CN114136773B - 一种平面应变土样变形的piv增强测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种平面应变土样变形的PIV增强测量方法，在传统平面应变试验仪的基础上，本发明使用的装置采用了印有格栅和规则追踪点的透明试样膜，且前后透明面板印有刻度尺，并对土样表面的少量散布颗粒进行染色，通过对试样膜追踪点的PIV分析和有限元插值形函数法，得到试样膜上各个与所述染色颗粒重合的非标识点的理论位移与实际位移，对比试样膜上各个与所述染色颗粒重合的非标识点的理论位移与实际位移的误差，分析评价试样膜上其余的非标识点的实际位移。本发明增加了对真实土样变形的检验方法，提出了任意点变形的估算方法，并改善了试验过程中对土样变形的直观观察方法，便于及时考察土样的力学特性。
Description
技术领域
本发明涉及土工应力应变测试技术领域，尤其是指一种平面应变土样变形的PIV增强测量方法。
背景技术
PIV(Particle Image Velocimetry，粒子图像测速)技术的原理是利用相机多次拍摄记录示踪粒子的实时位置，通过相关运算确定粒子的运动速度或位移。由于该方法基本不影响原有土体性质，可以用非接触的方式考察试验期间土体的变形，且操作简便、结果直观，因而在土工试验中得到越来越广泛的应用。岩土工程中很多问题是平面应变的变形问题，如长路堤下地基土的变形、地铁基坑长边侧的土体变形等，其研究有较大的工程意义。
现有图像相关测量技术，通常采用试样膜的变形来代替土样表面的变形。如采用黑色乳胶膜，表面喷上白色的散斑点，在试验中追踪散斑点的变化，用散斑点产生的位移近似考察土样的变形。又如在试样膜上打印了规则排列的黑色点作为标志点，通过追踪黑色点的变化来近似考察土样的变形。
由于试样膜和土样表面之间可能产生相对位移，因而以上的采用试样膜表面变形代替土样表面变形的方法，仅仅是近似的方法，缺乏对真实土样变形的检验。当土样发生剧烈的剪切变形时，这种方法的误差较大。追踪点的密度有限，不能得到土样表面任意点的变形情况，以上方法，需要对拍摄的图片进行后处理后，才能获得较为直观的结果，缺乏对试验过程中土样变形的及时、直观的观察以及对真实土样变形的检验方法。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中缺乏对真实土样变形的检验方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种平面应变土样变形的PIV增强测量方法，包括如下步骤：
S1、将待测土样装入试样膜中，装入试样膜中的土样的表面散布有多个染色颗粒，试样膜的表面设有多个标识点，得到待测样品，进入S2；
S2、将待测样品装入压力室中进行加压，得到变形后的待测样品，用相机拍摄待测样品的照片，进入S3；
S3、通过PIV分析软件对待测样品的照片进行后处理，得到试样膜表面标识点的实际位移，采用有限单元法中形函数的插值方法，计算土样中任意点的理论位移，进入S4；
S4、通过PIV分析软件对待测样品照片进行后处理，得到土样中染色颗粒的位移，进入S5；
S5、对比土样中染色颗粒的理论位移与实际位移的误差，分析评价土样中其余点的实际位移。
进一步的，步骤S3中，计算土样中任意点的理论位移时，采用有限单元法的形函数，插值计算得到土样中任意点的理论位移。
进一步的，所述土样中任意点的水平位移计算公式为
竖向位移计算公式为
其中，将距离所考察点最近的m个标识点，作为一个单元的m个节点,(x,y)是所考察点的位置坐标，m是单元的节点数，Ni(x,y)是m节点单元的第i个形函数，ui为标识点水平位移，vi为标识点竖向位移。
进一步的，步骤S2中，所述压力室包括用于放置待测土样的底座、向所述底座上的待测土样施加向下的压力的轴向加载块、向所述底座上的待测土样左右两侧施加压力的水囊，用于限制所述底座上的待测土样水平位移的第一侧压板及用于限制所述底座上的待测土样水平位移的第一侧压板和第二侧压板，所述第一侧压板和所述第二侧压板平行设置，所述测土样设于所述第一侧压板和所述第二侧压板之间。
进一步的，所述试样膜与所述第一侧压板和所述第二侧压板之间涂有透明的硅脂。
进一步的，所述第一侧压板和所述第二侧压板为带有刻度的透明有机玻璃板。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
1)本发明增加了对真实土样变形的检验方法，提出了任意点变形的估算方法，并改善了试验过程中对土样变形的直观观察方法，便于及时考察土样的力学特性；
2)本发明公开的平面应变土样变形的PIV增强测量方法,通过考察真实土样表面染色颗粒的位移和土样表面任意点的位移和应变，对试样膜变形代替土样表面变形的方法，提供了一种有效的检验方法；
3)本发明公开的平面应变土样变形的PIV增强测量方法,借助试样膜表面的格栅和两块侧压板的上的标尺和轴向位移记录等，可以对土样变形在试验阶段进行及时直观的考察。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中，
图1为平面应变试验装置的示意图；
图2为印有黑色追踪点和格栅的试样膜的正面图；
图3为带染色颗粒的土样；
图4为带刻度尺的透明有机玻璃侧板；
图5为土样安装完成后的正面视图；
图6为图4正面视图中其中一个格栅的放大视图；
图7为图5放大视图中任意点周边4个观察点组成的单元示意图,4个观察点分别命名为节点1、2、3、4。
说明书附图标记说明：1、试样膜；2、土样；3、第一侧压板；4、第二侧压板；5、待测土样；6、水囊；7、底座。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供作为进一步改进说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接,也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
参照图1至图7所示，本发明的一种平面应变土样变形的PIV增强测量方法，包括如下步骤：
S1、将待测土样装入试样膜中，装入试样膜中的土样的表面散布有多个染色颗粒，试样膜的表面设有多个标识点，得到待测样品，进入S2；
S2、将待测样品装入压力室中进行加压，得到变形后的待测样品，用相机拍摄待测样品的照片上述，进入S3；
S3、通过PIV分析软件对待测样品的照片进行后处理，得到试样膜表面标识点的实际位移，采用有限单元法中形函数的插值方法，计算土样中任意点的理论位移，进入S4；
S4、通过PIV分析软件对待测样品照片进行后处理，得到土样中染色颗粒的位移，进入S5；
S5、对比土样中染色颗粒的理论位移与实际位移的误差，分析评价土样中其余点的实际位移。
本实施例中优选的实施方式，步骤S3中，计算土样中任意点的理论位移时，采用有限单元法的形函数，插值计算得到土样中任意点的理论位移。
本实施例中优选的实施方式，上述土样中任意点的水平位移计算公式为
竖向位移计算公式为
其中，将距离所考察点最近的m个标识点，作为一个单元的m个节点,(x,y)是所考察点的位置坐标，m是单元的节点数，Ni(x,y)是m节点单元的第i个形函数，ui为标识点水平位移，vi为标识点竖向位移。
本实施例中优选的实施方式，步骤S2中，上述压力室包括用于放置待测土样的底座7、向上述底座7上的待测土样5施加向下的压力的轴向加载块、向上述底座上的待测土样左右两侧施加压力的水囊6，用于限制上述底座上的待测土样水平位移的第一侧压板3和第二侧压板4、上述第一侧压板3和上述第二侧压板4平行设置，上述待测土样5设于上述第一侧压板3和上述第二侧压板4之间。
上文中，在传统平面应变试验仪的基础上，该试验装置采用了印有格栅和规则追踪点的透明试样膜，且前后透明面板印有刻度尺，并对土样表面的少量散布颗粒进行染色。
本实施例中优选的实施方式，上述试样膜与上述第一侧压板和上述第二侧压板之间涂有透明的硅脂。
上文中，硅脂用于减小试样膜与有机玻璃之间的摩擦。
本实施例中优选的实施方式，上述第一侧压板和上述第二侧压板为带有刻度的透明有机玻璃板。
上文中，有机玻璃板的刻度有助于数据的记录，可以进一步对待测土样的变形进行考察。
实施例一
在本实施例中，采用的土样是砂土样，在土样表面布置染成红色的砂土颗粒，尺寸为60mm(宽)*120mm(高)*100mm(长)。透明试样膜表面的格栅大小为10mm*10mm，每个格栅内布置间距为2mm的小黑圆点，小黑圆点的直径为0.5mm，见图5。试验步骤如下：
(1)将包裹着试样膜的土样装入压力室，土样上下底面分别与底座和轴向加载块相接触,前后表面被有机玻璃板限制前后位移，土样外部试样膜与有机玻璃板之间涂抹透明硅脂，用于减小试样膜与有机玻璃之间的摩擦,左右侧面与方形的柔性水囊相接触，柔性水囊中的水压力为土样提供左右方向的压力。
(2)土样经饱和、固结后，进行剪切，使得土样产生变形，同时用高速相机拍摄土样表面的照片，为了取得较好的拍摄效果，在土样周边安装了LED光源并打开。与此同时，肉眼观察试样膜上格栅的变化，辅助于有机玻璃上的标尺和试验仪器对轴向位移的常规记录，来考察土样的变形。
(3)考察试样膜表面的黑色小圆点，采用常规PIV分析软件对土样照片进行后处理，得到试样膜表面黑色小圆点的位移。
(4)对于试样膜表面的任意点，采用有限单元法中形函数的插值方法，得到相应的位移。
本实施例具体使用的方法为，将距离该点最近的4个点，作为一个单元的4个节点，然后采用相关形函数，插值得到该点处的位移。如图6，逆时针排列的4个节点1、2、3、4组成一个单元，假设其水平向位移分别为u1、u2、u3、u4，其竖向位移分别为v1、v2、v3、v4，则单元内坐标为(x，y)的任意点的水平向位移为
竖向位移为
其中Ni(x,y)是4节点单元的第i个形函数。根据位移，可进一步得到该点的应变。
(5)考察土样染色颗粒，采用常规PIV分析软件对土样照片进行后处理，得到土样染色颗粒的位移和应变。比如图6中染色颗粒的水平向位移和竖向位移分别为ureal和vreal，而根据上一步得到的相同位置处的水平向位移和竖向位移分别为ucal和vcal，则可以比较(ureal,vreal)和(ucal,vcal)得到该点处的位移误差。综合考察所有染色点，可以得到试样膜表面点位移来代替土样点位移的综合误差情况。
(6)总结土样在整个试验过程中的力学行为。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (6)
1.一种平面应变土样变形的PIV增强测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将待测土样装入试样膜中，装入试样膜中的土样的表面散布有多个染色颗粒，试样膜的表面设有多个标识点，得到待测样品，进入S2；
S2、将待测样品装入压力室中进行加压，得到变形后的待测样品，同时用高速相机拍摄待测样品的照片，进入S3；
S3、通过PIV分析软件对待测样品的照片进行后处理，得到试样膜表面标识点的实际位移，采用有限单元法中形函数的插值方法，计算土样中任意点的理论位移，进入S4；
S4、通过PIV分析软件对待测样品照片进行后处理，得到土样中染色颗粒的位移，进入S5；
S5、对比土样中染色颗粒的理论位移与实际位移的误差，分析评价土样中其余点的实际位移。
2.根据权利要求1所述的一种平面应变土样变形的PIV增强测量方法，其特征在于，步骤S3中，计算土样中任意点的理论位移时，采用有限单元法的形函数，插值计算得到土样中任意点的理论位移。
3.根据权利要求2所述的一种平面应变土样变形的PIV增强测量方法，其特征在于，所述土样中任意点的水平位移计算公式为
，竖向位移计算公式为
；其中，将距离所考察点最近的m个标识点，作为一个单元的m个节点，(x,y) 是所考察点的位置坐标，m是单元的节点数，Ni（x，y）是m节点单元的第i个形函数，ui为标识点水平位移，vi为标识点竖向位移。
4.根据权利要求1所述的一种平面应变土样变形的PIV增强测量方法，其特征在于，步骤S2中，所述压力室包括用于放置待测土样的底座、向所述底座上的待测土样施加向下的压力的轴向加载块、向所述底座上的待测土样左右两侧施加压力的水囊，用于限制所述底座上的待测土样水平位移的第一侧压板及用于限制所述底座上的待测土样水平位移的第一侧压板和第二侧压板，所述第一侧压板和所述第二侧压板平行设置，所述测土样设于所述第一侧压板和所述第二侧压板之间。
5.根据权利要求4所述的一种平面应变土样变形的PIV增强测量方法，其特征在于，所述试样膜与所述第一侧压板和所述第二侧压板之间涂有透明的硅脂。
6.根据权利要求4所述的一种平面应变土样变形的PIV增强测量方法，其特征在于，所述第一侧压板和所述第二侧压板为带有刻度的透明有机玻璃板。
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