專利名稱：基于宏細觀力學的巖土力學模型試驗系統(tǒng)以及精細化試驗方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于基本建設(shè)工程的巖土工程試驗研究方法，具體涉及一種基 于宏細觀力學的巖土力學模型試驗系統(tǒng)以及相應(yīng)的精細化試驗方法。
背景技術(shù)：
目前對建筑工程、道路工程、碼頭工程、河海岸工程和近海工程的巖土力學的試驗 研究多采用模型試驗方法、數(shù)值模擬方法、現(xiàn)場測試方法。模型試驗方法一般是指在實驗室條件下，用縮小的(特殊情況下也有放大的)模 型進行原型物理系統(tǒng)的現(xiàn)象研究，模型和原型之間要滿足系統(tǒng)的相似性要求。模型試驗方 法可以測試宏觀物理量，但是無法測試直觀觀測土樣的細觀結(jié)構(gòu)。數(shù)值模擬方法也稱為計算機模擬，以計算機為手段，通過數(shù)值計算和圖像顯示方 法，達到對工程問題和物理問題乃至自然界各類問題研究的目的；數(shù)值模擬包括建立數(shù)學 模型、高效高準確率的計算方法、編程和計算、數(shù)值圖像顯示的幾個步驟。數(shù)值模擬方法可 以進行連續(xù)體數(shù)值模擬，但是無法通過基于細觀試驗的細觀數(shù)值模擬，得到接觸面的細觀 力學參數(shù)，進行細觀建?！，F(xiàn)場測試方法是在現(xiàn)場的原型工程建筑物的相關(guān)部位取樣和埋設(shè)儀器，進行物理 力學實驗、工程材料試驗、應(yīng)力和變形觀測等，對工程的施工階段和運行階段進行驗證核 查、施工質(zhì)量監(jiān)控，長期監(jiān)測施工期間和運營期間建筑物和地基土的工作性狀以檢驗設(shè)計 方法、計算參數(shù)和計算結(jié)果是否符合實際，保證施工期和運營期的安全?，F(xiàn)場測試方法可以 進行現(xiàn)場原型的物理量觀測，但是無法進行土樣的細觀結(jié)構(gòu)觀測測試，得到土樣的細觀力 學參數(shù)，進行精細化試驗。隨重大工程建設(shè)項目的日益增多，極端環(huán)境條件和工程災(zāi)變的影響研究重要性的 提升，為此，需要研究一種適用于建筑工程、道路工程、橋梁工程、港口工程、河海岸工程和 近海工程等基本建設(shè)工程的巖土工程試驗方法。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述常用巖土模型試驗方法具有各自的特點，以及適用條件的局限性，常規(guī) 的室內(nèi)模型試驗在細觀觀測和宏細觀研究的問題難以解決，本發(fā)明提供一種適用于建筑工 程、道路工程、橋梁工程、碼頭工程、河海岸工程和近海工程的巖土力學模型試驗的模擬試 驗系統(tǒng)以及基于該系統(tǒng)實施的宏細觀力學的精細化研究方法。該試驗系統(tǒng)與試驗方法具有 場分析、細觀圖象觀測與分析、連續(xù)-離散耦合數(shù)值模擬及其多技術(shù)融合的優(yōu)點，能進行精 細化研究，尤其適合于對重大工程的難點、關(guān)鍵技術(shù)問題的機理研究。為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案基于宏細觀力學的巖土力學模型試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括模型試驗箱、模型試驗加 載裝置、荷載測量裝置、基礎(chǔ)模型、數(shù)碼照相機、體視顯微鏡、計算機、新聞燈；所述模型試驗箱內(nèi)設(shè)置試驗土樣，所述基礎(chǔ)模型緊貼于模型試驗箱觀測面的內(nèi)側(cè)；所述模型試驗加載 裝置對模型試驗箱內(nèi)土樣施加荷載，所述荷載測量裝置測量模型試驗箱內(nèi)土樣所承受的荷 載；所述數(shù)碼相機通過模型試驗箱觀測面拍攝土樣變化過程的圖像，并傳至計算機；所述 體視顯微鏡用于攝取土樣細觀結(jié)構(gòu)的顯微圖像，并傳至計算機；所述計算機用于數(shù)據(jù)采集、 記錄和分析；所述新聞燈用于數(shù)碼照相機和體視顯微鏡拍攝時的照明。所述計算機內(nèi)設(shè)置有場分析系統(tǒng)和細觀結(jié)構(gòu)圖像分析系統(tǒng)?；诤昙氂^力學的巖土力學模型的精細化試驗方法，該方法包括如下步驟(1)形成與原型之間滿足系統(tǒng)相似性要求的巖土力學模型試驗的模型，并布置試 驗系統(tǒng)；(2)按設(shè)計要求設(shè)置模型箱內(nèi)土樣和基礎(chǔ)模型；(3) 土工試驗，試驗測試模型箱內(nèi)土樣的物理力學參數(shù)；(4)對土樣施加第一級荷載，量測施加的荷載，量測試驗測試裝置中各傳感器的測 試數(shù)據(jù)，拍攝荷載增加過程中土樣的變形場的變化過程；拍攝預(yù)先確定的觀測點的土樣細 觀結(jié)構(gòu)的顯微圖像，觀測數(shù)據(jù)采集完整；(5)將步驟(4)拍攝的土樣變形場的圖像，經(jīng)場分析系統(tǒng)的處理，可以將數(shù)碼圖像 分析后輸出土樣的網(wǎng)格變形場圖像、剪切應(yīng)變場圖像、主應(yīng)變場圖像、總位移場圖像、X方向 位移場圖像、Y方向位移場圖像；(6)將步驟(4)拍攝的土樣細觀結(jié)構(gòu)的顯微圖像，經(jīng)細觀結(jié)構(gòu)圖像分析系統(tǒng)處理， 可以輸出各自觀測時間點的土樣結(jié)構(gòu)的細觀參數(shù)，并分析土樣細觀結(jié)構(gòu)的變化及規(guī)律。(7)進行細觀力學的顆粒流PFC數(shù)值模擬，基于PFC程序，進行巖土力學的細觀數(shù) 值模擬試驗，得到顆粒流PFC數(shù)值模擬試驗的土樣結(jié)構(gòu)圖像；(8)進行連續(xù)-離散耦合數(shù)值模擬，基于離散元與有限差分法的離散-連續(xù)耦合分 析模型對土與結(jié)構(gòu)物相互作用進行模擬試驗，得到連續(xù)-離散耦合數(shù)值模擬試驗的土樣結(jié) 構(gòu)圖像；(9)由細觀結(jié)構(gòu)圖像分析系統(tǒng)對步驟(7)和步驟(8)得到的數(shù)值模擬的土樣結(jié)構(gòu) 圖像進行分析，得到數(shù)值模擬試驗的土樣結(jié)構(gòu)的細觀參數(shù)；(10)分析步驟( 得到的土樣變形發(fā)展過程的圖像，確定土樣結(jié)構(gòu)顯微拍攝的觀 測點；(11)累積增加荷載，重復步驟(4)到步驟(10)，直至施加荷載到設(shè)計最大荷載。本發(fā)明提供的試驗系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，容易實現(xiàn)。本發(fā)明提供的方法是有機融合了巖土力學模型試驗宏觀力學特性分析、細觀圖像 的力學特性分析、細觀力學數(shù)值模擬、連續(xù)-離散耦合數(shù)值模擬的宏細觀力學試驗與數(shù)值 模擬相結(jié)合的精細化試驗研究方法。該方法是通過室內(nèi)模型試驗、地基土的場觀測、局部的細觀觀測、細觀力學的數(shù)值 模擬、連續(xù)-離散的偶合數(shù)值模擬的有機融合。本發(fā)明與室內(nèi)模型試驗相比，本發(fā)明增加了 與場分析相結(jié)合的細觀試驗；與數(shù)值模擬試驗相比本發(fā)明增加了與物理模型試驗、細觀試 驗相融合的細觀力學數(shù)值模擬和連續(xù)-離散耦合數(shù)值模擬。本發(fā)明提供的方法能夠適應(yīng)建 筑工程、道路工程、碼頭工程、河海岸工程和近海工程的工程研究和災(zāi)變機理研究的發(fā)展需 要。
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
來進一步說明本發(fā)明。

圖1為本發(fā)明重模型試驗系統(tǒng)示意圖。圖2為本發(fā)明方法的模型試驗的流程圖。圖3為本發(fā)明方法中場分析系統(tǒng)示意圖。圖4為本發(fā)明方法中土樣細觀結(jié)構(gòu)圖像分析系統(tǒng)示意圖。圖5為微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)中各參數(shù)的包含關(guān)系圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結(jié) 合具體圖示，進一步闡述本發(fā)明。本發(fā)明提供的方法是基于模型試驗系統(tǒng)實施，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。基于宏細觀力學的巖土力學模型試驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括模型試驗箱100、模型試驗 加載裝置200、荷載測量裝置300、基礎(chǔ)模型、數(shù)碼照相機400、體視顯微鏡500、計算機600、 新聞燈700。其中模型試驗箱100為整個試驗中心，其內(nèi)部設(shè)置試驗土樣，其用于觀測的一面 透明，該觀測面可用玻璃制成。系統(tǒng)中的基礎(chǔ)模型緊貼于模型試驗箱觀測面的內(nèi)側(cè)，這樣便 于觀察和拍照。模型試驗加載裝置200用于試驗中對模型試驗箱內(nèi)土樣施加荷載，其安置在反力 裝置800上，主要的施力部件為一千斤頂201，其通過模型樁基礎(chǔ)202對模型試驗箱內(nèi)土樣 施加荷載。荷載測量裝置300測量模型試驗箱內(nèi)土樣所承受的荷載，其可為測力環(huán)，安置在 反力裝置800上，并與千斤頂201相接。這樣非常容易測量模型試驗箱內(nèi)土樣所承受的荷 載。數(shù)碼相機400通過模型試驗箱觀測面拍攝土樣變化過程的圖像，并傳至計算機 600 ；而體視顯微鏡500用于攝取土樣細觀結(jié)構(gòu)的顯微圖像，并傳至計算機600。計算機600為整個試驗系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理中心，其內(nèi)設(shè)置有場分析系統(tǒng)和細觀結(jié)構(gòu) 圖像分析系統(tǒng)，該計數(shù)機采集采集和記錄數(shù)據(jù)，并通過兩個分析系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的分 析。新聞燈700用于數(shù)碼照相機和體視顯微鏡拍攝時提供相應(yīng)的照明?；谇懊娴脑囼炏到y(tǒng)，本發(fā)明提供的試驗方法具體步驟如下(如圖2所示)第一步，根據(jù)工程區(qū)域的工程地質(zhì)、海洋與水文等條件、工程建設(shè)項目要求和工程 設(shè)計要求，進行巖土力學模型試驗的模型設(shè)計，模型和原型之間要滿足系統(tǒng)的相似性要求 (其為現(xiàn)有技術(shù)，此處不加以贅述)。第二步，進行試驗測試系統(tǒng)的布置設(shè)計，荷載傳感器、位移傳感器、應(yīng)變片、土壓力 傳感器、孔壓傳感器、地基土變形場觀測數(shù)碼相機、土結(jié)構(gòu)細觀觀測體視顯微鏡、數(shù)據(jù)傳輸 線和接收裝置、數(shù)據(jù)處理計算機進行布置設(shè)計。第三步，按設(shè)計要求設(shè)置模型箱內(nèi)土樣和基礎(chǔ)模型(其為現(xiàn)有技術(shù)，此處不加以贅述)，將試驗測試裝置中的貼應(yīng)變片于基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的相應(yīng)部位，同時按設(shè)計要求，設(shè)置土壓 力傳感器、孔壓傳感器等于土中相應(yīng)部位，設(shè)置荷載感器和位移傳感器相應(yīng)部位，設(shè)置數(shù)碼 相機，設(shè)置體視顯微鏡；土工試驗，試驗測試模型箱內(nèi)土樣的物理力學參數(shù)，為模型試驗做 準備。第四步，試驗預(yù)加荷，對試驗測試的完整系統(tǒng)進行通路和調(diào)試。第五步，試驗開始，通過圖1所示的千斤頂對模型樁基礎(chǔ)施加第一級荷載，通過圖 1所示的測力環(huán)量測施加的荷載，量測各傳感器的測試數(shù)據(jù)，通過數(shù)碼相機拍攝荷載增加 過程中土樣的變形場的變化過程，通過體視顯微鏡拍攝預(yù)先確定的觀測點的土結(jié)構(gòu)顯微圖 象，觀測數(shù)據(jù)采集完整。第六步，步驟五中拍攝的土樣變形場的圖像，傳至計算機中，并由場分析系統(tǒng)的處 理，可以將數(shù)碼圖像分析后輸出土樣的網(wǎng)格變形圖像、剪切應(yīng)變圖像、主應(yīng)變圖像、位移圖像。其中場分析系統(tǒng)通過如下步驟進行相應(yīng)的處理(參見圖3)(601)獲取數(shù)碼相機拍攝的數(shù)字圖像，完成數(shù)據(jù)的采集；(602)將獲得的數(shù)字圖像進行處理形成相應(yīng)圖像格式的數(shù)字圖像序列，其可以為 BMP和PPN等圖像格式；(603)建立圖像控制點坐標文件，繼而完成圖像的輸入；(604)進行標點參數(shù)拾取與識別參數(shù)設(shè)定；(605)對輸入的圖像進行圖像二值化、標點識別以及質(zhì)心坐標計算；(606)對處理好的圖像進行坐標轉(zhuǎn)換和圖像校準；(607)根據(jù)步驟(606)處理好的圖像進行位移和應(yīng)變分析；(608)對步驟(607)分析處理的結(jié)果進行檢查、校正以及更新；(609)將最終的結(jié)果形成便于后期處理的數(shù)據(jù)，屆時完成圖像分析與數(shù)據(jù)的輸 出；(610)進行數(shù)據(jù)的后處理，將結(jié)果數(shù)據(jù)進行可視化處理和相應(yīng)的分析。第七步，步驟五中拍攝的土樣細觀結(jié)構(gòu)的顯微圖像，送至計算機中細觀結(jié)構(gòu)圖像 分析系統(tǒng)，進行處理，可以輸出各自觀測時間點的土樣結(jié)構(gòu)的細觀參數(shù)，并分析土樣細觀結(jié) 構(gòu)的變化及規(guī)律。其中細觀結(jié)構(gòu)圖像分析系統(tǒng)通過如下步驟進行相應(yīng)的處理(參見圖4)(701)建立圖像控制點坐標文件；(702)獲取相應(yīng)的數(shù)字圖像，完成數(shù)據(jù)的采集；(703)進行標點參數(shù)拾取與識別參數(shù)設(shè)定；(704)對輸入的圖像進行圖像二值化、標點識別以及質(zhì)心坐標計算；(705)對處理好的圖像進行坐標轉(zhuǎn)換和圖像校準；(706)進行相應(yīng)的細觀結(jié)構(gòu)形態(tài)的分析。(707)將最終的結(jié)果形成便于后期處理的數(shù)據(jù)，屆時完成圖像分析與數(shù)據(jù)的輸 出；(708)進行數(shù)據(jù)的后處理，將結(jié)果數(shù)據(jù)進行可視化處理和相應(yīng)的分析。其中土樣結(jié)構(gòu)的細觀參數(shù)主要包括(如圖5所示)
顆粒形態(tài)顆粒大小、顆粒形狀、表面起伏；顆粒排列形式顆粒定向性、顆粒分布；孔隙性孔隙大小、孔隙分布；顆粒接觸關(guān)系接觸帶形態(tài)、粒間連通性。第八步，進行細觀力學的顆粒流PFC數(shù)值模擬，基于PFC程序，進行巖土力學的細 觀數(shù)值模擬試驗，得到顆粒流PFC數(shù)值模擬試驗的土樣結(jié)構(gòu)圖像；從而可對試驗體的細觀 力學過程進行分析，與物理模型試驗的局部細觀力學過程進行對比分析和延伸研究。第九步，進行連續(xù)-離散耦合數(shù)值模擬，基于離散元與有限差分法的離散-連續(xù)耦 合分析模型對土與結(jié)構(gòu)物相互作用進行模擬試驗，得到連續(xù)-離散耦合數(shù)值模擬試驗的土 樣結(jié)構(gòu)圖像；從而可研究土與結(jié)構(gòu)物相互作用及其失效機理和失效控制。第十步，由細觀結(jié)構(gòu)圖像分析系統(tǒng)對步驟九和步驟十得到的數(shù)值模擬的土樣結(jié)構(gòu) 圖像進行分析，得到數(shù)值模擬試驗的土樣結(jié)構(gòu)的細觀參數(shù)，該細觀參數(shù)包括孔隙比、顆粒個 數(shù)、顆粒長軸、顆粒短軸、顆粒偏心度、顆粒合面積等，分析土樣細觀結(jié)構(gòu)的變化及規(guī)律。第十一步，對步驟( 得到的土樣變形發(fā)展過程的圖像進行分析，確定土樣結(jié)構(gòu) 的顯微拍攝的觀測點?？梢愿鶕?jù)極限荷載作用下土樣變形場的圖像，確定土樣結(jié)構(gòu)的顯微 拍攝觀測點；確定原則是變形最大的點，變性的變化率最大的點，土樣有明顯的剪切破壞 的點，遠離荷載影響的無變形點作對比點。第十二步，施加第二級荷載，重復上述第五步至第十一步驟。第十三步，施加第三、四、五...級荷載，重復上述第五步至第十一步驟，直至施加 荷載到設(shè)計最大荷載或達到破壞，此處的達到破壞可以按達到“荷載停止增長而相應(yīng)的位 移繼續(xù)增長”確定。第十四步，對試驗全過程的宏觀觀測、場分析、細觀結(jié)構(gòu)分析、數(shù)值模擬的力學性 質(zhì)試驗分析，形成巖土力學模型試驗的宏細觀精細化研究體系及其技術(shù)方法。以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù) 人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本 發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變 化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其 等效物界定。
權(quán)利要求
1.基于宏細觀力學的巖土力學模型試驗系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)包括模型試驗箱、 模型試驗加載裝置、荷載測量裝置、基礎(chǔ)模型、數(shù)碼照相機、體視顯微鏡、計算機、新聞燈；所 述模型試驗箱內(nèi)設(shè)置試驗土樣，所述基礎(chǔ)模型緊貼于模型試驗箱觀測面的內(nèi)側(cè)；所述模型 試驗加載裝置對模型試驗箱內(nèi)土樣施加荷載，所述荷載測量裝置測量模型試驗箱內(nèi)土樣所 承受的荷載；所述數(shù)碼相機通過模型試驗箱觀測面拍攝土樣變化過程的圖像，并傳至計算 機；所述體視顯微鏡用于攝取土樣細觀結(jié)構(gòu)的顯微圖像，并傳至計算機；所述計算機用于 數(shù)據(jù)采集、記錄和分析；所述新聞燈用于數(shù)碼照相機和體視顯微鏡拍攝時的照明。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于宏細觀力學的巖土力學模型試驗系統(tǒng)，其特征在于，所 述計算機內(nèi)設(shè)置有場分析系統(tǒng)和細觀結(jié)構(gòu)圖像分析系統(tǒng)。
3.基于宏細觀力學的巖土力學模型的精細化試驗方法，其特征在于，所述方法包括如 下步驟(1)形成與原型之間滿足系統(tǒng)相似性要求的巖土力學模型試驗的模型，并布置試驗系統(tǒng)；(2)按設(shè)計要求設(shè)置模型箱內(nèi)土樣和基礎(chǔ)模型；(3)土工試驗，試驗測試模型箱內(nèi)土樣的物理力學參數(shù)；(4)對土樣施加第一級荷載，量測施加的荷載，量測試驗測試裝置中各傳感器的測試數(shù) 據(jù)，拍攝荷載增加過程中土樣的變形場的變化過程；拍攝預(yù)先確定的觀測點的土樣細觀結(jié) 構(gòu)的顯微圖像，觀測數(shù)據(jù)采集完整；(5)將步驟(4)拍攝的土樣變形場的圖像，經(jīng)場分析系統(tǒng)的處理，可以將數(shù)碼圖像分析 后輸出土樣的網(wǎng)格變形場圖像、剪切應(yīng)變場圖像、主應(yīng)變場圖像、總位移場圖像、X方向位移 場圖像、Y方向位移場圖像；(6)將步驟(4)拍攝的土樣細觀結(jié)構(gòu)的顯微圖像，經(jīng)細觀結(jié)構(gòu)圖像分析系統(tǒng)處理，可以 輸出各自觀測時間點的土樣結(jié)構(gòu)的細觀參數(shù)，并分析土樣細觀結(jié)構(gòu)的變化及規(guī)律；(7)進行細觀力學的顆粒流PFC數(shù)值模擬，基于PFC程序，進行巖土力學的細觀數(shù)值模 擬試驗，得到顆粒流PFC數(shù)值模擬試驗的土樣結(jié)構(gòu)圖像；(8)進行連續(xù)-離散耦合數(shù)值模擬，基于離散元與有限差分法的離散-連續(xù)耦合分析模 型對土與結(jié)構(gòu)物相互作用進行模擬試驗，得到連續(xù)-離散耦合數(shù)值模擬試驗的土樣結(jié)構(gòu)圖 像；(9)由細觀結(jié)構(gòu)圖像分析系統(tǒng)對步驟(7)和步驟⑶得到的數(shù)值模擬的土樣結(jié)構(gòu)圖像 進行分析，得到數(shù)值模擬試驗的土樣結(jié)構(gòu)的細觀參數(shù)；(10)分析步驟( 得到的土樣變形發(fā)展過程的圖像，確定土樣結(jié)構(gòu)顯微拍攝的觀測占.(11)累積增加荷載，重復步驟(4)到步驟(10)，直至施加荷載到設(shè)計最大荷載。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于宏細觀力學的巖土力學模型試驗系統(tǒng)以及精細化試驗方法，其中試驗系統(tǒng)通過計算機中的兩大分析系統(tǒng)對拍攝到模型試驗箱中數(shù)字圖像進行實時分析處理。而試驗方法是通過室內(nèi)模型試驗、地基土的場觀測分析、局部的細觀觀測分析、細觀力學的數(shù)值模擬、連續(xù)-離散的偶合數(shù)值模擬的有機融合。本發(fā)明適用于建筑工程、道路工程、橋梁工程、港口工程、河海岸工程和近海工程的巖土工程試驗研究，可以解決一般工程問題，同時也可以提升對重大工程建設(shè)項目的極端環(huán)境條件和工程災(zāi)變的影響等重大關(guān)鍵問題的認識水平和研究水平。
文檔編號G01N15/08GK102081030SQ20101014241
公開日2011年6月1日 申請日期2010年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月8日
發(fā)明者劉文白, 史旦達, 周健, 李業(yè)勛, 蔣建平, 鄧益兵 申請人:上海海事大學