土体剪切破坏四维动态定量分析的试验方法

技术领域

本发明涉及一种土体剪切破坏四维动态定量分析的试验方法，属于土木工程室内测试技 术领域。

背景技术

土体的剪切破坏机理一直是国内外学者研究的热点，我国研制和引进了许多土体微细结 构的试验方法，如：压汞法、磁化率法、扫描电子显微镜分析法(SEM)、计算机断层扫描分 析法(CT)、微结构光学测试系统(MOTS)等，这些试验方法的研制和引进为深入研究土体 的剪切破坏机理提供了途径。然而，现有的各类土体微细结构试验方法均存在不足，无法实 现四维动态定量的试验分析，给出四维动态定量分析试验方法无疑将使揭示土体破坏机理研 究更进一步。

尽管前人在光学测试、CT测试方面开展了卓有成效的研究，取得了不少成果，但受测 试仪器、测试技术等因素限制，两种方法仍均有不足：

(1)在光学测试方面，微细结构光学测试系统(MOTS)在岩土材料微细结构连续跟踪、 定量观测方面有较大优势。然而，光学观测只能提供光所覆盖部分的信息，因此该方法提供 的是二维平面观测数据(土样为半圆柱样)，未能获取土体三维微细结构信息，土体结构用三 维空间来描述显然更具优势。

(2)在CT测试方面，传统CT测试机(多借用医学CT机)在获取土体材料的微细结 构三维信息方面已逐步被高性能Micro-CT机所替代。尽管如此，目前的Micro-CT机仅对土 体在某一特殊状态下进行扫描(如试验开始前、试验结束后)，该测试手段仍然不能连续测试 岩土材料在荷载下微结构的真实变化状况(其他试验手段也是如此，如SEM法等)，因此也 无法从时间上考虑岩土材料微颗粒及孔隙的实际位移变化信息。事实上，岩土材料受荷下的 变形破坏是一个原生结构逐渐破坏、次生结构逐渐形成的过程，是一个动态变化的过程，根 据试样某一阶段或破坏结果的微结构变化来推论其在受力状态下的变化规律，必有其局限性， 也只能停留在定性和逻辑分析上。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种土体剪切破坏四维动态定量分析的试验方法，该 方法基于二维光学测试技术和Micro-CT三维测试技术，是一种可用于土体剪切破坏过程中四 维(空间三维、时间维)动态定量分析的试验方法。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案

本发明提供一种土体剪切破坏四维动态定量分析的试验方法，包括以下具体步骤：

步骤1，在土体加载剪切过程中，基于二维光学测试技术，获取土体的基于时间维的二 维平面动态变化特征；

步骤2，在土体加载剪切过程中，根据设定的时间间隔暂停加载，基于转台式扫描技术、 采用X射线探测器对土体进行Micro-CT测试，获取土体的三维空间静态特征；

步骤3，在Micro-CT测试结束后，立即继续加载，并继续同步进行二维光学测试获取土 体的基于时间维的二维平面动态变化特征；

步骤4，按照步骤1至3，交替进行二维光学测试与Micro-CT测试，直至土体剪切破坏；

步骤5，建立光孔透射配准模型，将获取的基于时间维的二维平面动态变化特征与三维 空间静态特征进行空间配准，根据两者之间相同标记点的动态变化，将基于时间维的二维平 面动态变化特征通过空间配准关系与三维空间静态特征对接，使基于时间维的二维平面动态 变化特征与三维空间静态特征融合，获得基于时间维的土体三维空间动态变化特征，从而实 现土体剪切破坏过程中的四维动态定量分析试验。

作为本发明的进一步优化方案，步骤1中基于二维光学测试技术，获取土体剪切过程中 基于时间维的二维平面动态变化特征，具体为：采用高放大倍数的长距离显微镜CCD光学摄 像头，配以高分辨率的数字图像采集系统，同步连续拍摄土体剪切过程中的照片，从而获取 基于时间维的二维平面动态变化特征。

作为本发明的进一步优化方案，上述高放大倍数的长距离显微镜CCD光学摄像头的放大 倍数为20～500倍。

作为本发明的进一步优化方案，步骤2中X射线探测器为日本滨松Hamamatsu的 C7942CA-02基于CMOS的平板探测器。

作为本发明的进一步优化方案，步骤2中转台式扫描技术具体为：使用一个电控旋转台 完成旋转功能，利用x维、y维、z维电控平移台实现被扫描土体的三维空间位置的调整。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明基于二维光学测 试技术与Micro-CT三维测试技术，将获取的基于时间维的二维光学数据(时间维、空间二维) 与Micro-CT三维数据(空间三维)进行空间配准、对接、融合，获得基于时间维的土体三维 空间动态变化特征，实现土体剪切破坏过程中四维(空间三维、时间维)的动态定量分析试 验。

附图说明

图1是本发明的方法流程图。

图2是本发明的四维动态测试装置的俯视图。

其中：1-Micro-CT射线源；2-半圆柱土样；3-中央旋转控制平台；4-x维控制器；5-y维 控制器；6-X射线；7-Y射线平板探测器；8-CCD摄像头；9-防护铅板；10-CCD平面。

图3是二维光学测试的坐标系与Micro-CT三维测试的联合坐标系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

图1为本发明的方法流程图，在前文的发明内容中已经具体阐述，这里不再赘述。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步阐述：

首先，如图2所示，构建好测试装置，并制备半圆柱形土样。

其次，在加载剪切过程中，基于二维光学测试技术，获取土体剪切过程中基于时间维的 二维平面动态变化特征。

再次，土体加载剪切过程中，根据设定的时间，如时间t₁，暂停加载，立即启动Micro-CT， 基于转台式扫描技术，采用X射线探测器对土样进行Micro-CT旋转扫描测试；

再次，在Micro-CT对土样进行旋转扫描结束后(记时间消耗为t_c1)立即继续加载，加载 过程中同步进行光学观测，加载到设定的时间t₂后，停止加载，随后继续进行Micro-CT测试， 如此反复直至试验结束；

再次，构建光孔透射配准模型，建立二维光学测试坐标系与Micro-CT三维测试的联合坐 标系，将基于时间维的二维平面动态变化特征与获取的三维空间静态特征进行空间配准，即 在数据处理过程中，根据二维光学图像与Micro-CT三维数据相同标记点的动态变化，将光 测变化通过空间配准关系对应于Micro-CT三维数据，从而实现光学数据(空间二维、时间 维)与Micro-CT数据(空间三维)融合，实现土体剪切破坏过程中四维动态定量分析试验。

构建的光孔透射配准模型与空间配准过程如下：

(1)二维光学测试的坐标系与Micro-CT三维测试的联合坐标系，如图3所示。其中， 二维光学测试的坐标系为M-xyz，Micro-CT三维测试的坐标系为O-xyz，两者共用y轴；

(2)构建光孔透射配准模型，对光学CCD相机建模，如图3所示。该模型中，CCD透 镜等效为光心M，CCD所在平面称为像平面EFGH，像平面EFGH中心交y轴N点，聚焦清 晰时土样所在平面称为焦平面ABCD；

(3)对于土样表面上的一配准点P，其空间位置可以用Micro-CT数据确定，即其空间 位置的Micro-CT坐标值是已知的，表示为(x_CT，y_CT,z_CT)，从该点透射出的可见光经透镜光 心映射到CCD的P’点，点P和点P’一一对应；

(4)因光学/Micro-CT融合系统安装在同一个标准的光学平台上，描述两个坐标系 (M-xyz、O-xyz)之间关系的三个平移量和三个旋转量，可以省略两个平移量和三个旋转量， 只考虑关于y轴的平移量；

(5)Micro-CT坐标原点O在光学坐标下的坐标值为(c_x,c_y,c_z)，则配准点P在光学坐 标系的三维坐标为${[x_t,y_t,z_t]}^T=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& c_x\\ 0& 1& 0& c_y\\ 0& 0& 1& c_z\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{CT}}\\ y_{\mathrm{CT}}\\ z_{\mathrm{CT}}\\ 1\end{array}\right);$

(6)点P和点P’关于光心M点对称，记为l₁，为l₂，则P’的坐标为： ${[x_t^{,},y_t^{,},z_t^{,}]}^T=-\frac{l_1}{l_2}\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& c_x\\ 0& 1& 0& c_y\\ 0& 0& 1& c_z\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{CT}}\\ y_{\mathrm{CT}}\\ z_{\mathrm{CT}}\\ 1\end{array}\right);$

(7)对于光学坐标系M-xyz，配准点P的坐标为(x_M,y_M,z_M)，对于若干配准点，构 造误差函数：$\Phi =\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}[{({x_M}^{\left(i\right)}-{x_t^{,}}^{\left(i\right)})}^2+{({y_M}^{\left(i\right)}-{y_t^{,}}^{\left(i\right)})}^2+{({z_M}^{\left(i\right)}-{z_t^{,}}^{\left(i\right)})}^2],$其中，i＝1...n，为配准 点个数。

(8)使用优化或搜索方法，求使得误差函数Φ最小的(c_x,c_y,c_z)。

最后，通过Micro-CT测试，能获取土体内部某点的三维坐标为：(x_CT,y_CT,z_CT)，通过配 准获取光学坐标系的三维坐标为：${[x_t,y_t,z_t]}^T=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& c_x\\ 0& 1& 0& c_y\\ 0& 0& 1& c_z\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{CT}}\\ y_{\mathrm{CT}}\\ z_{\mathrm{CT}}\\ 1\end{array}\right);$加入光学测试的时间因 素，则土体剪切四维测试位移场表示为：${[x_t,y_t,z_t,t]}^T=\left(\begin{array}{cccc}1& 0& 0& c_x\\ 0& 1& 0& c_y\\ 0& 0& 1& c_z\\ 0& 0& 0& t\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{CT}}\\ y_{\mathrm{CT}}\\ z_{\mathrm{CT}}\\ 1\end{array}\right).$

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟 悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明 的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。