[发明专利]三轴试验土样变形的数字图像测量方法及设备

说明书

本发明涉及计算机数字图像识别技术在常规土工三轴试验试样变形测量中的应用。

目前，常规三轴试验方法主要步骤如下：(1)将土切成圆柱体套在橡皮膜内或者直接在橡皮膜内装土成样，放到密封的压力室中。橡皮膜下端绑扎在底座上，上端绑扎在试验帽上，使试样内的孔隙水与压力室内的水完全隔开。孔隙水通过试样下端的透水石与孔隙水压力量测系统连通，或者通过上端透水石与排水管连通。(2)向压力室内施加压力，使试件各向受到周围压力σ₃，并使液压在整个试验过程中保持不变。(3)然后再通过传力杆对试件施加竖向压力，这样，竖向应力就大于水平向应力，当水平向应力保持不变，而竖向应力逐渐增大时，试件受剪破坏。

试样的轴向变形通过量测试样帽的轴向位移获得，反映的是土样总体的轴向变形，据此得到的轴向应变也是试样的轴向平均应变。试样的径向变形是通过测量土样的体积变化换算得到的，而试样的体积变化则通过试样在试验过程中排出的水体体积确定。因此实际上通过试验得到的仅仅是试样的平均体积应变和由此换算得到的试样整体的平均径向应变。但是由于受到刚性试样帽的影响，试验过程中土样的径向变形极不均匀，因此平均的径向变形并不能够准确反映土样的径向应变状态。除此之外常规土工三轴仪在变形测量方面还存在以下缺陷：(1)不能计入土样在三轴仪上成样和饱和过程(安装压力室、加小围压释放吸力、通二氧化碳气体和注水饱和)中土样的体积变形。(2)不能在测量中消除橡皮膜嵌入土样表层孔隙引起排水量变化带来的体积测量误差。(3)不能考虑土样端部约束对土样变形的影响。(4)为了测量径向变形，要求土样必须完全饱和，这不仅费时，而且通常难以做到。(5)对于非饱和土，因为不能通过测排水量的方法确定土样的体积变形，所以也不能直接用于非饱和土的试验。

对试样的径向变形已有的改进测量设备及方法为：(1)日本东京大学龙冈试验室采用局部位移传感器LDT和El-Ruwayih设计的径向应变仪，都是依据导体中阻值的变化来测定试样径向应变。(2)Escario&Uriel采用纯光学手段，通过玻璃外罩的竖直标志线与试样直径的视线在标尺上的读数，来量测试样直径的尺寸。(3)Morgn&Moore将带状铝箔绕在试样周围并用薄层硅脂粘贴在橡皮膜上，利用测微显微镜测读标记间的距离以测定试样周长的变化。(4)Akai&Acadchi通过试样的中间高度处挂上的径向应变指示器来测得直径的变化。(5)David M.Cole依据涡流电流亏损法则，采用卡曼Multi-Vriel传感器来测定三轴试验中的径向变形。如上所述，有很多研究者为了实现三轴试样径向变形的直接测量作了很多努力，但他们所提出的方法或多或少都存在一些不尽如人意的地方。如局部位移传感器LDT和径向应变仪有很高的精度，但难以适应大变形，并且在密封室的水中测量时操作困难；卡曼Multi-Vriel传感器存在的问题是有静态漂移，难以控制测量精度；用测微显微镜记录绕在试样上的带状铝箔标记间的距离，试验过程非常复杂。采用双层压力室，可以在常规三轴仪进行非饱和土的应力应变特性测试，但是试验得到的仍然是土样的平均体积变化，而且试验仪器改制、试验控制和操作都比较复杂。

本发明的目的是提供一种不干扰土样的变形，非接触式直接测量，提高测量精度，对土样的任何部分实现径向变形和轴向变形的同步测量，研究土样局部变形特性与整体变形特性的差异，可以直接测量非饱和土变形的三轴试验土样变形的数字图像测量方法及设备。

本发明的目的是这样实现的：三轴试验土样变形的数字图像测量设备由三轴压缩仪、数字图像采集设备和微型计算机组成。三轴压缩仪的密封外罩为透明钢化玻璃方形密封容器，底座上设定标准直径长度；数字图像采集设备由电荷耦合装置、调焦镜头和扩倍镜组成，电荷耦合装置前端连接扩倍镜和调焦镜头；微型计算机中安装视频采集卡和显示卡，电荷耦合装置的数据传输线接视频采集卡。程序分两个部分：第一部分是象素当量的标定，第二部分是三轴试样变形测量。每个部分都由图像的采集与处理及边缘识别与记录二大模块组成。

三轴试验土样变形的数字图像测量方法为：