一种测定边坡三维破坏过程的可视化试验装置及使用方法与流程

本发明涉及测定边坡三维破坏过程的可视化试验装置及使用方法，属于岩土工程可视化试验技术领域。

背景技术：

边坡破坏是指边坡上的土体或岩体，受河流冲刷、地下水活动、雨水浸泡、地震及人类活动等因素影响，在重力作用下，沿贯通的剪切破坏面，整体或分散地顺坡向下滑动的现象。由于边坡一般体量较大，一旦发生破坏，往往会造成大量的生命和财产损失。随着近些年我国尤其是西南地区工程建设的发展，边坡破坏问题变得越发严重，引起了越来越多的重视。对于边坡破坏形态和破坏机理的研究虽然众多，但由于边坡形态和组成土体复杂而不可忽视，对边坡破坏形态和破坏过程的研究仍较为欠缺。边坡破坏形态和破坏过程的确定，可使得边坡破坏的规模、剪切破坏力、安全系数等重要参数得以确定，对于边坡稳定性分析的精确化和边坡工程安全有至关重要的意义。因此，寻求一种可视化观测边坡破坏过程的试验装置及其使用方法，是相关技术人员努力追求的方向之一。

在本发明专利之前，已有相关学者对边坡破坏的滑裂面进行研究分析。中国发明专利(申请号：201410394985.0)公开了一种实验室内挡土墙被动破坏的三维滑面测试方法。通过在挡土结构物中植入脆性细泡沫塑料杆，随后对挡土结构模型施加侧向压力至被动破坏，记录泡沫塑料杆断裂点坐标，以得到三维滑裂面形态。然而该方法在模型制作过程中难度系数较大，且无法观测结构破坏的动态过程。

部分研究者使用安装在模型箱顶部的高清摄像机记录动力作用下边坡模型的破坏过程以及不同坡面形态对边坡变形的影响，但上述方法只对坡面进行观测，无法观测坡体内部变形。部分研究者通过在边坡模型侧面嵌入不同颜色土颗粒，使用摄像机记录试验过程中模型的变化，再使用分析软件确定测点在录像中的相关点并得出实际位移；然而上述方法仅能适用于二维边坡破坏形态的研究，无法获得三维边坡的破坏过程。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种测定边坡三维破坏过程的可视化试验装置及使用方法，采用圆球彩色颗粒，在边坡稳定滑动面确定过程中易于确定测点的中心位置坐标。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种测定边坡三维破坏过程的可视化试验装置，包括透明模型箱、位于透明模型箱内的混合料试样和成像系统，所述混合料试样的上方设有加载垫片，加载垫片与加载系统连接，加载系统与电脑连接，所述成像系统位于透明模型箱外，对混合料试样实时摄像，成像系统与电脑连接。

作为优选，所述透明模型箱包含相邻两侧面的透明玻璃和刚体材料制成的刚体面，所述刚体面的内侧为白色，在刚体面的内侧上绘制有均匀的网格线，所述透明玻璃外设有成像系统。

作为优选，所述成像系统包含三台摄像机，三台摄像机正交分布，一台位于透明模型箱顶部，其余两台位于透明玻璃的外侧，三台摄像机与电脑连接。

作为优选，所述混合料试样包含透明土颗粒、孔隙液体和彩色颗粒，所述透明土颗粒分层分布，在相邻两层的透明土颗粒之间布置有彩色颗粒，所述彩色颗粒的密度为透明土颗粒密度的0.9～1.1倍，彩色颗粒粒径尺寸为2～5mm，透明土颗粒和彩色颗粒不与孔隙液体发生化学反应，彩色颗粒按透明模型箱宽度方向均匀布置，孔隙液体填充在透明模型箱内，高于透明土颗粒顶部0.5～1cm。

作为优选，所述透明模型箱的宽度尺寸范围为20～40cm。

一种上述的测定边坡三维破坏过程的可视化试验装置的使用方法，包括以下步骤：

(1)把透明模型箱放置在平整的试验平台上，在其内部分层填入透明土颗粒；

(2)在每一个分层透明土颗粒表面布置彩色颗粒；

(3)在制备好的透明土颗粒边坡模型顶部中间位置设置竖向加载垫片；

(4)往透明模型箱内部注入透明土孔隙液体，使其液面高出透明土颗粒顶部0.5～1cm；

(5)在透明模型箱三个垂直正交的方向安装摄像机；

(6)连接透明模型箱顶部的加载系统和成像系统；

(7)开启电脑，设定加载系统的加载速率进行三维边坡破坏试验，并进行同步摄像；

(8)加载至三维边坡出现显著的破坏特征，停止试验；

(9)通过视频处理软件，获得不同时刻模型在三个正交方向的图片，采用图像分析软件对图像进行分析，获得彩色颗粒的空间位置坐标，通过三维成像软件绘制边坡三维动态破坏形态。

本发明通过三台正交的摄像机实时的拍摄混合料试样的试样过程，并将图像实时的传送到电脑中存储，而且由于混合料试样中采用彩色颗粒和透明土颗粒，能够实时的拍摄彩色颗粒的运动轨迹，通过透明模型箱上设置的白色网格线，通过对比，可以计算出彩色颗粒位于空间位置，能够精确的计算出彩色颗粒的空间坐标，在试验完成后，通过图像处理软件绘制混合料试样三维动态破坏形态。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)白色刚体材料侧面绘制均匀的网格线和有机玻璃，有利于图像分析过程中进行测点的定位；

(2)采用圆球彩色颗粒，在边坡稳定滑动面确定过程中易于确定测点的中心位置坐标；

(3)通过相互正交的空间图像，可以获得空间测点坐标，得到三维边坡在加载过程中的空间破坏过程。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为透明模型箱的结构示意图。

图3为混合料试样示意图。

具体实施方式

如图1至图3所示，一种测定边坡三维破坏过程的可视化试验装置，由透明模型箱1、混合料试样2和成像系统3组成，透明模型箱1由两侧透明玻璃4和三面刚体材料制成的刚体面5组合而成，刚体材料制成的刚体面5内侧面为白色且绘制均匀的网格线6，模型箱顶部安装可以进行位移/应力控制的加载系统7，透明模型箱1的宽的尺寸范围为20～40cm；所述的混合料试样2采用透明土颗粒9、孔隙液体10和彩色颗粒8组成；所述的成像系统3由图像采集设备、图像分析软件和三维成像软件构成，图像采集设备为三台摄像机。

混合料试样2中的彩色颗粒8密度为透明土颗粒9的密度0.9～1.1倍，粒径尺寸为2～5mm，其性质稳定与常用的透明土孔隙液体10不发生化学反应；彩色颗粒8在透明土中分层按宽度方向均匀分布。

所述的成像系统3由图像采集设备、图像分析软件和三维成像软件构成，图像采集设备由三组正交的摄像机11组成，通过软件实现同步采集，基于三组正交的图像通过图像分析软件获得每个彩色颗粒8的空间坐标，基于彩色颗粒8的当前坐标与原始坐标关系采用三维成像软件绘制边坡三维动态破坏形态。

所述的一种测定边坡三维破坏过程的可视化试验装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)把透明模型箱1放置在平整的试验平台上，在其内部分层填入透明土颗粒9；

2)在每一个分层透明土颗粒9表面布置彩色颗粒8；

3)在制备好的透明土颗粒边坡模型顶部中间位置设置竖向加载垫片12；

4)往透明模型箱1内部注入透明土孔隙液体10，使其液面高出透明土颗粒9顶部0.5～1cm；

5)在透明模型箱1三个垂直正交的方向安装摄像机11；

6)连接透明模型箱顶部的加载系统7和成像系统3；

7)开启电脑，设定加载系统7的加载速率进行三维边坡破坏试验，并进行同步摄像；

8)加载至三维边坡出现显著的破坏特征，停止试验；

9)通过视频处理软件，获得不同时刻模型在三个正交方向的图片，采用pivview等图像分析软件对图像进行分析，获得彩色颗粒8的空间位置坐标，通过三维成像软件绘制边坡三维动态破坏形态。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。