一种支挡结构物后土压力和位移的模型试验同步观测方法与流程

本发明涉及岩土工程试验研究技术领域，具体涉及一种支挡结构物后土压力和位移的模型试验同步观测方法。

背景技术：

粒子图像测速技术(piv)，是上世纪70年代末发展起来的一种瞬态、多点、无接触式的流体力学测速方法。之后white对piv算法进行改进以应用于岩土工程试验中试验土的无接触式变形测量，目前该软件是非商业性软件，可免费获取。该技术通过高清数码相机实时连续拍摄系列照片，通过连续分析相继两帧数字图像，获得试验土内部的量化位移场及其可视化动态发展过程。

模型试验是岩土科研试验中常用的研究方法，模型试验中的观测内容主要是岩试验土在一定条件下的位移和土压力。目前常用的试验土内部土压力测定方法是通过预埋土压力计进行测定，试验土位移则通常是通过位移计进行测量。其位移和土压力通常采用是两套独立的观测系统，无法实现同步启动或停止，因此在对位移数据和土压力数据进行同步匹配时，将不可避免的产生误差；虽然在部分常规模型试验中可以通过一定的手段尽可能的减小误差，以满足试验精度要求，但是对于以研究试验土主动/被动破坏的模型试验而言，试验土破坏时位移和土压力在短时间内将发生急剧变化，采用常规的独立观测系统难以得到可靠合理的数据。目前，暂未发现能够实现位移、土压力同步观测的科研成果或文献报道。

因此，亟需设计一种可进行土压力场和位移场的同步观测方法。

技术实现要素：

基于以上技术问题，本发明提供了一种支挡结构物后土压力和位移的模型试验同步观测方法，可实现土压力和位移的模型试验同步观测，操作简单，数据采集过程无需人工干预，排除了采集过程中人工主观性和随意性带来的偶然误差；并通过电脑直接输出土压力场和位移场，减少常规方法中传感器电信号与土压力转换等后期数据处理工作，显著提高效率。

为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种支挡结构物后土压力和位移的模型试验同步观测方法，包括如下步骤：

s1、制作至少一面为透明板的模型槽，模型槽上与透明板相邻的侧面中至少一个为活动板；取试验区的土体作为试验土分层装入模型槽中并进行分层压实，每层压实后上面放置土压力传感器，直至敷设试验土至设计高度；

s2、将土压力传感器连接至采样ad芯片，设置ad芯片转换模式，初始化ad芯片；

s3、将ad芯片信号输出端与stm32控制器输入串口相连，并将stm32控制器输出串口与电脑相连接；

s4、设置高清相机，使高清相机能够通过外置的定时快门遥控装置进行远程拍照；将定时快门遥控装置连接至stm32控制器，通过stm32的io接口控制定时快门遥控装置，并将高清相机信号输出端与电脑相连接；

s5、通过stm32控制器的定时器设置土压力数据采集以及高清相机拍照的开始时间及时间间隔；

s6、在模型槽内的试验土表面设置加载板，通过加载板向试验土施加荷载；荷载施加过程中，stm32控制器按步骤s5中设定时间和时间间隔读取ad芯片中土压力传感器数据，并将读取的数据发送电脑，同时向定时快门遥控装置发送拍照信号，高清相机透过透明板对试验土变形过程进行拍照，并将照片传输至电脑；

s7、试验完成后，stm32控制器暂停工作，电脑通过土压力传感器的出厂标定关系，将传感器数字信号转换成土压力数据，再根据步骤s5中设定时间和间隔，建立土压力与时间的变化关系；

s8、利用piv技术对所拍摄的照片进行处理，得到试验土变形过程中位移场随时间的变化关系，并记录不同时间段的位移场；

s9、将试验土位移场和土压力场按时间进行匹配，即得到土压力场和位移场的同步试验数据。

进一步地，ad芯片为16位的ad7606芯片，stm32控制器通过spi方式读取ad芯片的数据；步骤s2中ad芯片转换模式为单次转换模式或连续转换模式。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明基于自动化控制技术、piv技术和土压力传感器电信号与土压力的对应关系，提出一种土压力场和位移场的同步观测方法，该方法操作简单，且数据采集过程无需人工干预，排除了采集过程中人工主观性和随意性带来的偶然误差；

2、本发明通过stm32控制器控制土压力场和位移场进行同步测量，其时间同步精度可达到毫秒级别，显著优于目前的土压力、位移独立观测系统；

3、本发明直接输出土压力场和位移场，减少常规方法中传感器电信号与土压力转换等后期数据处理工作，显著提高效率；

4、本发明还可提供后续开发接口，如可根据位移场确定试验土剪应变场，建立土压力场与剪应变场的同步关系。

附图说明

图1为实施例中支挡结构物后土压力和位移的模型试验同步观测方法结构示意图；

其中，1、模型槽；2、试验土；3、活动板；4、土压力传感器；5、加载板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例：

参见图1，一种支挡结构物后土压力和位移的模型试验同步观测方法，包括如下步骤：

s1、制作至少一面为透明板的模型槽1，模型槽1上与透明板相邻的侧面中至少一个为活动板3；取试验区的土体作为试验土2分层装入模型槽1中并进行分层压实，每层压实后上面放置土压力传感器4，直至敷设试验土2至设计高度；

模型槽1的侧面中必须有一面为透明板，以便在箱外采用高清相机拍摄箱内试验土2的变形；与透明板相邻的一个或两个侧面应设置成活动板3，以便模拟支挡结构发生位移。本实施例中透明板采用钢化玻璃。土压力传感器4可水平放置测定竖向的土压力，也可竖向放置测定水平向土压力，传感器的放置位置可以布置在模型箱内侧壁上，也可布置在试验土2中，具体位置根据试验方案进行确定。

s2、将土压力传感器4连接至采样ad芯片，设置ad芯片转换模式，初始化ad芯片；

s3、将ad芯片信号输出端与stm32控制器输入串口相连，并将stm32控制器输出串口与电脑相连接；

s4、设置高清相机，使高清相机能够通过外置的定时快门遥控装置进行远程拍照；将定时快门遥控装置连接至stm32控制器，通过stm32的io接口控制定时快门遥控装置，并将高清相机信号输出端与电脑相连接；

快门遥控实现方式：通过stm32控制器的定时器控制拍照与数据采集间隔，定时器在满足设定的时间要求后，stm32的io口模拟按键按下遥控器，向相机发生拍照信号。

s5、通过stm32控制器的定时器设置土压力数据采集以及高清相机拍照的开始时间及时间间隔；

s6、在模型槽1内的试验土2表面设置加载板5，通过加载板5向试验土2施加荷载；荷载施加过程中，stm32控制器按步骤s5中设定时间和时间间隔读取ad芯片中土压力传感器4数据，并将读取的数据发送电脑，同时向定时快门遥控装置发送拍照信号，高清相机透过透明板对试验土2变形过程进行拍照，并将照片传输至电脑；

进行模型试验时，试验土2在外荷载作用下或者试验土2因活动挡板发生位移导致试验土2发生变形，同时试验土2内部的土压力发生变化，ad芯片通过有线或无线接收土压力传感器4的数据信号，并将数据信号转换成数字信号，以供stm32控制器进行读取。

s7、试验完成后，stm32控制器暂停工作，电脑通过土压力传感器4的出厂标定关系，将传感器数字信号转换成土压力数据，再根据步骤s5中设定时间和间隔，建立土压力与时间的变化关系；

s8、利用piv技术对所拍摄的照片进行处理，得到试验土2变形过程中位移场随时间的变化关系，并记录不同时间段的位移场；

piv技术分析基本原理：用高清相机以一定时间间隔拍照记录试验土2变形过程，通过对相邻两张照片的像素变化进行分析，即可得到在该时间段内试验土2发生的变形，不断选取相邻照片进行分析，直到试验土2变形过程中所有照片分析完毕，即可得到不同时间段的试验土2变形，从而建立试验土2变形与时间的关系。

s9、将试验土2位移场和土压力场按时间进行匹配，即得到土压力场和位移场的同步试验数据。

在本实施例中，试验土2在外荷载p的作用下或者试验土2因活动挡板发生位移导致试验土2发生变形，使得土压力发生变化，通过在试验模型槽内的试验土2中预埋土压力计，实现对试验土2内部的土压力场进行实时检测，以获取试验土2内的土压力场；同时采用高清相机通过透明板对试验土2变形过程进行拍摄，以获取试验土2变形过程的图像，通过piv技术对所拍摄的图像进行处理，获得试验土2的位移场；从而实现土压力和位移的模型试验同步观测，操作简单，数据采集过程无需人工干预，排除了采集过程中人工主观性和随意性带来的偶然误差；stm32控制器控制土压力场和位移场进行同步测量，其时间同步精度可达到毫秒级别，显著优于目前的土压力、位移独立观测系统；最后通过电脑直接输出土压力场和位移场，减少常规方法中传感器电信号与土压力转换等后期数据处理工作，显著提高效率。

本实施例中的ad芯片为16位的ad7606芯片，stm32控制器通过spi方式读取ad芯片的数据；步骤s2中ad芯片转换模式为单次转换模式或连续转换模式，将电信号转换成数字信号以便stm32控制器进行数据读取；另外，本发明还可提供后续开发接口，如可根据位移场确定试验土2剪应变场，建立土压力场与剪应变场的同步关系。

如上即为本发明的实施例。上述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。