[发明专利]一种数字图像技术测量砂砾料三轴试样表面膜嵌入量的方法

说明书

一种数字图像技术测量砂砾料三轴试样表面膜嵌入量的方法，属于土工试验技术领域。在常规三轴等压固结试验过程中，获取每级加载固结完成时三轴试样变形后图像，经数字图像相关技术处理后获得三轴试样骨架体积变形，继而根据三轴试样体总排水体积由三轴试样体骨架变形体积与橡皮膜嵌入体积组成这一基本理论推算出橡皮膜嵌入体积随围压变化量。本发明仅需常规三轴试验仪和一台单反相机，设备简便。本发明完全耦合到常规三轴等压固结试验过程中，无需额外辅助试验。该方法属于全表面非接触式测量方法，能够实现对三轴试样体全表面轴向变形和径向变形的非接触式测量，测量过程不会对三轴试样体产生任何干扰，保证后续试验结果准确性，具有良好推广价值。

技术领域

本发明涉及一种数字图像技术测量砂砾料三轴试样表面膜嵌入量的方法，属于土工试验技术领域。

背景技术

为了研究土体力学特性，在各类土工试验中，三轴试验的应用最为广泛，但目前仍存在一些影响试验准确性的因素，例如三轴试样表面橡皮膜的嵌入。在常规三轴试验中，一层橡皮膜覆盖在三轴试样表面，用于隔绝外部施压空间与三轴试样，外部压力通过橡皮膜传递施加在三轴试样上，由于三轴试样中土颗粒填充不均匀，试样表面存在大量孔隙，当有效围压改变时，橡皮膜嵌入到孔隙中的深度也随之改变，这种现象就是橡皮膜的嵌入。在常规固结排水剪切试验中，橡皮膜嵌入将影响试样体积变形的测量；在常规固结不排水剪切或者动强度试验中，橡皮膜嵌入将影响孔隙水压力的发展。由于橡皮膜嵌入的影响，无法准确测量土体材料本身的特性，对后续土工构筑物的设计及安全评价等产生不利影响。目前，只有准确测量出橡皮膜嵌入体积的大小，才能在试验结果的基础上加以修正，减轻甚至消除膜嵌入的影响。现测量膜嵌入量的方法主要有：

(1)局部应变法：该方法是在常规三轴压力室内，布置局部位移传感器，测量试样轴向应变和局部径向应变，计算土体骨架变形。根据整体排水体变计算橡皮膜嵌入量。由于中型三轴压力室内部空间较为狭小，布置多个局部位移传感器难度较大。在试样固结过程中，试样体径向应变的分布是不均匀的，且橡皮膜自身沿厚度方向上弹性变形，均会导致径向变形测量的精确度难以保证。

(2)各向同性假定法：该方法是基于在初始等压固结条件下，三轴试样变形各向同性的假定。该改定认为，在初始等压固结时，轴向应变与径向应变是相等的。这与实际情况存在较大差异，径向应变远大于轴向应变，且不同类型土体差异不尽相同。

(3)内置构件法：该方法是在三轴试样中心位置处，放置与试样等高直径不等的黄铜圆柱构件，利用剩余土体总体积变化与橡皮膜嵌入量之间的线性关系推算实际三轴试样橡皮膜嵌入量。该方法在试样制备时操作难度较大，且难以保证试样土体密度均匀。在试验过程中，由于黄铜圆柱构件存在，增加轴向刚度，轴向变形发展受限，且在构件周围土体存在较为严重的应力集中现象。实际试验结果显示，剩余土体总体积变化与橡皮膜嵌入量之间的并非是线性关系，因为难以推算实际橡皮膜嵌入量。

(4)空心圆柱法：该方法是在常规空心圆柱试验仪上完成，多个试样外径一致，内径不同，由于不同空心圆柱试样表面与橡皮膜接触面积存在一定线性关系，根据不同内径试样总排水体积推算出橡皮膜嵌入量虽围压变化关系。该方法操作难度大，需要对设备进行改进，且仅适用于空心圆柱试验，难以推广到常规三轴试验上。

(5)多尺寸试样法：该方法是根据多个不同尺寸的三轴试样体积变化与橡皮膜接触面积之间的关系推算橡皮膜嵌入量；其中，假定不同尺寸试样在同等受力条件下，变形规律一致。据现有研究，在同等受力条件下，不同尺寸试样体积变形规律是不一样的，据此推算的橡皮膜嵌入量准确性无法保证。同时，该方法需要多台不同尺寸三轴试验仪，试验成本较大。

(6)假样表面附着法：该方法在于实际三轴试样等尺寸混凝土假样表面黏贴土体颗粒，改变围压，测得排水体积即为橡皮膜嵌入量。该方法无法模拟实际三轴试样固结过程中颗粒错动等引起嵌入量的变化。制样过程操作难度较大，同时黏贴过程引入人为因素，难以保证试验结果准确性。

综上所述，在常规三轴试验中，三轴试样橡皮膜嵌入量的测量方法还存在诸多不足。

发明内容