较佳的将I组熔融石英砂按照质量比1:9分为两份,1:9的比例能够使散斑识别效果更好,DIC后处理精确度更高,当然并不严格限于9份,一组分为1份,另一组分为8~10份也是可行的,二者的比例过小或过大都会使得到的散斑图像“去相关”。[0067] 本实施例中,染色采用水性色精,水性色精对于熔融石英砂的染色效果最优,但是水性色精没有白色,所以制备白色熔融石英砂考虑漆。一般地,水性漆较油性漆气味小,对实验人员危害性小,所以优选水性哑光漆;哑光漆较亮光漆不易失色失光,表面反光率低,与水性色精光反射性质类似,所以优选哑光漆。[0068] 本实施例中,调配黑色水性色精染色液时按照黑色水性色精与水的质量比1:1调配。[0069] 本实施例中,在对熔融石英砂进行染色时,浸染染色较喷漆染色对细颗粒染色更均匀,且可以避免熔融石英砂粒径过小时使用喷漆染色导致的砂粒飞溅,所以优选浸染染色。[0070] 本实施例中,在将得到的两份染色熔融石英砂置于烘箱内烘烤时,烘烤的温度优选为80℃,时间90min;烘干的标准为手指轻捻颗粒易分散、不脱色。烘烤量过大时,可能会出现颗粒间彼此连接的情况,此时需将连接为一体的颗粒用手揉搓散。[0071] 在此基础上,本发明进一步提供一种透明土制备方法,参见图2,包括:[0072] S201:取设定级配的II组熔融石英砂,洗净烘干,去除杂质和水分;[0073] S202:配置孔隙流体;[0074] S203:向直剪盒中倾倒孔隙流体,直至孔隙流体在直剪盒中达到一定的高度;[0075] S204:向直剪盒中均匀倾撒II组熔融石英砂,在设定的散斑面位置倾撒散斑颗粒,此处所用的散斑颗粒为采用前述散斑颗粒制备方法制备得到的散斑颗粒;[0076] S205:重复S203、S204,直至熔融石英砂堆积到设定高度,含散斑面的透明土制作完成。[0077] 本实施例中,II组熔融石英砂与制作散斑颗粒所使用的I组熔融石英砂质量比较佳的选为8~10:1,以获得较好的DIC处理效果。[0078] 本实施例中,孔隙流体为正十二烷与15#白矿油的混合溶液,配置孔隙流体时,根据试验温度,调整烷油质量比,用玻璃棒搅拌均匀,使二者在烧杯中充分混合;[0079] 用阿贝折射仪测定该试验温度下孔隙流体的折射率,以与厂家提供的熔融石英砂的折射率一致为孔隙流体配置合格的标志,若折射率不一致,则微调正十二烷或15#白矿油的用量,一般地,折射率为1.4585。[0080] 本实施例中,向直剪盒中倾倒孔隙流体时,采用玻璃棒,以玻璃棒引流,以减小气泡的产生。沿玻璃棒向直剪盒中缓缓倾倒孔隙流体,直至孔隙流体在直剪盒中有一定的高度,较佳的,一定的高度设计为1cm。[0081] 本实施例中,散斑面的设定位置根据试验方案设计确定,向直剪盒中均匀倾撒II组熔融石英砂过程中,在散斑面的设定位置改换为倾撒散斑颗粒形成散斑面,少量多次,以尽可能避免气泡的产生。[0082] 需要说明,本发明所谓的散斑面并不应当唯一性理解为“面”,还包括具有一定厚度的散斑层,较佳的,散斑层厚度不小于散斑颗粒最大粒径的3倍,即散斑颗粒中石英砂颗粒的最大粒径为1mm,则散斑层厚度应不小于3mm,以保证散斑面拍摄效果。[0083] 重复以上步骤,并保证每次孔隙流体液面始终高于熔融石英砂的堆积高度,且单次孔隙流体倾倒高度不超过1cm;当孔隙流体的液面在直剪盒内达到设定高度时,用胶头滴管将多余孔隙流体吸出,含散斑面的透明土配置完成。[0084] 本实施例中,特别地,由于孔隙流体的折射率受温度影响较大,因此配置含散斑面的透明土时应当严格控制试验温度,确保试验温度全程保持恒定。[0085] 本实施例中,散斑面的选择不局限于某一个与直剪盒同尺寸的二维平面,而是可以扩展为三维空间内无交叉或重叠的任意多个二维平面,既可以是完整的散斑平面,也可以是部分的散斑区域。[0086] 本实施例中,在II组熔融石英砂以及散斑颗粒的倾撒过程中,应当格外注意避免气泡的产生,如若气泡较多影响了观测,则必要地,要将直剪盒放置于真空箱中抽真空,直至气泡消除。[0087] 本发明还提供一种基于透明土与数字图像相关法的直剪全过程模型试验方法,如图3所示的流程图,包括:[0088] S1:准备透明土直剪试验装置;[0089] S2:制作散斑颗粒;[0090] S3:基于散斑颗粒,在透明土直剪试验装置中制作透明土,透明土中包括一个或多个由散斑颗粒形成散斑面;[0091] S4:完成透明土直剪试验装置的装配,并施加设定重量的法向力;[0092] S5:以透明土直剪试验装置对透明土进行直剪试验,并以数字图像相关法成套设备对透明土进行拍摄,最后用数字图像相关法成套设备相关后处理软件进行图像处理与细观分析。[0093] 通过使用透明土直剪试验装置,由于透明土的透明性,借助散斑颗粒在透明土内部任何平面制作散斑面,散斑面即作为拍摄面,由数字图像相关法(DIC,DigitalImageCorrelation)成套设备,即可对散斑面所在平面进行观测,实现可视化观测分析。[0094] 本发明中,设计一种透明土直剪试验装置,参见图4,该透明土直剪试验装置包括直剪仪100、加压框架200以及直剪盒300。[0095] 参见图4所示,直剪仪100采用直剪试验中最常见的应变控制式直剪仪即可,具有工作面12,并且包括剪切传动手轮1、下剪切盒推动器2,以及限位杆9和水平位移计10,剪切传动手轮1和下剪切盒推动器2布置于工作面12的一侧,限位杆9和水平位移计10布置于工作面12的另一侧,下剪切盒推动器2从一侧抵接下剪切盒7(将在后文中详细阐述),剪切传动手轮1转动过程中驱动下剪切盒推动器2向前移动,由下剪切盒推动器2推动下剪切盒7平移,实现对盒内土样的剪切。限位杆9从另一侧抵接上剪切盒6(将在后文中详细阐述),并且限位杆9与水平位移计10连接,限位杆9一方面起到限制上剪切盒6的作用,另一方面连接水平位移计10,便于水平力的传递。[0096] 加压框架200固定于工作面12上,并布置在下剪切盒推动器2与限位杆9之间,包括上加压板3、底固定座13以及连接于上加压板3与底固定座13之间的竖向撑杆14,加压框架200通过底固定座13固定于直剪仪上,具体是加压框架200的竖向撑杆14横跨工作面12,由底固定座13固定于工作面12下方的杠杆上。加压框架200用于对直剪盒300内的土样施加正向压力。[0097] 直剪盒300,设置于直剪仪100上并位于上加压板3下方,包括上剪切盒6和下剪切盒7,上剪切盒6和下剪切盒7采用透明材质,上剪切盒6和下剪切盒7内填试验土样。[0098] 本发明中,传统的垂直加压框架的竖向撑杆会对直剪盒有一部分遮挡,影响观测与拍摄效果,本发明设计一种改进的垂直加压框架。参见图5‑8,加压框架200的竖向撑杆14在左右两侧各由两根撑杆构成,并且两根撑杆间的间隙不小于直剪盒的宽度。如此能够很好地避开对直剪盒的遮挡。[0099] 更具体的,如图8,左右两侧的两根竖向撑杆14底部由一根横杆15连接,横杆15沿剪切方向,横杆15中部下方通过一短竖杆16与底固定座13连接,底固定座13例如是一根横条,左右两侧的两根竖向撑杆14横跨直剪仪100的工作面12,竖向撑杆14位于工作面12上方,底固定座13通过短竖杆16延伸至工作面12的下方,由其上的螺母固定于工作面12下方的杠杆上,实现加压框架200在直剪仪100上的安装固定,并且两根竖向撑杆14之间的间隙形成镂空,避免了传统垂直加压框架的竖向撑杆对直剪盒的遮挡,影响摄像设备对拍摄面的采集。[0100] 本发明中,直剪盒300即直剪试验中所使用的直剪盒,选用透明材质,考虑到成本与加工难度,优选为亚克力。继续参见图4,直剪盒包括上剪切盒6和下剪切盒7,直剪试验中直剪盒有圆形和方形,考虑到采用数字图像相关法进行影像采集时可能会产生的光学问题,圆形直剪盒可能会造成光反射汇聚于相机镜头,影响拍摄效果,本发明采用方形直剪盒作为上下剪切盒。[0101] 本实施例中,参见图9‑14,图9‑11示出上剪切盒6结构形状,图12‑14示出下剪切盒7结构形状,上下剪切盒均采用方形结构,中央形成制土区,上剪切盒6外轮廓边长9cm,内部制土区边长6cm,四周壁厚为1.5cm,高度为2.5cm,内部制土区贯通,下剪切盒7外轮廓边长12cm,内部制土区边长6cm,高度为4cm,其中内部制土区高度2.5cm,四周壁厚3cm,底部壁厚1.5cm。试验时上下剪切盒安装在直剪仪上,确保上下剪切盒制土区标齐。[0102] 上剪切盒6在其外侧部(图中的右侧)设置有两个螺栓孔17,目的是为了连接限位杆9。两个螺栓孔17直径6mm,距离底部0.5cm,两孔间距3cm,对称分布。[0103] 下剪切盒7同样可在其外侧部(图中的左侧)设置有两个螺栓孔17,目的是为了连接下剪切盒推动器2。两个螺栓孔17直径6mm,距离顶部0.5cm,两孔间距3cm,对称分布。[0104] 本实施例中,参见图4、图15,下剪切盒7底部设有两条限位轨道11,直剪仪100的工作面12上设有导向轨道,导向轨道上带有小钢珠8,每侧导向轨道有6个小滚珠,小滚珠直径6mm,下剪切盒7底部的两条限位轨道11卡装于导向轨道上的小钢珠8上,如此以避免下剪切盒7偏离导向轨道。[0105] 本发明中,完成透明土直剪试验装置的装配,并施加设定重量的法向力包括:[0106] 参见图4,在含散斑面的透明土上方,放置传压板5与小钢球4,传压板5与上加压板3的加压杆对应,传压板5中心自带凸起,该凸起表面为凹形结构,与小钢球4吻合,参见图16,在凸起与上加压板3的加压杆之间放置小钢球4,传力稳定,避免传压板5与上加压板3的加压杆脱离。根据直剪仪杠杆比和试验所需法向力大小,施加设定重量的砝码块,一般地,法向力应不少于四级。[0107] 本发明中,对透明土进行直剪试验,并以数字图像相关法成套设备对透明土进行拍摄包括:[0108] 根据散斑面的位置,架设数字图像相关法成套设备,调整设备高度,保证设备的摄像头正对散斑面,光源选用冷光源;[0109] 调整设备的焦距与曝光度,使直剪盒及散斑面清晰地呈现在设备的摄像头拍摄范围内;[0110] 试验,拍摄,并用设备相关后处理软件进行图像处理、计算与细观分析,通过比较相邻两张物体表面数字图像(即所拍摄的散斑图像)分析变形前后的运动和应变信息,将变形的测量问题转化为一个图像搜索和数字图像识别的计算过程,得到应力、应变或指定路径与范围的形变数据集、曲线与云图,如此实现对土体剪切宏观现象的直观展示和细观机理的量化分析。该方法优势明显:测量全程非接触、数据精度高、对试验环境要求低,易于实现测量全程的自动化。[0111] 具体为,试验记录前,缓慢转动剪切传动手轮1,使下剪切盒推动器2接触下剪切盒7。当水平位移计10百分表指针稍有转动时,开始记录试验数据,并将此时作为试验开始的时刻。[0112] 本发明中,清晰散斑面图像获取是图像处理与分析的基础,图像采集的质量高低是后续软件能否成功分析的前提,故在图像采集过程中应做到如下几点:[0113] ①必须手动对焦,从而保证焦点在图像采集过程中始终定位于散斑面或标志点所在平面。[0114] ②手动设置相关选项,避免图像采集过程中设备自动改变相关参数。[0115] ③图像采集间隔尽可能小(0.5s/张),从而收集足够数量的图像,便于后期分析的筛选。[0116] ④图像存储建议为JPEG和RAW双重格式,JPEG格式图像内存较小,便于查看与筛选图像,RAW格式图像内存较大,保存信息较多,软件分析多采用RAW或由RAW转换的BMP格式。[0117] ⑤保证周围环境稳定,避免因周围光线变化而影响图像采集效果。[0118] ⑥图像采集设备与直剪盒在整个实验过程中要保持相对位置不变,避免因轻微振动而引起焦点定位改变,从而导致前后图像取景不同。[0119] 需要说明,涉及到直剪试验是否需要固结与是否控制排水的问题,应当按照土工试验规程的步骤操作,并按照其设定的标准评判是否达到预设的(不)固结(不)排水条件,本发明的模型试验方法都是适用的,特别地,可以采用PVC热缩膜附于直剪盒内部以开展不排水直剪试验。[0120] 总之,本发明提出的用于数字图像相关法的散斑颗粒制备方法,实现了土体内部变形的可视化监测和土体破坏过程的直接观测,能达到预期的试验效果,并且,透明土可视化直剪结果的获得说明所采用的人工散斑效果好,说明透明土和数字图像相关法的结合是可行的,可以联合推广到更多的试验中。对比普通砂土可视化直剪,透明土可视化直剪突破了拍摄面的限制,可以拍摄任何想要观测的平面,对于构建三维的破坏机制起到了重要作用。[0121] 以上已经描述了本发明的各实施例,上述说明是示例性的,并非穷尽性的,并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下,对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择,旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进,或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。[0122] 虽然在上面论述中包含了若干具体实现细节,但是这些不应当被解释为对本发明的范围的限制。在单独的实施例的上下文中描述的某些特征还可以组合地实现在单个实现中。相反地,在单个实现的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合的方式实现在多个实现中。

专利地区:北京

专利申请日期:2023-05-15

专利公开日期:2024-09-03

专利公告号:CN116577217B


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