土体剪切破坏四维动态定量分析的试验方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种±体剪切破坏四维动态定量分析的试验方法，属于±木工程室内 测试技术领域。
【背景技术】
[0002] ±体的剪切破坏机理一直是国内外学者研究的热点，我国研制和引进了许多±体 微细结构的试验方法，如；压隶法、磁化率法、扫描电子显微镜分析法（SEM)、计算机断层扫 描分析法（CT)、微结构光学测试系统（MOT巧等，该些试验方法的研制和引进为深入研究± 体的剪切破坏机理提供了途径。然而，现有的各类±体微细结构试验方法均存在不足，无法 实现四维动态定量的试验分析，给出四维动态定量分析试验方法无疑将使揭示±体破坏机 理研究更进一步。
[0003] 尽管前人在光学测试、CT测试方面开展了卓有成效的研究，取得了不少成果，但受 测试仪器、测试技术等因素限制，两种方法仍均有不足：
[0004] (1)在光学测试方面，微细结构光学测试系统（MOT巧在岩±材料微细结构连续跟 踪、定量观测方面有较大优势。然而，光学观测只能提供光所覆盖部分的信息，因此该方法 提供的是二维平面观测数据（±样为半圆柱样），未能获取±体=维微细结构信息，±体结 构用S维空间来描述显然更具优势。
[0005] (2)在CT测试方面，传统CT测试机（多借用医学CT机）在获取±体材料的微细 结构S维信息方面已逐步被高性能Micro-CT机所替代。尽管如此，目前的Micro-CT机仅 对±体在某一特殊状态下进行扫描（如试验开始前、试验结束后），该测试手段仍然不能连 续测试岩±材料在荷载下微结构的真实变化状况（其他试验手段也是如此，如SEM法等）， 因此也无法从时间上考虑岩±材料微颗粒及孔隙的实际位移变化信息。事实上，岩±材料 受荷下的变形破坏是一个原生结构逐渐破坏、次生结构逐渐形成的过程，是一个动态变化 的过程，根据试样某一阶段或破坏结果的微结构变化来推论其在受力状态下的变化规律， 必有其局限性，也只能停留在定性和逻辑分析上。
【发明内容】
[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供一种±体剪切破坏四维动态定量分析的试验 方法，该方法基于二维光学测试技术和Micro-CT S维测试技术，是一种可用于±体剪切破 坏过程中四维（空间=维、时间维）动态定量分析的试验方法。
[0007] 本发明为解决上述技术问题采用W下技术方案
[000引本发明提供一种±体剪切破坏四维动态定量分析的试验方法，包括W下具体步 骤：
[0009] 步骤1，在±体加载剪切过程中，基于二维光学测试技术，获取±体的基于时间维 的二维平面动态变化特征；
[0010] 步骤2，在±体加载剪切过程中，根据设定的时间间隔暂停加载，基于转台式扫描 技术、采用X射线探测器对±体进行Micro-CT测试，获取±体的S维空间静态特征；
[0011] 步骤3,在Micro-CT测试结束后，立即继续加载，并继续同步进行二维光学测试获 取±体的基于时间维的二维平面动态变化特征；
[0012] 步骤4,按照步骤1至3,交替进行二维光学测试与Micro-CT测试，直至±体剪切 破坏；
[0013] 步骤5,建立光孔透射配准模型，将获取的基于时间维的二维平面动态变化特征与 =维空间静态特征进行空间配准，根据两者之间相同标记点的动态变化，将基于时间维的 二维平面动态变化特征通过空间配准关系与=维空间静态特征对接，使基于时间维的二维 平面动态变化特征与=维空间静态特征融合，获得基于时间维的±体=维空间动态变化特 征，从而实现±体剪切破坏过程中的四维动态定量分析试验。
[0014] 作为本发明的进一步优化方案，步骤1中基于二维光学测试技术，获取±体剪切 过程中基于时间维的二维平面动态变化特征，具体为；采用高放大倍数的长距离显微镜 CCD光学摄像头，配W高分辨率的数字图像采集系统，同步连续拍摄±体剪切过程中的照 片，从而获取基于时间维的二维平面动态变化特征。
[0015] 作为本发明的进一步优化方案，上述高放大倍数的长距离显微镜CCD光学摄像头 的放大倍数为20?500倍。
[0016] 作为本发明的进一步优化方案，步骤2中X射线探测器为日本滨松Hamamatsu的 C7942CA-02基于CMOS的平板探测器。
[0017] 作为本发明的进一步优化方案，步骤2中转台式扫描技术具体为；使用一个电控 旋转台完成旋转功能，利用X维、y维、Z维电控平移台实现被扫描±体的S维空间位置的调 整。
[001引本发明采用W上技术方案与现有技术相比，具有W下技术效果；本发明基于二维 光学测试技术与Micro-CT S维测试技术，将获取的基于时间维的二维光学数据（时间维、 空间二维）与Micro-CT S维数据（空间S维）进行空间配准、对接、融合，获得基于时间维 的±体=维空间动态变化特征，实现±体剪切破坏过程中四维（空间=维、时间维）的动态 定量分析试验。
【附图说明】
[0019] 图1是本发明的方法流程图。
[0020] 图2是本发明的四维动态测试装置的俯视图。
[002U 其中；1-Micro-CT射线源；2-半圆柱±样；3-中央旋转控制平台；4-X维控制器； 5-y维控制器；6-X射线；7-Y射线平板探测器；8-CCD摄像头；9-防护铅板；10-CCD平面。
[0022] 图3是二维光学测试的坐标系与Micro-CT S维测试的联合坐标系示意图。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0024] 图1为本发明的方法流程图，在前文的
【发明内容】
中已经具体阐述，该里不再寶述。
[0025] 下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步阐述：
[0026] 首先，如图2所示，构建好测试装置，并制备半圆柱形±样。
[0027] 其次，在加载剪切过程中，基于二维光学测试技术，获取±体剪切过程中基于时间 维的二维平面动态变化特征。
[002引再次，±体加载剪切过程中，根据设定的时间，如时间ti，暂停加载，立即启动 Micro-CT，基于转台式扫描技术，采用X射线探测器对±样进行Micro-CT旋转扫描测试；
[0029] 再次，在^(:饼-押对上样进行旋转扫描结束后（记时间消耗为tj立即继续 加载，加载过程中同步进行光学观测，加载到设定的时间t,后，停止加载，随后继续进行 Micro-CT测试，如此反复直至试验结束；
[0030] 再次，构建光孔透射配准模型，建立二维光学测试坐标系与Micro-CT S维测试的 联合坐标系，将基于时间维的二维平面动态变化特征与获取的S维空间静态特征进行空间 配准，即在数据处理过程中，根据二维光学图像与Micro-CT S维数据相同标记点的动态变 化，将光测变化通过空间配准关系对应于Micro-CT S维数据，从而实现光学数据（空间二 维、时间维）与Micro-CT数据（空间S维）融合，实现±体剪切破坏过程中四维动态定量 分析试验。
[0031] 构建的光孔透射配准模型与空间配准过程如下：
[0032] (1)二维光学测试的坐标系与Micro-CT S维测试的联合坐标系，如图3所示。其 中，二维光学测试的坐标系为M-巧z，Micr〇-CT S维测试的坐标系为0-巧Z，两者共用y轴；
[0033] (2)构建光孔透射配准模型，对光学CCD相机建模，如图3所示。该模型中，CCD透 镜等效为光屯、M，CCD所在平面称为像平面EFGH，像平面EF(ffl中屯、交y轴N点，聚焦清晰时 ±样所在平面称为焦平面ABCD ;
[0034] (3)对于±样表面上的一配准点P，其空间位置可W用Micro-CT数据确定，即其空 间位置的Micro-CT坐标值是已知的，表示为（XcT，ycT，ZCT)，从该点透射出的可见光经透镜光 屯、映射到CCD的P'点，点P和点P' -一对应；
[0035] (4)因光学/Micro-CT融合系统安装在同一个标准的光学平台上，描述两个坐标 系（M-xyz、〇-xyz)之间关系的S个平移量和S个旋转量，可W省略两个平移量和S个旋转 量，只考虑关于y轴的平移量；
[0036] (5)Micro-CT坐标原点0在光学坐标下的坐标值为（Cy, Cy, cj，则配准点P在光学 坐标系的立维坐标为
【主权项】
1. 土体剪切破坏四维动态定量分析的试验方法，其特征在于，包括以下具体步骤： 步骤1，在土体加载剪切过程中，基于二维光学测试技术，获取土体的基于时间维的二 维平面动态变化特征； 步骤2,在土体加载剪切过程中，根据设定的时间间隔暂停加载，基于转台式扫描技术、 采用X射线探测器对土体进行Micro-CT测试，获取土体的三维空间静态特征； 步骤3,在Micro-CT测试结束后，立即继续加载，并继续同步进行二维光学测试获取土 体的基于时间维的二维平面动态变化特征； 步骤4,按照步骤1至3,交替进行二维光学测试与Micro-CT测试，直至土体剪切破坏； 步骤5,建立光孔透射配准模型，将获取的基于时间维的二维平面动态变化特征与三维 空间静态特征进行空间配准，根据两者之间相同标记点的动态变化，将基于时间维的二维 平面动态变化特征通过空间配准关系与三维空间静态特征对接，使基于时间维的二维平面 动态变化特征与三维空间静态特征融合，获得基于时间维的土体三维空间动态变化特征， 从而实现土体剪切破坏过程中的四维动态定量分析试验。
2. 根据权利要求1所述的土体剪切破坏四维动态定量分析的试验方法，其特征在于， 步骤1中基于二维光学测试技术，获取土体剪切过程中基于时间维的二维平面动态变化特 征，具体为：采用高放大倍数的长距离显微镜CCD光学摄像头，配以高分辨率的数字图像采 集系统，同步连续拍摄土体剪切过程中的照片，从而获取基于时间维的二维平面动态变化 特征。
3. 根据权利要求2所述的土体剪切破坏四维动态定量分析的试验方法，其特征在于， 高放大倍数的长距离显微镜CCD光学摄像头的放大倍数为20?500倍。
4. 根据权利要求1所述的土体剪切破坏四维动态定量分析的试验方法，其特征在于， 步骤2中X射线探测器为日本滨松Hamamatsu的C7942CA-02基于CMOS的平板探测器。
5. 根据权利要求1所述的土体剪切破坏四维动态定量分析的试验方法，其特征在于， 步骤2中转台式扫描技术具体为：使用一个电控旋转台完成旋转功能，利用x维、y维、z维 电控平移台实现被扫描土体的三维空间位置的调整。
【专利摘要】本发明公开了一种土体剪切破坏四维动态定量分析的试验方法，首先基于二维光学测试技术，获取土体剪切过程中基于时间维的二维平面动态变化特征；间隔设定的时间，基于转台式扫描技术，采用X 射线探测器对土样进行Micro-CT测试，获取土体三维空间静态特征；建立光孔透射配准模型，将二维光学数据与三维Micro-CT数据进行空间配准；根据二维光学数据与三维Micro-CT数据相同标记点的动态变化，将二维平面变化数据通过空间配准关系与Micro-CT三维空间数据对接，获得基于时间维的土体三维空间动态变化特征，实现土体剪切破坏过程中四维动态定量分析试验。
【IPC分类】G01N3-24, G01N3-06
【公开号】CN104596869
【申请号】CN201510053232
【发明人】刘鑫, 洪宝宁
【申请人】河海大学
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2015年2月2日