基于宏细观力学的岩土力学模型试验系统以及精细化试验方法

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基于宏细观力学的岩土力学模型试验系统以及精细化试验\n方法\n技术领域：\n[0001] 本发明涉及一种应用于基本建设工程的岩土工程试验研究方法，具体涉及一种基于宏细观力学的岩土力学模型试验系统以及相应的精细化试验方法。\n背景技术：\n[0002] 目前对建筑工程、道路工程、码头工程、河海岸工程和近海工程的岩土力学的试验研究多采用模型试验方法、数值模拟方法、现场测试方法。\n[0003] 模型试验方法一般是指在实验室条件下，用缩小的(特殊情况下也有放大的)模型进行原型物理系统的现象研究，模型和原型之间要满足系统的相似性要求。模型试验方法可以测试宏观物理量，但是无法测试直观观测土样的细观结构。\n[0004] 数值模拟方法也称为计算机模拟，以计算机为手段，通过数值计算和图像显示方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的；数值模拟包括建立数学模型、高效高准确率的计算方法、编程和计算、数值图像显示的几个步骤。数值模拟方法可以进行连续体数值模拟，但是无法通过基于细观试验的细观数值模拟，得到接触面的细观力学参数，进行细观建模。\n[0005] 现场测试方法是在现场的原型工程建筑物的相关部位取样和埋设仪器，进行物理力学实验、工程材料试验、应力和变形观测等，对工程的施工阶段和运行阶段进行验证核查、施工质量监控，长期监测施工期间和运营期间建筑物和地基土的工作性状以检验设计方法、计算参数和计算结果是否符合实际，保证施工期和运营期的安全。现场测试方法可以进行现场原型的物理量观测，但是无法进行土样的细观结构观测测试，得到土样的细观力学参数，进行精细化试验。\n[0006] 随重大工程建设项目的日益增多，极端环境条件和工程灾变的影响研究重要性的提升，为此，需要研究一种适用于建筑工程、道路工程、桥梁工程、港口工程、河海岸工程和近海工程等基本建设工程的岩土工程试验方法。\n发明内容：\n[0007] 针对上述常用岩土模型试验方法具有各自的特点，以及适用条件的局限性，常规的室内模型试验在细观观测和宏细观研究的问题难以解决，本发明提供一种适用于建筑工程、道路工程、桥梁工程、码头工程、河海岸工程和近海工程的岩土力学模型试验的模拟试验系统以及基于该系统实施的宏细观力学的精细化研究方法。该试验系统与试验方法具有场分析、细观图象观测与分析、连续-离散耦合数值模拟及其多技术融合的优点，能进行精细化研究，尤其适合于对重大工程的难点、关键技术问题的机理研究。\n[0008] 为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：\n[0009] 基于宏细观力学的岩土力学模型试验系统，该系统包括模型试验箱、模型试验加载装置、荷载测量装置、基础模型、数码照相机、体视显微镜、计算机、新闻灯；所述模型试验箱内设置试验土样，所述基础模型紧贴于模型试验箱观测面的内侧；所述模型试验加载装置对模型试验箱内土样施加荷载，所述荷载测量装置测量模型试验箱内土样所承受的荷载；所述数码相机通过模型试验箱观测面拍摄土样变化过程的图像，并传至计算机；所述体视显微镜用于摄取土样细观结构的显微图像，并传至计算机；所述计算机用于数据采集、记录和分析；所述新闻灯用于数码照相机和体视显微镜拍摄时的照明。\n[0010] 所述计算机内设置有场分析系统和细观结构图像分析系统。\n[0011] 基于宏细观力学的岩土力学模型的精细化试验方法，该方法包括如下步骤：\n[0012] (1)形成与原型之间满足系统相似性要求的岩土力学模型试验的模型，并布置试验系统；\n[0013] (2)按设计要求设置模型箱内土样和基础模型；\n[0014] (3)土工试验，试验测试模型箱内土样的物理力学参数；\n[0015] (4)对土样施加第一级荷载，量测施加的荷载，量测试验测试装置中各传感器的测试数据，拍摄荷载增加过程中土样的变形场的变化过程；拍摄预先确定的观测点的土样细观结构的显微图像，观测数据采集完整；\n[0016] (5)将步骤(4)拍摄的土样变形场的图像，经场分析系统的处理，可以将数码图像分析后输出土样的网格变形场图像、剪切应变场图像、主应变场图像、总位移场图像、X方向位移场图像、Y方向位移场图像；\n[0017] (6)将步骤(4)拍摄的土样细观结构的显微图像，经细观结构图像分析系统处理，可以输出各自观测时间点的土样结构的细观参数，并分析土样细观结构的变化及规律。\n[0018] (7)进行细观力学的颗粒流PFC数值模拟，基于PFC程序，进行岩土力学的细观数值模拟试验，得到颗粒流PFC数值模拟试验的土样结构图像；\n[0019] (8)进行连续-离散耦合数值模拟，基于离散元与有限差分法的离散-连续耦合分析模型对土与结构物相互作用进行模拟试验，得到连续-离散耦合数值模拟试验的土样结构图像；\n[0020] (9)由细观结构图像分析系统对步骤(7)和步骤(8)得到的数值模拟的土样结构图像进行分析，得到数值模拟试验的土样结构的细观参数；\n[0021] (10)分析步骤(5)得到的土样变形发展过程的图像，确定土样结构显微拍摄的观测点；\n[0022] (11)累积增加荷载，重复步骤(4)到步骤(10)，直至施加荷载到设计最大荷载。\n[0023] 本发明提供的试验系统，结构简单紧凑，容易实现。\n[0024] 本发明提供的方法是有机融合了岩土力学模型试验宏观力学特性分析、细观图像的力学特性分析、细观力学数值模拟、连续-离散耦合数值模拟的宏细观力学试验与数值模拟相结合的精细化试验研究方法。\n[0025] 该方法是通过室内模型试验、地基土的场观测、局部的细观观测、细观力学的数值模拟、连续-离散的偶合数值模拟的有机融合。本发明与室内模型试验相比，本发明增加了与场分析相结合的细观试验；与数值模拟试验相比本发明增加了与物理模型试验、细观试验相融合的细观力学数值模拟和连续-离散耦合数值模拟。本发明提供的方法能够适应建筑工程、道路工程、码头工程、河海岸工程和近海工程的工程研究和灾变机理研究的发展需要。\n附图说明：\n[0026] 以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。\n[0027] 图1为本发明重模型试验系统示意图。\n[0028] 图2为本发明方法的模型试验的流程图。\n[0029] 图3为本发明方法中场分析系统示意图。\n[0030] 图4为本发明方法中土样细观结构图像分析系统示意图。\n[0031] 图5为微观结构形态中各参数的包含关系图。\n具体实施方式：\n[0032] 为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。\n[0033] 本发明提供的方法是基于模型试验系统实施，其具体结构如图1所示。\n[0034] 基于宏细观力学的岩土力学模型试验系统，该系统包括模型试验箱100、模型试验加载装置200、荷载测量装置300、基础模型、数码照相机400、体视显微镜500、计算机600、新闻灯700。\n[0035] 其中模型试验箱100为整个试验中心，其内部设置试验土样，其用于观测的一面透明，该观测面可用玻璃制成。系统中的基础模型紧贴于模型试验箱观测面的内侧，这样便于观察和拍照。\n[0036] 模型试验加载装置200用于试验中对模型试验箱内土样施加荷载，其安置在反力装置800上，主要的施力部件为一千斤顶201，其通过模型桩基础202对模型试验箱内土样施加荷载。\n[0037] 荷载测量装置300测量模型试验箱内土样所承受的荷载，其可为测力环，安置在反力装置800上，并与千斤顶201相接。这样非常容易测量模型试验箱内土样所承受的荷载。\n[0038] 数码相机400通过模型试验箱观测面拍摄土样变化过程的图像，并传至计算机\n600；而体视显微镜500用于摄取土样细观结构的显微图像，并传至计算机600。\n[0039] 计算机600为整个试验系统的数据处理中心，其内设置有场分析系统和细观结构图像分析系统，该计数机采集采集和记录数据，并通过两个分析系统对数据进行相应的分析。\n[0040] 新闻灯700用于数码照相机和体视显微镜拍摄时提供相应的照明。\n[0041] 基于前面的试验系统，本发明提供的试验方法具体步骤如下(如图2所示)：\n[0042] 第一步，根据工程区域的工程地质、海洋与水文等条件、工程建设项目要求和工程设计要求，进行岩土力学模型试验的模型设计，模型和原型之间要满足系统的相似性要求(其为现有技术，此处不加以赘述)。\n[0043] 第二步，进行试验测试系统的布置设计，荷载传感器、位移传感器、应变片、土压力传感器、孔压传感器、地基土变形场观测数码相机、土结构细观观测体视显微镜、数据传输线和接收装置、数据处理计算机进行布置设计。\n[0044] 第三步，按设计要求设置模型箱内土样和基础模型(其为现有技术，此处不加以赘述)，将试验测试装置中的贴应变片于基础结构的相应部位，同时按设计要求，设置土压力传感器、孔压传感器等于土中相应部位，设置荷载感器和位移传感器相应部位，设置数码相机，设置体视显微镜；土工试验，试验测试模型箱内土样的物理力学参数，为模型试验做准备。\n[0045] 第四步，试验预加荷，对试验测试的完整系统进行通路和调试。\n[0046] 第五步，试验开始，通过图1所示的千斤顶对模型桩基础施加第一级荷载，通过图\n1所示的测力环量测施加的荷载，量测各传感器的测试数据，通过数码相机拍摄荷载增加过程中土样的变形场的变化过程，通过体视显微镜拍摄预先确定的观测点的土结构显微图象，观测数据采集完整。\n[0047] 第六步，步骤五中拍摄的土样变形场的图像，传至计算机中，并由场分析系统的处理，可以将数码图像分析后输出土样的网格变形图像、剪切应变图像、主应变图像、位移图像。\n[0048] 其中场分析系统通过如下步骤进行相应的处理(参见图3)：\n[0049] (601)获取数码相机拍摄的数字图像，完成数据的采集；\n[0050] (602)将获得的数字图像进行处理形成相应图像格式的数字图像序列，其可以为BMP和PPN等图像格式；\n[0051] (603)建立图像控制点坐标文件，继而完成图像的输入；\n[0052] (604)进行标点参数拾取与识别参数设定；\n[0053] (605)对输入的图像进行图像二值化、标点识别以及质心坐标计算；\n[0054] (606)对处理好的图像进行坐标转换和图像校准；\n[0055] (607)根据步骤(606)处理好的图像进行位移和应变分析；\n[0056] (608)对步骤(607)分析处理的结果进行检查、校正以及更新；\n[0057] (609)将最终的结果形成便于后期处理的数据，届时完成图像分析与数据的输出；\n[0058] (610)进行数据的后处理，将结果数据进行可视化处理和相应的分析。\n[0059] 第七步，步骤五中拍摄的土样细观结构的显微图像，送至计算机中细观结构图像分析系统，进行处理，可以输出各自观测时间点的土样结构的细观参数，并分析土样细观结构的变化及规律。\n[0060] 其中细观结构图像分析系统通过如下步骤进行相应的处理(参见图4)：\n[0061] (701)建立图像控制点坐标文件；\n[0062] (702)获取相应的数字图像，完成数据的采集；\n[0063] (703)进行标点参数拾取与识别参数设定；\n[0064] (704)对输入的图像进行图像二值化、标点识别以及质心坐标计算；\n[0065] (705)对处理好的图像进行坐标转换和图像校准；\n[0066] (706)进行相应的细观结构形态的分析。\n[0067] (707)将最终的结果形成便于后期处理的数据，届时完成图像分析与数据的输出；\n[0068] (708)进行数据的后处理，将结果数据进行可视化处理和相应的分析。\n[0069] 其中土样结构的细观参数主要包括(如图5所示)：\n[0070] 颗粒形态：颗粒大小、颗粒形状、表面起伏；\n[0071] 颗粒排列形式：颗粒定向性、颗粒分布；\n[0072] 孔隙性：孔隙大小、孔隙分布；\n[0073] 颗粒接触关系：接触带形态、粒间连通性。\n[0074] 第八步，进行细观力学的颗粒流PFC数值模拟，基于PFC程序，进行岩土力学的细观数值模拟试验，得到颗粒流PFC数值模拟试验的土样结构图像；从而可对试验体的细观力学过程进行分析，与物理模型试验的局部细观力学过程进行对比分析和延伸研究。\n[0075] 第九步，进行连续-离散耦合数值模拟，基于离散元与有限差分法的离散-连续耦合分析模型对土与结构物相互作用进行模拟试验，得到连续-离散耦合数值模拟试验的土样结构图像；从而可研究土与结构物相互作用及其失效机理和失效控制。\n[0076] 第十步，由细观结构图像分析系统对步骤九和步骤十得到的数值模拟的土样结构图像进行分析，得到数值模拟试验的土样结构的细观参数，该细观参数包括孔隙比、颗粒个数、颗粒长轴、颗粒短轴、颗粒偏心度、颗粒合面积等，分析土样细观结构的变化及规律。\n[0077] 第十一步，对步骤(5)得到的土样变形发展过程的图像进行分析，确定土样结构的显微拍摄的观测点。可以根据极限荷载作用下土样变形场的图像，确定土样结构的显微拍摄观测点；确定原则是：变形最大的点，变性的变化率最大的点，土样有明显的剪切破坏的点，远离荷载影响的无变形点作对比点。\n[0078] 第十二步，施加第二级荷载，重复上述第五步至第十一步骤。\n[0079] 第十三步，施加第三、四、五...级荷载，重复上述第五步至第十一步骤，直至施加荷载到设计最大荷载或达到破坏，此处的达到破坏可以按达到“荷载停止增长而相应的位移继续增长”确定。\n[0080] 第十四步，对试验全过程的宏观观测、场分析、细观结构分析、数值模拟的力学性质试验分析，形成岩土力学模型试验的宏细观精细化研究体系及其技术方法。\n[0081] 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。