土体拉伸过程中细观结构变化规律测试方法
【专利摘要】本发明公开一种土体拉伸过程中细观结构变化规律测试方法，包括如下步骤：（1）将土体在模具中压实，制得两端为圆柱体夹持端、中间为立方体拉伸段的土体试样，拆模后去除观测面的表层，露出试样的新鲜面；（2）将土体试样的两个夹持端分别固定在与夹持端尺寸相适配的两个拉伸夹具中；（3）先对拉伸装置进行标定，然后设定加载速率，开始施加连续拉伸荷载；（4）在不同的应变状态下，对土体的细部结构图像进行采集；（5）对采集的图像进行融合、拼接处理；（6）提取处理好图像的细观结构参数，进行量化分析。该方法通过对拉伸过程中土体细部结构的观测以及后期的量化分析，有助于分析土体拉伸破坏的机理以及建立拉伸破坏准则。
【专利说明】土体拉伸过程中细观结构变化规律测试方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及岩土工程中的一种测试方法，具体涉及一种土体在拉伸过程中细观结构变化规律的测试方法。
【背景技术】
[0002]在岩土领域中，岩土体的破坏包括压缩剪切破坏及拉伸破坏，近几十年来人们对土的压缩剪切性质的研究已经非常成熟，然而对土体拉伸破坏的研究却还停滞在初步阶段，这主要是由于土体的抗拉强度相对其抗剪强度较小，导致常常被忽略。但是，土体的拉伸破坏却往往直接或间接地导致土工建筑物的失稳或破坏，如地下建筑物的开挖导致上部结构的坍塌，土质边坡在降雨等外力作用下的滑坡，土石坝心墙水力劈裂等，这些灾害产生的前提都是拉应力区土体的破坏。众所周知，土体的宏观力学性能都是其微细观结构变化的反应，所以能够从细观层面上揭示土体拉伸过程中的结构变化，将有助于对土体拉伸性能及拉伸破坏机理更深层次的理解。
[0003]目前对土体拉伸性能的研究主要是在宏观的层面上通过直接或间接的试验方法来测试其抗拉强度，以及干密度、含水率等指标对抗拉强度的影响，并没有一种试验方法能够从细观的层面上结合图像处理技术对土体的拉伸性能进行更深一步的研究，去了解土体在拉伸过程中细观结构的变化规律。
【发明内容】
[0004]发明目的:本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种土体拉伸过程中细观结构变化规律测试方法，以提高在细观层面上对土体拉伸性能的研究水平。
[0005]技术方案:本发明所述的土体拉伸过程中细观结构变化规律测试方法，包括如下步骤:
[0006](I)制作土体试样:将土体在模具中压实，制得两端为圆柱体夹持端、中间为立方体拉伸段的土体试样，两个夹持端与拉伸段之间平滑过渡，且两个夹持端与拉伸段的重心在同一水平线上；拆模后去除土体试样观测面表层，露出新鲜面；
[0007](2)安装土体试样:将土体试样的两个夹持端分别固定在与夹持端尺寸相适配的两个拉伸夹具中；其中一个拉伸位置夹具固定，另一个拉伸夹具在拉力的作用下可自由移动；
[0008](3)施加拉伸荷载:先对拉伸装置进行标定，然后设定加载速率，开始施加连续拉伸荷载；
[0009](4)细观图像采集:在不同的应变状态下，对土体的细部结构图像进行采集；在初步变形阶段图像采集步长设为0.05%，在变形发生较快阶段步长设为0.02% ；
[0010](5)图像处理:基于小波变换原理，对采集的图像进行融合，运用模块匹配技术对融合后的图像进行拼接处理，得到若干张不同拉伸应变下的覆盖整个观测区域的完整清晰的图片；[0011](6)数据分析:分别提取处理好图像的细观结构参数，包括裂隙面积比、裂隙分布分维、颗粒定向度、颗粒圆度和颗粒分布分维，得到了每一个细观结构参数在不同拉伸应变状态下的数值，通过绘制曲线分析细观结构参数在整个拉伸过程中的变化规律。
[0012]步骤(3)中，对拉伸装置的标定方法为:施加荷载，观察位移传感器与力传感器的变化是否同步，若不同步则调整传感器的位置，使施加拉伸荷载时位移传感器与力传感器的变化同步。加载速率根据不同的加载阶段及变形状态进行调整，调整范围为0.01mm/min~0.lmm/min,加载速率在初步阶段可适当调大，可在0.05mm/min~0.lmm/min范围内，在变形发生较快的阶段需要降低到0.0 lmm/min~0.05mm/min范围内。
[0013]步骤(4)中，对土体的细部结构图像进行采集时，每一处观测区域根据不同的景深情况采集3-4幅图像，保证观测区域的每一部分都有清晰的图像。
[0014]裂隙面积比为裂隙的面积与整个面积的比值，在图像上由裂隙分布区域的像素总数与图像总像素数的比值得到，公式为:
[0015]
【权利要求】
1.一种土体拉伸过程中细观结构变化规律测试方法，其特征在于包括如下步骤: (1)制作土体试样:将土体在模具中压实，制得两端为圆柱体夹持端、中间为立方体拉伸段的土体试样，两个夹持端与拉伸段之间平滑过渡，且两个夹持端与拉伸段的重心在同一水平线上；拆模后去除土体试样观测面表层，露出新鲜面； (2)安装土体试样:将土体试样的两个夹持端分别固定在与夹持端尺寸相适配的两个拉伸夹具中；其中一个拉伸位置夹具固定，另一个拉伸夹具在拉力的作用下可自由移动； (3)施加拉伸荷载:先对拉伸装置进行标定，然后设定加载速率，开始施加连续拉伸荷载； (4)细观图像采集:在不同的应变状态下，对土体的细部结构图像进行采集； (5)图像处理:基于小波变换原理，对采集的图像进行融合，运用模块匹配技术对融合后的图像进行拼接处理，得到若干张不同拉伸应变下的覆盖整个观测区域的完整清晰的图片; (6)数据分析:分别提取处理好图像的细观结构参数，包括裂隙面积比、裂隙分布分维、颗粒定向度、颗粒圆度和颗粒分布分维，得到了每一个细观结构参数在不同拉伸应变状态下的数值，通过绘制曲线分析细观结构参数在整个拉伸过程中的变化规律。
2.根据权利要求1所述的土体拉伸过程中细观结构变化规律测试方法，其特征在于:步骤(3)中，对拉伸装置的标定方法为:施加荷载，观察位移传感器与力传感器的变化是否同步，若不同步则调整传感器的位置，使施加拉伸荷载时位移传感器与力传感器的变化同步。
3.根据权利要求1所述的土体拉伸过程中细观结构变化规律测试方法，其特征在于:步骤(3)中，加载速率根据不同的加载阶段及变形状态进行调整，调整范围为0.01mm/min ~0.lmm/min。
4.根据权利要求1所述的土体拉伸过程中细观结构变化规律测试方法，其特征在于:步骤(4)中，对土体的细部结构图像进行采集时，每一处观测区域根据不同的景深情况采集3-4幅图像，保证观测区域的每一部分都有清晰的图像。
5.根据权利要求1所述的土体拉伸过程中细观结构变化规律测试方法，其特征在于:步骤(6)中，裂隙面积比为裂隙的面积与整个面积的比值，在图像上由裂隙分布区域的像素总数与图像总像素数的比值得到，公式为:
6.根据权利要求1所述的土体拉伸过程中细观结构变化规律测试方法，其特征在于:步骤(6)中，裂隙分布分维为裂隙的分布情况，计算裂隙的维数时采用盒维法: 首先将一幅含有裂隙的图像，采用不同的边长为h r2, r3,的正方形将图像分别分割成一个含有 GVr1) X GVr1), (Lfr2) X (Wr2), (L/r3) X (L/r3),…，(L/rn) X (L/rn)个正方形的网格，并分别统计每次分割后裂隙所占有的格子总数N，r与N之间存在如下的关系: N~r_K，式中K即为裂隙维数； 根据统计的结果将N和r的关系绘制于双对数坐标系中，得到lgN(r)-lg(r)曲线，该曲线呈线性，其斜率即为K。
7.根据权利要求1所述的土体拉伸过程中细观结构变化规律测试方法，其特征在于:步骤(6)中，颗粒定向度是从方向的角度来反映颗粒的排列情况，按如下公式进行定向度计算:
8.根据权利要求1所述的土体拉伸过程中细观结构变化规律测试方法，其特征在于:步骤(6)中，颗粒圆度是描述目标形状接近圆形的程度，其计算公式为:
9.根据权利要求1所述的土体拉伸过程中细观结构变化规律测试方法，其特征在于:步骤(6)中颗粒分布分维用于描述颗粒的空间分布状态，其计算方法与裂隙分布分维的相同。`
【文档编号】G01N3/08GK103743624SQ201310713242
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年12月20日 优先权日:2013年12月20日
【发明者】崔猛, 易进翔, 洪宝宁, 刘鑫, 方庆军, 朱俊杰 申请人:河海大学