一种基于数字图像测量的三轴土样外部双向变形及内部变形场计算方法与流程

本发明属于岩土工程领域，涉及一种基于数字图像测量的三轴土样变形计算方法，主要应用于土工三轴试验，具体包括基于数字图像测量的土样外部双向变形计算方法和基于数字图像测量的三轴土样内部变形场计算方法。

背景技术：

三轴试验是确定土体强度参数的依据，也是解决复杂土工问题的重要手段。长期以来，三轴土样的轴向变形是依据加载杆与加载基座之间的位移量来间接确定的，三轴土样的径向变形是依据试样排出水的体积(体变)减去轴向变形量来确定的。受土样轴向刚性加载的影响，土的变形在轴线方向变化是不均匀的。同时，非饱和土的三轴试验也无法依据试验的排水体积确定土样的体变。因此，有必要进一步研究土样变形的测试手段，为三轴试验中土的受力与变形之间的关系研究奠定基础。

申请文件cn107121333a、cn107816950a、cn1319812等发明成果给出了一种依据土样表面变形确定土样变形量的方法，该类方法基于亚像素交点识别方法确定土样表面各交点之间的变形量，进而确定竖直方向各交点变形量；该类成果未直接给出土样环向变形量的计算方法。同时，也未进一步提供能够进行土样内部变形场计算的方法。为了提升数字图像测量过程中土的变形等参数，预测土样受力与变形之间的关系，有必要对三轴试验实施过程中土样的变形情况进行计算。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，提供了一种基于数字图像测量的三轴土样变形计算方法。

本发明采用的技术方案为：

一种基于数字图像测量的三轴土样外部双向变形计算方法，该方法包括以下步骤：

1)制备直径为d0高度为h0的圆柱形土样，土样周围表面包裹有桶状的橡皮膜，橡皮膜的表面印刷有标记网格；

2)将土样置于压力室中，并将土样的下表面与压力室下部的底座相连接，将土样的上表面与压力室的加载帽相连接，并将加载帽与加载杆相连接；

3)将压力室内部充满水，依据橡皮膜表面印刷的标记网格用相机观测比对标记网格内同一水平高度上各交点之间的水平距离dxi，以及标记网格外同一水平高度上各交点之间的水平距离dxj，并依据式(1)计算土样(1)的环向变形量ld，公式(1)为：

式中，ld为土样的环向变形量，d0为土样的直径，dxi为标记网格内同一水平高度上各交点之间的水平距离，dxj为标记网格外同一水平高度上各交点之间的水平距离，π为圆周率；

4)依据橡皮膜表面印刷的标记网格用相机观测比对标记网格的同一竖直方向各交点之间的水平距离dyi，以及标记网格外同一竖直方向各交点之间的水平距离dyj，依据公式(2)计算土样的轴向总变形量lh，公式(2)为：

lh＝∑dyi+∑dyj-h0(2)

式中，lh为土样的总变形量，dyi为标记网格的同一竖直方向各交点之间的水平距离，dyj为标记网格外同一竖直方向各交点之间的水平距离，h0为圆柱形土样的高度。

一种基于数字图像测量的三轴土样内部变形场计算方法，该方法包括以下步骤：

1)制备直径为d0高度为h0的圆柱形土样，土样周围表面包裹有桶状的橡皮膜，橡皮膜的表面印刷有标记网格；

2)将土样置于压力室中，并将土样的下表面与压力室下部的底座相连接，将土样的上表面与压力室的加载帽相连接，并将加载帽与加载杆相连接；

3)在步骤2)基础上，将压力室内部充满水，依据橡皮膜表面印刷的标记网格用相机观测比对标记网格各个交点变形的水平分量和竖向分量并分别记为δxi、δyi；对于各个交点变形的水平分量，当交点的变形向右时，记为+δxi，当交点的变形向左时，记为-δxi，对于各个交点变形的竖向分量δyi，当交点的变形向下时，记为+δyi，当交点的变形向上时，记为-δyi；

4)依据同一水平高度上各交点的变形量，对交点之间点m的变形的水平分量进行插值计算，计算公式见式(3)：

式中，δxm为点m变形的水平分量，δxa为点a变形的水平分量，δxb为点b变形的水平分量，∣am∣为交点a至插值点m的距离，∣ab∣为交点a至交点b的距离；

5)依据同一水平高度上各交点的变形量，对交点之间点m的变形的竖向分量进行插值计算，计算公式见式(4)：

式中，δym为点m变形的竖向分量，δya为点a变形的竖向分量，δyb为点b变形的竖向分量，∣am∣为交点a至插值点m的距离，∣ab∣为交点a至交点b的距离；

6)将同一水平高度上各点变形的竖向分量δyi一致的点连线；对同一水平高度上各点变形的水平分量δxi一致的点连线，即为一种基于数字图像测量的三轴土样内部变形场计算方法。

本发明的效果是通过提供的一种基于数字图像测量的土样变形计算方法，可获取土样表面变形的水平分量、竖向分量和土样内部的应变场。通过与常规方法相比，该方法计算原理鲜明、计算结果准确可靠、精度高。较高的精度保证了三轴试验的准确性，能够为土工试验方法的完善和土工问题的解决奠定理论基础，对于土的应力变形特性和本构关系研究具有实际价值。

附图说明

图1为本发明涉及的土样表面示意图；

图2为本发明涉及的基于数字图像测量的三轴试验示意图。

图中：1土样；2橡皮膜；3标记网格；4压力室；5底座；6加载帽；7加载杆；8相机。

具体实施方式

结合附图对本发明的一种基于数字图像测量的土样变形计算方法进行说明。

本发明的一种基于数字图像测量的土样变形计算方法原理是：通过图像采集装置确定土样全表面各个交点变形的水平分量和竖向分量，进而确定土样外部水平和竖直方向的双向变形。依据土样全表面两相邻交点变形的水平分量和竖向分量，对同一水平高度上两相邻交点之间的变形量进行差值，在此基础上，依据同一水平高度上各点变形分量一致的点连线；即形成土样内部的变形场。

根据上述原理，给出的基于数字图像测量的土样外部双向变形计算方法包括以下步骤：

1)制备直径为d0高度为h0的圆柱形土样1，土样1周围表面包裹有桶状的橡皮膜2，橡皮膜2的表面印刷有标记网格3，如图1所示；

2)将土样1置于压力室4中，并将土样1的下表面与压力室4下部的底座5相连接，将土样1的上表面与压力室4的加载帽6相连接，并将加载帽6与加载杆7相连接，如图2所示；

3)将压力室4内部充满水，依据橡皮膜2表面印刷的标记网格3用相机8观测比对标记网格3内同一水平高度上各交点之间的水平距离dxi，以及标记网格3外同一水平高度上各交点之间的水平距离dxj，并依据式(1)计算土样(1)的环向变形量ld，公式(1)为：

式中ld为土样1的环向变形量，d0为土样1的直径，dxi为标记网格3内同一水平高度上各交点之间的水平距离，dx为标记网格3外同一水平高度上各交点之间的水平距离，π为圆周率；

4)依据橡皮膜2表面印刷的标记网格3用相机8观测比对标记网格3的同一竖直方向各交点之间的水平距离dyi，以及标记网格3外同一竖直方向各交点之间的水平距离dyj，依据公式(2)计算土样的轴向总变形量lh，公式(2)为：

lh＝∑dyi+∑dyj-h0(2)

式中，lh为土样1的总变形量，dyi为标记网格3的同一竖直方向各交点之间的水平距离，dyj为标记网格3外同一竖直方向各交点之间的水平距离，h0为圆柱形土样的高度。

同时，提供的基于数字图像测量的三轴土样内部变形场计算方法，该方法包括以下步骤：

1)制备直径为d0高度为h0的圆柱形土样1，土样1周围表面包裹有桶状的橡皮膜2，橡皮膜2的表面印刷有标记网格3，如图1所示；

2)将土样1置于压力室4中，并将土样1的下表面与压力室4下部的底座5相连接，将土样1的上表面与压力室4的加载帽6相连接，并将加载帽6与加载杆7相连接，如图2所示；

3)在步骤2)基础上，将压力室4内部充满水，依据橡皮膜2表面印刷的标记网格3用相机8观测比对标记网格3各个交点变形的水平分量和竖向分量并分别记为δxi、δyi；对于各个交点变形的水平分量，当交点的变形向右时，记为+δxi，当交点的变形向左时，记为-δxi，对于各个交点变形的竖向分量δyi，当交点的变形向下时，记为+δyi，当交点的变形向上时，记为-δyi，如图1所示；

4)依据同一水平高度上各交点的变形量，对交点之间点m的变形的水平分量进行插值计算，计算公式见式(3)：

式中δxm为点m变形的水平分量，δxa为点a变形的水平分量，δxb为点b变形的水平分量，∣am∣为交点a至插值点m的距离，∣ab∣为交点a至交点b的距离；

5)依据同一水平高度上各交点的变形量，对交点之间点m的变形的竖向分量进行插值计算，计算公式见式(4)：

式中δym为点m变形的竖向分量，δya为点a变形的竖向分量，δyb为点b变形的竖向分量，∣am∣为交点a至插值点m的距离，∣ab∣为交点a至交点b的距离；

6)将同一水平高度上各点变形的竖向分量δyi一致的点连线；对同一水平高度上各点变形的水平分量δxi一致的点连线，即为一种基于数字图像测量的三轴土样内部变形场计算方法。

以上所述仅为结合具体本试验方法进行的说明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种变化和更改。凡是依据土样全表面两相邻交点变形的水平分量和竖向分量，对同一水平高度上两相邻交点之间的变形量进行差值并形成变形场的精神，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。