[发明专利]一种土工膜水力顶破和颗粒刺破变形测试装置及测试方法

摘要

本发明公开了一种土工膜水力顶破和颗粒刺破变形测试装置及测试方法，包括加压变形模拟装置和三维DIC测量系统；加压变形模拟装置包括加压系统和基座、垫层室、土工膜和压力室；垫层室内填充有土石料；土工膜铺设在土石料顶部，压力室与土工膜围合形成密封腔室；加压系统用于向压力室内提供压力水；土工膜的上表面均匀喷洒有散斑；三维DIC测量系统包括卤素灯、计算机和两个均与计算机相连接的CCD相机。本发明能真实模拟实际工程中土工膜水力顶破作用和垫层土石颗粒对土工膜的刺破作用，详细记录水压力作用下土工膜表面凹凸变形和应变的发展过程，获得土工膜水力顶破和刺破变形抵抗强度以及土工膜下垫层的水力特性。

主权项

1.一种基于三维DIC的土工膜水力顶破和颗粒刺破变形测试方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1，土工膜上散斑喷洒：将裁剪好的土工膜单面均匀喷洒散斑，散斑要求在三维DIC测量系统中记录的数字图像不低于3个像素；步骤2，土石料填充：在垫层室内填充土石料，用于模拟土工膜垫层；步骤3，土工膜放置：将土工膜平铺在步骤2填充的土石料表面，并将喷洒有散斑的一面朝上；步骤4，压力室及加压系统安装：将压力室置于土工膜上方，并使垫层室，土工膜和压力室之间形成密封可拆卸连接；加压系统通过输水管与压力室相连接，并使压力室内注满水体；步骤5，安装卤素灯和CCD相机：将卤素灯同轴安装在压力室的正上方，两个CCD相机对称安装在卤素灯的两侧，两个CCD相机均与计算机电连；调整CCD相机与土工膜之间的距离和放置角度，使土工膜上表面的散斑在三维DIC测量系统中清晰呈像；步骤6，CCD相机的标定：标定时，先将标定板平放在压力室与CCD相机之间，并使标定板的特征面面向CCD相机，多次变换其空间姿态使标定板上的特征图案具有不同的空间位置，CCD相机同时对标定板的每个姿态进行成像，通过图像处理技术识别多个特征点，利用特征点间的空间关系求解相机的内外参数；步骤7，土工膜水力顶破和颗粒刺破变形试验：启动加压系统和三维DIC测量系统，试验过程中加压系统按照设定的加压速率分级加压，记录加压过程，同时对压力室内的水压力进行监测；与此同时，三维DIC测量系统中两个CCD相机按照设定采集速率，对土工膜表面上的散斑进行数字图像拍摄，并将拍摄的数字图像传输给计算机；步骤8，土工膜变形和应变发展过程记录：计算机对拍摄的数字图像进行处理；具体处理方法为：先对同一时刻下两个CCD相机拍摄的散斑的左右两张数字图像进行立体匹配，计算得到左右两张数字图像中对应散斑点的视差，从各散斑点的视差数据和步骤6中已获得的标定后的相机内外参数，实现对土工膜表面三维形貌的重构；然后，对单个相机拍摄的一系列土工膜表面散斑变形的数字图像进行时序匹配，结合时序匹配和立体匹配，可计算得到各散斑点在变形过程中的空间三维坐标，进一步计算变形前后土工膜表面各散斑点的三维坐标，从而获得土工膜水力顶破和颗粒刺破变形的位移分布，也即土工膜在上方水压和下方土石料的顶托作用下的变形和应变发展过程；步骤9，土工膜破裂后，土石料垫层水力特性研究：持续加压，当土工膜被水力顶破或被土石料中砂砾石颗粒刺破时，加压系统自动记录土工膜破坏时压力值且持续稳压，利用出水管上的流量计实时观察记录出水流量，并观察出水是否浑浊；出水至设定时间后，加压系统停止加压，三维DIC测量系统停止工作，取出土工膜，测量记录土石料冲刷坑的形状和大小；步骤10，土工膜厚度选择：更换为不同厚度的土工膜，重复步骤1至步骤8，从而得到不同厚度土工膜在上方水压和下方土石料的顶托作用下的变形和应变发展过程场，获得不同厚度土工膜在水力顶破和刺破变形抵抗强度，根据实际工程设计，选择合适厚度的土工膜。