一種地震作用下土體中基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和土體運(yùn)動可視化的模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于巖上試驗(yàn)力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種地震作用下上體中基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和 上體運(yùn)動可視化的模擬方法
【背景技術(shù)】
[0002] 在巖±工程中，由于結(jié)構(gòu)例如錯(cuò)桿、地基基礎(chǔ)和±工織物等通常是埋置在±體中 的，肉眼是看不見的，研究人員曾經(jīng)采用CT、X射線成像方法、核磁共振等方法實(shí)現(xiàn)±體中 結(jié)構(gòu)和附近±體的可視化。但是該些方法中設(shè)備比較昂貴，難W推廣應(yīng)用，該里提出了一種 經(jīng)濟(jì)可行的實(shí)現(xiàn)一種地震作用下±體中基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和±體運(yùn)動可視化的模擬方法。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]
[0004] 針對±體的不同可W選用硅膠顆粒，烙融石英砂，無定型硅膠等透明的顆粒材料 和與該些材料折射系數(shù)相一致的孔隙溶液，孔隙溶液可W通過選擇兩種折射系數(shù)不同的液 體配置。把透明的顆粒材料與折射系數(shù)一致的孔隙液體拌合在一起，就可W制作出透明度 較好的模擬巖±性質(zhì)的類巖±材料。
[0005] 地震是通過小型的振動臺產(chǎn)生的地震波進(jìn)行模擬的。另外制作小型的模型箱，為 了實(shí)現(xiàn)可視化，模型箱在觀測的一面由透明的有機(jī)玻璃或者玻璃制作。透明±放在模型箱 體中，形成透明±模型。
[0006] 其次，扇形激光系統(tǒng)通過透明±模型，由于顆粒和激光的反射、散射和漫射作用， 在透明±體內(nèi)部產(chǎn)生激光散斑效應(yīng)，形成散斑場。
[0007] 高速數(shù)碼相機(jī)放置在透明±模型前面，用于捕捉地震荷載作用下±體和結(jié)構(gòu)的運(yùn) 動和變形，由計(jì)算機(jī)采集控制系統(tǒng)控制相機(jī)進(jìn)行圖像的采集。采集的散斑圖像進(jìn)行圖像處 理，可W采用數(shù)字圖像相關(guān)的方法得到±體的變形和位移W及結(jié)構(gòu)的變形和位移，從而實(shí) 現(xiàn)了地震荷載作用下±體和結(jié)構(gòu)運(yùn)動的可視化，為研究地震作用下±與結(jié)構(gòu)相互作用提供 了一種非常好的試驗(yàn)方法。
[000引本專利提出的一種地震作用下±體中基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和±體運(yùn)動可視化的模擬方法，是 一種創(chuàng)新性的方法，是比CT掃描，X射線成像，核磁共振更加經(jīng)濟(jì)和簡單可行的一種方法； 可W在巖上力學(xué)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。
[0009] 所述的透明±，可W是硅膠顆粒，無定形硅膠顆粒或者是烙融石英，孔隙液體可W 是任意能和透明顆粒材料折射系數(shù)相匹配的液體，不能和透明材料發(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng)。 發(fā)明中的振動臺，可W是能產(chǎn)生多種波形荷載的振動平臺裝置。發(fā)明中的高速數(shù)碼相機(jī)，可 W是工業(yè)上廣泛應(yīng)用的高速CCD，CMOS相機(jī)，具有不少于10萬的像素精度。發(fā)明中采用的 圖像處理方法，可W是基于圖像相關(guān)方法測量原理的多種圖像處理方法，也可W采用圖像 處理開源軟件完成圖像處理的工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明提供了一種地震作用下±體中基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和±體運(yùn)動可視化的模擬方法，用 透明±用來模擬天然的±體材料，通過扇面激光系統(tǒng)，振動臺和高速數(shù)碼相機(jī)和圖像處理 等設(shè)備和方法，實(shí)現(xiàn)地震荷載作用下±體結(jié)構(gòu)和±體運(yùn)動的可視化。本發(fā)明的技術(shù)方案包 括W下步驟：
[0011] 步驟一，設(shè)備安裝；模擬設(shè)備主要由扇面激光發(fā)生器、透明±體、震動臺、高速數(shù)碼 相機(jī)、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)、模型粧和±模型箱組成；透明的±模型箱為長方型箱體結(jié)構(gòu)，其中 裝滿模擬的透明±體；在透明±體中屯、位置打入透明的模型粧；將固定有模型粧的±模型 箱放置在振動臺上；扇面激光發(fā)生器放在±模型箱的一個(gè)側(cè)面，使扇面激光發(fā)生器的激光 進(jìn)入透明±模型箱內(nèi)部，在垂直于入射面方向形成較好的激光散斑效果，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數(shù)碼相機(jī)；
[0012] 步驟二，數(shù)據(jù)采集，設(shè)定好高速數(shù)碼相機(jī)的采集頻率，要為采集地震荷載頻率的20 倍W上；輸入模擬地震載荷到振動臺，高速數(shù)碼相機(jī)采集地震荷載作用下透明±體模型的 激光散斑圖像和模型粧的運(yùn)動和變形圖像；
[0013] 步驟=，將采集到的透明±體的激光散斑圖像進(jìn)行處理，可W使用geoPIV軟件采 用圖像數(shù)字相關(guān)的方法，得出±體顆粒運(yùn)動的位移，然后通過geoPIV的應(yīng)變求解函數(shù)，計(jì) 算得到±體顆粒運(yùn)動的應(yīng)變；從而得出粧基礎(chǔ)模型的運(yùn)動和變形。
[0014] 步驟=中，將采集到的一系列透明±體的激光散斑圖像進(jìn)行篩選，選取想要的N 幅圖像，根據(jù)數(shù)字信號分析的原理，對連續(xù)的兩組圖像進(jìn)行定量分析，尋找互相關(guān)函數(shù)的峰 值，確定互相關(guān)函數(shù)峰值所在的位置，就可W匹配前后A、B兩幅圖像上同一散斑點(diǎn)；離散二 維互相關(guān)函數(shù)為：
[0015] 其中M，N為橫縱坐標(biāo)個(gè)數(shù)；p，q是A、B兩幅圖像從點(diǎn)的坐標(biāo)為變量的函數(shù)；m，n為 A圖像中點(diǎn)的坐標(biāo)；k，1為A圖像中點(diǎn)的位移，則m-k，n-1即為B圖像中點(diǎn)的坐標(biāo)；完成匹 配后就可W通過geoPIV軟件畫出位移場；得到位移場后可再根據(jù)位移與應(yīng)變的關(guān)系得到 應(yīng)變場；通過GeoPIV中的geostrain函數(shù)，[strains] =geoSTRAIN(XYdata)，其中輸入?yún)?數(shù)XYdata是散斑點(diǎn)在X，Y軸方向上的位移量矩陣，而輸出值strains就是對于的散斑點(diǎn)的 應(yīng)變值矩陣；粧基礎(chǔ)模型的運(yùn)動和變形也可W根據(jù)圖像識別和跟蹤的方法得到。
[0016] 本發(fā)明將透明±模型引入到±體與結(jié)構(gòu)的動力相互作用研究領(lǐng)域，是具有開創(chuàng)性 的，能夠?yàn)榈卣鸷奢d作用下±體和結(jié)構(gòu)變形和運(yùn)動的可視化提供一種很好的方法。本方法 中透明±體容易配置、經(jīng)濟(jì)可行、數(shù)字相機(jī)也是比較易于獲得且像素精度比較高且可靠的 設(shè)備。該種方法由于大大降低了實(shí)現(xiàn)±體中結(jié)構(gòu)和±體變形可視化的費(fèi)用，是一種具有在 巨大應(yīng)用潛力的方法。極大的節(jié)約了試驗(yàn)費(fèi)用，方便推廣使用，促進(jìn)巖±動力學(xué)的研究發(fā) 展。
【附圖說明】
[0017] 圖1是本發(fā)明各組成部分示意圖。
[001引圖中；1.扇面激光發(fā)生器、2.透明±體、3.震動臺、4.高速數(shù)碼相機(jī)、5.振動臺和 相機(jī)采集控制系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)、6.模型粧、7. ±模型箱。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0020] 如圖一種地震作用下±體中基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和±體運(yùn)動可視化的模擬方法，可W采用W 下的技術(shù)步驟實(shí)現(xiàn)：
[002U (1)制作±模型箱（7) (30cmX10cmX30cm),模型箱采用高強(qiáng)透明玻璃制作
[0022] (2)配置一定密度控制的透明±體（2)，采用l-3mm粒徑的烙融石英顆粒，孔隙液 體采用一定濃度的CaBrs溶液，
[002引 做透明±體似中屯、位置打入模型粧化），模型粧做可W用有機(jī)玻璃制作，
[0024] (4)將固定有模型粧化）的±模型箱（7)放置在振動臺上，
[0025] (5)將扇面激光發(fā)生器（1) (532nm綠激光）放在透明±模型（7)側(cè)面，使扇面激光 發(fā)生器（1)的激光進(jìn)入透明上模型內(nèi)部形成較好的激光散斑效果，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±體模型正面放置高速數(shù)碼相機(jī)，使相機(jī)與透明±模型箱（7)的正面 垂直，
[0027] (7)設(shè)定好相機(jī)的采集頻率，要為采集地震荷載的20倍W上，輸入模擬地震載荷 到振動臺，相機(jī)采集地震荷載作用下透明±體模型的激光散斑圖像和模型粧的運(yùn)動和變 形圖像，
[002引做將采集到的透明±體的激光散斑圖像進(jìn)行處理，可W使用geoPIV軟件采用圖 像數(shù)字相關(guān)的方法，得出±體顆粒運(yùn)動的位移，然后通過geoPIV的應(yīng)變求解函數(shù)，計(jì)算得 到±體顆粒運(yùn)動的應(yīng)變。粧基礎(chǔ)模型的運(yùn)動和變形也可W根據(jù)圖像識別和跟蹤的方法得 到。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種地震作用下土體中基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和土體運(yùn)動可視化的模擬方法，其特征在于包括如 下步驟： 步驟一，設(shè)備安裝：模擬設(shè)備主要由扇面激光發(fā)生器（1)、透明土體（2)、震動臺（3)、高 速數(shù)碼相機(jī)（4)、計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)（5)、模型粧（6)和土模型箱（7)組成；透明的土模型箱 (7)為長方型箱體結(jié)構(gòu)，其中裝滿模擬的透明土體⑵；在透明土體⑵中心位置打入透明 的模型粧（6);將固定有模型粧（6)的土模型箱（7)放置在振動臺（3)上；扇面激光發(fā)生器 (1)放在土模型箱（7)的一個(gè)側(cè)面，使扇面激光發(fā)生器（1)的激光進(jìn)入透明土模型箱（7)內(nèi) 部，在垂直于入射面方向形成較好的激光散斑效果，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)正面放置高速數(shù)碼相機(jī)（4); 步驟二，數(shù)據(jù)采集，設(shè)定好高速數(shù)碼相機(jī)（4)的采集頻率，要為采集地震荷載頻率的20 倍以上；輸入模擬地震載荷到振動臺（3)，高速數(shù)碼相機(jī)（4)采集地震荷載作用下透明土體 模型的激光散斑圖像和模型粧（6)的運(yùn)動和變形圖像； 步驟三，將采集到的透明土體的激光散斑圖像進(jìn)行處理，可以使用geoPIV軟件采用圖 像數(shù)字相關(guān)的方法，得出土體顆粒運(yùn)動的位移，然后通過geoPIV的應(yīng)變求解函數(shù)，計(jì)算得 到土體顆粒運(yùn)動的應(yīng)變；從而得出粧基礎(chǔ)模型的運(yùn)動和變形。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種地震作用下土體中基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和土體運(yùn)動可視化的模擬 方法，其特征在于步驟三中，將采集到的一系列透明土體的激光散斑圖像進(jìn)行篩選，選取想 要的N幅圖像，根據(jù)數(shù)字信號分析的原理，對連續(xù)的兩組圖像進(jìn)行定量分析，尋找互相關(guān)函 數(shù)的峰值，確定互相關(guān)函數(shù)峰值所在的位置，就可以匹配前后A、B兩幅圖像上同一散斑點(diǎn)； 離散二維互相關(guān)函數(shù)為：其中M，N為橫縱坐標(biāo)個(gè)數(shù)；p，q是A、B兩幅圖像以點(diǎn)的坐標(biāo)為變量的函數(shù)；m，n為A圖像中點(diǎn)的坐標(biāo)；k，1為A圖像中點(diǎn)的位移，則m-k，n-1即為B圖像中點(diǎn)的坐標(biāo)；完成匹配 后就可以通過geoPIV軟件畫出位移場；得到位移場后可再根據(jù)位移與應(yīng)變的關(guān)系得到應(yīng) 變場；通過GeoPIV中的geostrain函數(shù)，[strains] =geoSTRAIN(XYdata)，其中輸入?yún)?shù) XYdata是散斑點(diǎn)在X，Y軸方向上的位移量矩陣，而輸出值strains就是對于的散斑點(diǎn)的應(yīng) 變值矩陣；粧基礎(chǔ)模型的運(yùn)動和變形也可以根據(jù)圖像識別和跟蹤的方法得到。
【專利摘要】一種地震作用下土體中基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和土體運(yùn)動可視化的模擬方法，屬于巖土試驗(yàn)力學(xué)領(lǐng)域。利用高速數(shù)碼相機(jī)(4)拍照扇面激光發(fā)生器(1)照射下，位于震動臺(3)上的透明的土模型箱(7)中的透明土和模型樁(6)的移動和激光散斑；并通過計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)得到透明土體顆粒運(yùn)動的應(yīng)變；從而得出樁基礎(chǔ)模型的運(yùn)動和變形。
【IPC分類】G01N21/84
【公開號】CN104964978
【申請?zhí)枴緾N201510401241
【發(fā)明人】趙紅華, 康馨, 鄭嘯男, 呂久洲, 張智
【申請人】大連理工大學(xué)
【公開日】2015年10月7日
【申請日】2015年7月8日