一种快速确定大型三维物理模型放样点位置的放样方法与流程

本发明涉及应用于大型岩土(地质)三维物理模型试验的测量定位技术领域，尤其是一种快速确定大型三维物理模型放样点位置的放样方法。

背景技术：

物理模型试验是研究岩土体(或地质体)力学特性、变形特性的重要技术手段，物理模型与原型对象的几何尺寸比值称为物理模型的几何相似比或是比例尺。比例尺越大，模型缩小的比率越小，模型越接近于原型，越有利于获得接近于原型的试验数据。因此在确定了待研究的原型岩土体(或地质体)后，通常希望容纳试验模型的试验平台尺寸越大越好。国内已经建设完成的三维物理模型试验平台的尺寸也越来越大，如浙江大学的三维模型综合试验平台的尺寸是10m(长)×5m(宽)×6m(高)，三峡大学土木与建筑学院的大型三维模型试验平台尺寸达到12m(长)×6m(宽)×6m(高)。通常称几何尺寸在两个及以上方向上超过5米的三维模型称之为大型三维模型。

容纳上述大型三维物理模型的试验平台由于尺寸比较大，其结构形式通常是四边是固定的边墙，可开用于进出的门或观察窗，上部空间开放，形状如无盖的盒子。因为三维模型尺寸较大，目前模型制作放样常采用工程施工中现场放样的方法，放样工作大多数是基于全站仪实现的。在实际操作中，发现现有方法存在许多不足之处：

(1)基点的选择难题

利用全站仪进行空间点的定位首先需要一个基点，所有需要放样定位的点都需要转换成到这个基点的距离和方位角才能进行放样定点，放样过程中全站仪要始终安置在基点上。

如果这个基点设置在模型槽内，会挤占模型槽空间，在试验过程中，也很难保护基点不受破坏，这样在进行多组相同模型的平行对比试验时，很难用这种放样方法获得相同的三维模型。如果基点设置在模型槽外，可能的位置只能是模型槽的上部空间，放样的时候，全站仪的照准部(望远镜)必须向下瞄准目标，而向下倾角通常不能超过45°，因此采用全站仪从模型槽上部放样会有观察盲区。如果放样区域在模型槽底部，且模型槽较深，盲区范围甚至会超过50％。

(2)操作过程低效

采用全站仪放样，要将每个点的位置转换成放样要素，就是放样点相对全站仪所在基点的距离和方位角。放样时根据这个距离和方位角，先将棱镜初次安置，然后测距测角，根据这个实测距离和方位角算出目标点与棱镜初次安置位置的偏移距离和方向。确定目标点位置后，再将棱镜安置在目标点，测量目标点与基点之间的高程，然后根据目标点放样高程和现有高程算出在该点上模型应该增加(或降低)的高度。整个放样流程效率很低，且放样质量难以控制。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种快速确定大型三维物理模型放样点位置的放样方法，无需使用全站仪即可完成放样点的快速确定，大大简化了放样流程，定点过程简单快速。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种快速确定大型三维物理模型放样点位置的放样方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：布置放样基点：在容纳大型三维物理模型的试验平台的上部边缘布置至少三个处于同一高程的放样基点；

步骤2：选择三个放样基点进行放样：从步骤1布置的放样基点中选择三个放样基点进行放样，所选择的三个放样基点构成的基准三角形的三个内角均不小于30°；

步骤3：以试验平台的长宽高方向作为三维坐标系三个坐标轴方向，测量步骤2选定的各个放样基点在所述三维坐标系中的三维坐标(xb,yb,zb)；

步骤4：将大型三维物理模型内目标放样点Mi的坐标转换成步骤3确定的试验平台三维坐标系下的三维坐标(xi,yi,zi)，

根据公式

分别计算步骤3的三个放样基点中的各个放样基点到目标放样点Mi之间的距离(D1，D2，D3)；

步骤5：确定放样点位置，进行放样：采用距离交会的方法确定放样点的空间位置，放样时，从步骤2选定的三个放样基点分别引出三根放样拉线，三根放样拉线的端头连接在同一放样圆环上，所述放样圆环的半径为R，当三根放样拉线拉出的长度分别达到D1-R，D2-R，D3-R时，所述放样圆环的中心为大型三维物理模型内目标放样点Mi的放样位置，即可进行放样。

放样圆环的半径小于10毫米。

步骤5中三根放样拉线拉出的适时长度由安装于试验平台外部的拉线式位移传感器进行测量。

测量方法为：

步骤5-1：在试验平台的上部边缘处的步骤1确定的各放样基点位置分别安装引线板，在引线板上开设引线孔供安装于试验平台外部的拉线式位移传感器的钢丝拉线进出，各引线孔的位置即是各放样基点的位置，拉线式位移传感器通过导线与计算机连接；

步骤5-2：通过标定点标记确定拉线式位移传感器的钢丝拉线初始值：在试验平台的边墙上设置多个标定点标记，选择其中的一个标定点标记作为单次放样的标定点标记；

步骤5-3：将放样圆环拉至步骤5-2所选择的单次放样的标定点标记，放样圆环与拉线式位移传感器的三根钢丝拉线的端头连接，三根钢丝拉线分别穿过步骤2所选择的三个放样基点的引线孔，确保拉线紧绷，由计算机记录下该状态下三个放样基点上拉线式位移传感器的位移值(L10，L20，L30)；

步骤5-4：进入放样状态后，拉线式位移传感器实时采集到的位移值(L1，L2，L3)减去步骤5-3标定时记录下的位移值(L10，L20，L30)，再加上步骤2所选择的三个放样基点到步骤5-2所选择的单次放样的标定点标记的距离(Ds1，Ds2，Ds3)，即得到各钢丝拉线对应的放样拉线拉出的适时长度。

试验平台的边墙顶部安装有计算机显示屏。

本发明提供的一种快速确定大型三维物理模型放样点位置的放样方法，有益效果如下：

1、无需使用全站仪即可完成放样点的快速确定，大大简化了放样流程，定点过程简单快速模型放样前所有放样点的放样要素(到三个放样基点的距离D1，D2，D3)均已计算完毕，放样过程中没有重新计算的工作流程；

2、采用三线距离交会定点，定点过程简单快速；

3、基点处于模型试验平台上部空间，对模型试验干扰少，利于基点的保护。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明方法的示意图，大型模型试验平台为模型槽结构形式；

图2为本发明方法使用拉线式位移传感器时的安装示意图；

图3为本发明方法步骤4中三根放样拉线的端头连接在同一放样圆环上的示意图；

图4为本发明步骤5-3中将放样圆环拉至步骤5-2所选择的单次放样的标定点标记的示意图。

具体实施方式

如图1所示，容纳大型三维物理模型的试验平台1通常采用模型槽的结构，即模型平台四面是边墙，上部开放，边墙上常开可供人进出的工作门，模型槽周围常架设工作架，试验人员可以从模型槽边墙上方观察模型试验过程。

一种快速确定大型三维物理模型放样点位置的放样方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：布置放样基点2：在容纳大型三维物理模型的试验平台1的上部边缘布置至少三个处于同一高程的放样基点2；

步骤2：选择三个放样基点2进行放样：从步骤1布置的放样基点2中选择三个放样基点2进行放样，所选择的三个放样基点2构成的基准三角形3的三个内角均不小于30°；

步骤3：以试验平台1的长宽高方向作为三维坐标系三个坐标轴方向，测量步骤2选定的各个放样基点2在所述三维坐标系中的三维坐标xb,yb,zb；

步骤4：将大型三维物理模型内目标放样点Mi的坐标转换成步骤3确定的试验平台三维坐标系下的三维坐标(xi,yi,zi)，

根据公式

分别计算步骤3的三个放样基点2中的各个放样基点2到目标放样点Mi之间的距离D1，D2，D3；

步骤5：确定放样点位置，进行放样：采用距离交会的方法确定放样点的空间位置，放样时，从步骤2选定的三个放样基点2分别引出三根放样拉线4，三根放样拉线4的端头连接在同一放样圆环7上(如图3所示)，所述放样圆环7的半径为R，当三根放样拉线4拉出的长度分别达到D1-R，D2-R，D3-R时，所述放样圆环7的中心为大型三维物理模型内目标放样点Mi的放样位置，即可进行放样。

放样圆环7的半径小于10毫米。

步骤5中三根放样拉线4拉出的适时长度由安装于试验平台1外部的拉线式位移传感器8进行测量，其安装方式如图2所示。

测量方法为：

步骤5-1：在试验平台1的边墙13上部边缘处的步骤1确定的各放样基点2位置分别安装引线板12，在引线板12上开设引线孔9供安装于试验平台1外部的拉线式位移传感器8的钢丝拉线10进出，各引线孔9的位置即是各放样基点2的位置，拉线式位移传感器8通过信号线14与计算机连接；

步骤5-2：通过标定点标记确定拉线式位移传感器8的钢丝拉线10初始值：在试验平台1的边墙上设置多个标定点标记5，选择其中的一个标定点标记作为单次放样的标定点标记11；

步骤5-3：将放样圆环7拉至步骤5-2所选择的单次放样的标定点标记11，放样圆环7与拉线式位移传感器8的三根钢丝拉线10的端头连接，三根钢丝拉线10分别穿过步骤2所选择的三个放样基点2的引线孔(如图4所示)，确保拉线紧绷，由计算机记录下该状态下三个放样基点2上拉线式位移传感器8的位移值L10，L20，L30；

步骤5-4：进入放样状态后，拉线式位移传感器8实时采集到的位移值L1，L2，L3减去步骤5-3标定时记录下的位移值L10，L20，L30，再加上步骤2所选择的三个放样基点2到步骤5-2所选择的单次放样的标定点标记11的距离Ds1，Ds2，Ds3，即得到各钢丝拉线10对应的放样拉线4拉出的适时长度。

试验平台1的边墙顶部安装有计算机显示屏6，可以及时观察到各钢丝拉线10长度变化，方便试验人员判断目标点的方向。