一种地震作用下土体中基础结构和土体运动可视化的模拟方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于岩上试验力学技术领域，特别设及一种地震作用下上体中基础结构和 上体运动可视化的模拟方法
【背景技术】
[0002] 在岩±工程中，由于结构例如错杆、地基基础和±工织物等通常是埋置在±体中 的，肉眼是看不见的，研究人员曾经采用CT、X射线成像方法、核磁共振等方法实现±体中 结构和附近±体的可视化。但是该些方法中设备比较昂贵，难W推广应用，该里提出了一种 经济可行的实现一种地震作用下±体中基础结构和±体运动可视化的模拟方法。
技术领域
[0003]
[0004] 针对±体的不同可W选用硅胶颗粒，烙融石英砂，无定型硅胶等透明的颗粒材料 和与该些材料折射系数相一致的孔隙溶液，孔隙溶液可W通过选择两种折射系数不同的液 体配置。把透明的颗粒材料与折射系数一致的孔隙液体拌合在一起，就可W制作出透明度 较好的模拟岩±性质的类岩±材料。
[0005] 地震是通过小型的振动台产生的地震波进行模拟的。另外制作小型的模型箱，为 了实现可视化，模型箱在观测的一面由透明的有机玻璃或者玻璃制作。透明±放在模型箱 体中，形成透明±模型。
[0006] 其次，扇形激光系统通过透明±模型，由于颗粒和激光的反射、散射和漫射作用， 在透明±体内部产生激光散斑效应，形成散斑场。
[0007] 高速数码相机放置在透明±模型前面，用于捕捉地震荷载作用下±体和结构的运 动和变形，由计算机采集控制系统控制相机进行图像的采集。采集的散斑图像进行图像处 理，可W采用数字图像相关的方法得到±体的变形和位移W及结构的变形和位移，从而实 现了地震荷载作用下±体和结构运动的可视化，为研究地震作用下±与结构相互作用提供 了一种非常好的试验方法。
[000引本专利提出的一种地震作用下±体中基础结构和±体运动可视化的模拟方法，是 一种创新性的方法，是比CT扫描，X射线成像，核磁共振更加经济和简单可行的一种方法； 可W在岩上力学领域中得到广泛应用。
[0009] 所述的透明±，可W是硅胶颗粒，无定形硅胶颗粒或者是烙融石英，孔隙液体可W 是任意能和透明颗粒材料折射系数相匹配的液体，不能和透明材料发生物理和化学反应。 发明中的振动台，可W是能产生多种波形荷载的振动平台装置。发明中的高速数码相机，可 W是工业上广泛应用的高速CCD，CMOS相机，具有不少于10万的像素精度。发明中采用的 图像处理方法，可W是基于图像相关方法测量原理的多种图像处理方法，也可W采用图像 处理开源软件完成图像处理的工作。
【发明内容】
[0010] 本发明提供了一种地震作用下±体中基础结构和±体运动可视化的模拟方法，用 透明±用来模拟天然的±体材料，通过扇面激光系统，振动台和高速数码相机和图像处理 等设备和方法，实现地震荷载作用下±体结构和±体运动的可视化。本发明的技术方案包 括W下步骤：
[0011] 步骤一，设备安装；模拟设备主要由扇面激光发生器、透明±体、震动台、高速数码 相机、计算机处理系统、模型粧和±模型箱组成；透明的±模型箱为长方型箱体结构，其中 装满模拟的透明±体；在透明±体中屯、位置打入透明的模型粧；将固定有模型粧的±模型 箱放置在振动台上；扇面激光发生器放在±模型箱的一个侧面，使扇面激光发生器的激光 进入透明±模型箱内部，在垂直于入射面方向形成较好的激光散斑效果，并且使扇面激光 的入射面和模型粧所在的中屯、面一致；在±模型箱正面放置高速数码相机；
[0012] 步骤二，数据采集，设定好高速数码相机的采集频率，要为采集地震荷载频率的20 倍W上；输入模拟地震载荷到振动台，高速数码相机采集地震荷载作用下透明±体模型的 激光散斑图像和模型粧的运动和变形图像；
[0013] 步骤=，将采集到的透明±体的激光散斑图像进行处理，可W使用geoPIV软件采 用图像数字相关的方法，得出±体颗粒运动的位移，然后通过geoPIV的应变求解函数，计 算得到±体颗粒运动的应变；从而得出粧基础模型的运动和变形。
[0014] 步骤=中，将采集到的一系列透明±体的激光散斑图像进行筛选，选取想要的N 幅图像，根据数字信号分析的原理，对连续的两组图像进行定量分析，寻找互相关函数的峰 值，确定互相关函数峰值所在的位置，就可W匹配前后A、B两幅图像上同一散斑点；离散二 维互相关函数为：
[0015] 其中M，N为横纵坐标个数；p，q是A、B两幅图像从点的坐标为变量的函数；m，n为 A图像中点的坐标；k，1为A图像中点的位移，则m-k，n-1即为B图像中点的坐标；完成匹 配后就可W通过geoPIV软件画出位移场；得到位移场后可再根据位移与应变的关系得到 应变场；通过GeoPIV中的geostrain函数，[strains] =geoSTRAIN(XYdata)，其中输入参 数XYdata是散斑点在X，Y轴方向上的位移量矩阵，而输出值strains就是对于的散斑点的 应变值矩阵；粧基础模型的运动和变形也可W根据图像识别和跟踪的方法得到。
[0016] 本发明将透明±模型引入到±体与结构的动力相互作用研究领域，是具有开创性 的，能够为地震荷载作用下±体和结构变形和运动的可视化提供一种很好的方法。本方法 中透明±体容易配置、经济可行、数字相机也是比较易于获得且像素精度比较高且可靠的 设备。该种方法由于大大降低了实现±体中结构和±体变形可视化的费用，是一种具有在 巨大应用潜力的方法。极大的节约了试验费用，方便推广使用，促进岩±动力学的研究发 展。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明各组成部分示意图。
[001引图中；1.扇面激光发生器、2.透明±体、3.震动台、4.高速数码相机、5.振动台和 相机采集控制系统及计算机图像处理系统、6.模型粧、7. ±模型箱。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0020] 如图一种地震作用下±体中基础结构和±体运动可视化的模拟方法，可W采用W 下的技术步骤实现：
[002U (1)制作±模型箱（7) (30cmX10cmX30cm),模型箱采用高强透明玻璃制作
[0022] (2)配置一定密度控制的透明±体（2)，采用l-3mm粒径的烙融石英颗粒，孔隙液 体采用一定浓度的CaBrs溶液，
[002引 做透明±体似中屯、位置打入模型粧化），模型粧做可W用有机玻璃制作，
[0024] (4)将固定有模型粧化）的±模型箱（7)放置在振动台上，
[0025] (5)将扇面激光发生器（1) (532nm绿激光）放在透明±模型（7)侧面，使扇面激光 发生器（1)的激光进入透明上模型内部形成较好的激光散斑效果，并且使扇面激光的入射 面和模型粧所在的中屯、面一致，
[0026] 做在透明±体模型正面放置高速数码相机，使相机与透明±模型箱（7)的正面 垂直，
[0027] (7)设定好相机的采集频率，要为采集地震荷载的20倍W上，输入模拟地震载荷 到振动台，相机采集地震荷载作用下透明±体模型的激光散斑图像和模型粧的运动和变 形图像，
[002引做将采集到的透明±体的激光散斑图像进行处理，可W使用geoPIV软件采用图 像数字相关的方法，得出±体颗粒运动的位移，然后通过geoPIV的应变求解函数，计算得 到±体颗粒运动的应变。粧基础模型的运动和变形也可W根据图像识别和跟踪的方法得 到。
【主权项】
1. 一种地震作用下土体中基础结构和土体运动可视化的模拟方法，其特征在于包括如 下步骤： 步骤一，设备安装：模拟设备主要由扇面激光发生器（1)、透明土体（2)、震动台（3)、高 速数码相机（4)、计算机处理系统（5)、模型粧（6)和土模型箱（7)组成；透明的土模型箱 (7)为长方型箱体结构，其中装满模拟的透明土体⑵；在透明土体⑵中心位置打入透明 的模型粧（6);将固定有模型粧（6)的土模型箱（7)放置在振动台（3)上；扇面激光发生器 (1)放在土模型箱（7)的一个侧面，使扇面激光发生器（1)的激光进入透明土模型箱（7)内 部，在垂直于入射面方向形成较好的激光散斑效果，并且使扇面激光的入射面和模型粧（6) 所在的中心面一致；在土模型箱（7)正面放置高速数码相机（4); 步骤二，数据采集，设定好高速数码相机（4)的采集频率，要为采集地震荷载频率的20 倍以上；输入模拟地震载荷到振动台（3)，高速数码相机（4)采集地震荷载作用下透明土体 模型的激光散斑图像和模型粧（6)的运动和变形图像； 步骤三，将采集到的透明土体的激光散斑图像进行处理，可以使用geoPIV软件采用图 像数字相关的方法，得出土体颗粒运动的位移，然后通过geoPIV的应变求解函数，计算得 到土体颗粒运动的应变；从而得出粧基础模型的运动和变形。2. 根据权利要求1所述的一种地震作用下土体中基础结构和土体运动可视化的模拟 方法，其特征在于步骤三中，将采集到的一系列透明土体的激光散斑图像进行筛选，选取想 要的N幅图像，根据数字信号分析的原理，对连续的两组图像进行定量分析，寻找互相关函 数的峰值，确定互相关函数峰值所在的位置，就可以匹配前后A、B两幅图像上同一散斑点； 离散二维互相关函数为：其中M，N为横纵坐标个数；p，q是A、B两幅图像以点的坐标为变量的函数；m，n为A图像中点的坐标；k，1为A图像中点的位移，则m-k，n-1即为B图像中点的坐标；完成匹配 后就可以通过geoPIV软件画出位移场；得到位移场后可再根据位移与应变的关系得到应 变场；通过GeoPIV中的geostrain函数，[strains] =geoSTRAIN(XYdata)，其中输入参数 XYdata是散斑点在X，Y轴方向上的位移量矩阵，而输出值strains就是对于的散斑点的应 变值矩阵；粧基础模型的运动和变形也可以根据图像识别和跟踪的方法得到。
【专利摘要】一种地震作用下土体中基础结构和土体运动可视化的模拟方法，属于岩土试验力学领域。利用高速数码相机(4)拍照扇面激光发生器(1)照射下，位于震动台(3)上的透明的土模型箱(7)中的透明土和模型桩(6)的移动和激光散斑；并通过计算机处理系统得到透明土体颗粒运动的应变；从而得出桩基础模型的运动和变形。
【IPC分类】G01N21/84
【公开号】CN104964978
【申请号】CN201510401241
【发明人】赵红华, 康馨, 郑啸男, 吕久洲, 张智
【申请人】大连理工大学
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年7月8日