[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

摘要

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。

主权项

1.一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，其特征在于，包括如下步骤：(a)采用新型中型可视化三轴试验设备，按《土工试验规程》中常规试验方法制备饱和的砂砾料三轴试样，制样控制指标是相对密实度；在三轴试样安装过程中使用的橡皮膜经过散斑处理；所述新型中型可视化三轴试验仪是在传统中型三轴试验设备上进行改进，将传统压力室外罩改造成带有可视化窗口压力罩，内置LED环状灯带；(b)按《土工试验规程》对步骤(a)制备所得的饱和砂砾料三轴试样进行常规固结排水试验，固结围压从初始围压值30kPa分多级加载至目标围压值500kPa；待每级加载固结稳定后，拍摄三轴试样变形后图像，再进行下一级加载，按此步骤加载至目标围压值；其中，固结稳定标准为5min内三轴试样总排水体积变化幅值小于0.01cm³；(c)待步骤(b)中固结试验完成后，利用数字图像处理技术处理等压固结过程中每级加载完成后试样变形前后图像，获取三轴试样轴向应变和径向应变，最终计算得到膜嵌入量V_m；计算过程具体步骤为：1)等压固结过程中，三轴试样总排水体积V_t由高精度电子天平体变测量系统测得；2)等压固结过程中，三轴试样骨架变形V_k则由数字图像处理技术对固结过程中每级加载完成后试样变形前后图像处理后测得，实现对于三轴试样全表面轴向与径向变形的非接触式测量；三轴试样骨架变形V_k计算具体步骤为：i)为了避免将橡皮膜表面嵌入变形及橡皮膜自身沿三轴试样径向变形计入骨架径向变形中，需根据级配特征参数d₅₀确定分层高度，根据公式(1)确定实际分层数n；n＝H/d₅₀                  (1)其中，H为三轴试样原始高度；d₅₀为三轴试样级配平均粒径尺寸；ii)利用数字图像处理技术处理试样变形前后图像；当围压为30kPa是，三轴试样处于初始状态，将此状态时三轴试样图片设置为参考图像，此状态下三轴试样骨架轴向应变和骨架径向应变均为0；后续各级加载完成后所获取的图像均参照参考图像进行变形计算，分别计算三轴试样骨架轴向应变和骨架径向应变，所述三轴试样骨架轴向应变和骨架径向应变均为全量值；其中，三轴试样各层骨架径向应变分为左侧骨架径向应变和右侧骨架径向应变两部分；在计算三轴试样骨架轴向应变时，用三轴试样骨架整体平均轴向应变代替各层骨架局部轴向应变用于计算骨架体积应变；三轴试样骨架体积应变由骨架平均轴向应变，左侧骨架径向应变和右侧骨架径向应变求和得到；根据公式(2)、(3)计算确定三轴试样骨架变形体积V_k：其中，V₀是三轴试样原始体积；Vⁱ₀是三轴试样分层后各层原始体积；ε_a是三轴试样骨架平均轴向应变；εⁱ_r‑left是三轴试样各层左侧骨架径向应变；εⁱ_r‑right是三轴试样各层右侧骨架径向应变，V_k是三轴试样骨架变形体积；3)膜嵌入量V_m由三轴试样总排水体积V_t与三轴试样骨架变形体积V_k两者差值确定，根据公式(4)计算橡皮膜嵌入体积V_m：V_m＝V_t‑V_k。              (4)