基于数字图像技术的桩周土体位移场测量

以数字图像相关(DIC)技术为基础,开发出适合岩土实验模型变形量测分析的新技术,并将该技术应用于垂直荷载下桩周土体位移场及其破坏模式的研究。试验中,直接用数码相机在试验各阶段拍摄照片,对照片序列进行图像相关分析,即可得出桩基模型试验的变形场分布。试验结果表明:利用编制的DIC程序分析桩周土体位移场是可行的;垂直荷载下单桩桩周土体位移场可分为桩侧土体变形区及桩端土体竖向变形区两个部分。随着离开桩轴线距离的增大,桩侧土体位移急剧减少,其影响范围为(4～5)b(b为桩的边长);桩端土体受扩张压力的作用,沿径向向外扩张,呈孔穴扩张现象。从桩周土体的位移场的发展过程来看,单桩呈"梨形"破坏,与Meyerhof所提出的桩周土破坏模式相似。     

基于DIC技术的桩-土-承台共同作用性状的模型试验研究

利用数字图像相关技术,编制适合岩土试验模型变形量测分析的位移场分析程序(DIC).结合室内模型试验,利用DIC程序对试验中获得的系列图像进行分析,得到群桩基础的承载变形特性、桩周土体的位移场,并对其破坏模式进行推断.研究结果表明:利用自行编制的DIC程序分析桩周土体位移场是可行的,并可以得到全场位移;随着桩距增大,群桩基础荷载沉降特性有更多的天然地基承载表现;3b(b为方桩边长)桩距群桩由于桩对桩间土体的遮拦作用明显,其侧向位移数值较6b桩距的要小;对于3b桩距群桩,土体的压缩主要集中在桩端以下土层,整个群桩基础呈实体深基础破坏模式,而对于6b桩距群桩,桩间土体的压缩量占主导地位,整个基础因桩间土体侧向挤出而破坏.分析结果验证复合桩基理论,6b桩距可视为常规桩基与复合桩基的桩距分界点.     

基于数字图像法的桩-土接触面特性试验研究

桩与土接触面的力学特性是桩-土共同作用研究中的一个重要课题。利用基于数字图像的非接触光学测量方法,通过室内模型试验,对密实砂土中桩-土接触面上荷载传递特性、剪切位移场及剪应变场分布规律进行研究。结果表明:密砂中单桩桩侧摩阻力与沉降关系呈软化型,桩侧摩阻力达到极限值所需桩身沉降约为桩横截面边长的3%。桩周土体剪切滑动区发生在有限范围的土体中,最大剪应变首先出现在桩顶及桩底附近土体中,而后向桩身中部发展,在极限荷载条件下,最大剪应变沿桩身呈"两头大中间小"的分布形式。试验结果为合理建立桩-土接触面模型和相关数值计算提供有益的参考。     

基于图像分析的土坡离心模型试验变形场测量

开发了离心场条件下土坡离心模型试验变形场非接触测量技术并进行了实际应用。基于图像相关分析理论,开发了新的土坡离心模型试验过程中土体位移非接触测量系统以观测离心机运行中土坡的位移。针对简单土坡进行了离心模型试验,测量了土坡的位移场变化过程。测量结果规律性好,表明该非接触测量技术能够较好地测定离心模型试验中土体侧面任意点在任意时刻的位移,适用于离心场环境中土坡变形过程的测量。加载导致土坡在某些位置出现变形集中,意味着这些位置发生了应变局部化。应变局部化的发展与土坡破坏有着密切联系。     

基于图像技术的桩周土位移场测量初步研究

基于数字图像技术对沉桩过程桩周土体位移场进行了测量。在模型桩贯入过程中,采用高像素的数字相机连续摄取桩及桩周土体变形的灰度图像,并实时地存储在计算机中进行相关运算,求出全场土体位移矢量。试验结果表明,本文所提出的全场位移方法所测量位移的精度要高于其它测量方法,测量结果与弹性理论解也十分接近。本法操作简便,对环境要求不高,可以实施全场测量,可以应用于研究土体变形机理的试验研究。     

基于DIC技术的桩–土–承台共同作用性状的 模型试验研究

 利用数字图像相关技术,编制适合岩土试验模型变形量测分析的位移场分析程序(DIC)。结合室内模型试验,利用DIC程序对试验中获得的系列图像进行分析,得到群桩基础的承载变形特性、桩周土体的位移场,并对其破坏模式进行推断。研究结果表明：利用自行编制的DIC程序分析桩周土体位移场是可行的,并可以得到全场位移;随着桩距增大,群桩基础荷载沉降特性有更多的天然地基承载表现;3b(b为方桩边长)桩距群桩由于桩对桩间土体的遮拦作用明显,其侧向位移数值较6b桩距的要小;对于3b桩距群桩,土体的压缩主要集中在桩端以下土层,整个群桩基础呈实体深基础破坏模式,而对于6b桩距群桩,桩间土体的压缩量占主导地位,整个基础因桩间土体侧向挤出而破坏。分析结果验证复合桩基理论,6b桩距可视为常规桩基与复合桩基的桩距分界点。     

目标追踪算法在岩石表面变形测量中的实现与应用

变形测量是岩石力学理论研究和工程实践的基础，数字图像相关算法在岩石变形测量中得到了广泛的应用，但在实际应用中存在位移云图边缘检测收敛性差、定量刻画参数少等问题。基于此，将目标追踪方法引入到岩石变形测量领域，提出基于目标追踪算法的岩石表面变形测量方法，该方法通过Harris角点检测，获取图像中关键特征点的位置，之后采用KLT算法计算出跟踪点在变形后图像中所对应的位置，从而确定岩石表面的全场位移。为验证算法的可靠性，开展室内岩石剪切试验，对比分析目标追踪算法和数字图像相关算法的试验结果。研究结果表明：目标追踪算法能够实现岩石表面的非接触位移测量，相比数字图像相关算法，精度和稳定性有一定提升。目标追踪算法解决了数字图像相关算法在岩石边缘处变形量计算不收敛、稳定性差等问题，真正实现了在可计算范围内全场位移量的拾取。提出利用信息熵来定量刻画岩石破坏过程变形场的演化特征，有助于更全面、更准确地分析岩石在各种复杂外载荷作用下的力学行为。所提出的一种新的岩石表面变形场测量方法，为可视化研究岩石表面变形演化规律及损伤特征提供有效的技术手段，同时也为岩土工程领域非接触变形测量提供一定借鉴。     

基于透明土材料的沉桩过程土体三维变形模型试验研究

为了对沉桩过程中桩周土体内部的变形特性进行非插入式测量,利用正十二烷、十五号白油混合液和玻璃砂合成透明土,并在此基础上设计了沉桩模型试验系统；该系统包括激光器、线性发生器、CCD（charge-coupled device）相机、沉桩加载仪和计算机等。激光经线性发生器转化后将透明土样切分,形成土体内部颗粒切面,CCD相机连续拍摄沉桩过程中该切面的图像,并通过计算机中图像处理软件进行分析,得到该切面变形前后的变形位移场。通过与数值模型的对比分析,验证模型试验结果的可靠性。对多个切面变形前后的位移场进行分析,从而得到沉桩过程中土体变形的完整三维变形场。试验结果表明,试验条件下沉桩水平挤土位移影响范围为8R；与常规模型试验方法相比,方法实现了土体内部变形的三维测量,有助于了解土体在各种荷载条件下的变形机理。     

倾斜拉拔荷载下锚桩承载性能及桩周位移场可视化离心模型试验

单点系泊系统作为一种新型锚固系统获得越来越多的应用,然而倾斜拉拔荷载下单点系泊锚桩的承载性能及桩周土体变形机理尚不明确。基于人工合成透明土材料搭建了可视化离心模型试验系统,对倾斜拉拔荷载下锚桩的力学响应展开离心模型试验,探讨加载角度对锚桩承载力、失效模式和桩周土位移场的影响规律,并与1g条件下透明土模型试验结果进行定性的对比分析。研究结果表明,开展的基于透明砂土的离心模型试验,可以用于评估现场应力状态下锚桩的承载特性与失效机理、土体内部位移场;桩周土体的位移量沿深度方向差别相对较为明显,锚眼附近的土体位移相对较大;1g条件下土体位移场无法合理反映位移沿桩身方向的变化规律,极限荷载下桩侧土体的变形量小于离心模型试验中的土体变形量。     

一种土体微细结构连续变化过程的试验方法研究

提出一种新的岩土材料微细结构光学图像测量方法。实现了常规土工三轴实验与岩土材料微细结构测试的联合 ,获得了土体在荷载作用过程中微细结构变化清晰的图像序列 ,不仅可以定量研究土体在荷载作用下微结构的变化情况 ,还可利用数字图像相关技术对微细结构图像序列进行相关分析 ,得出土颗粒在荷载作用下的微观位移场 ,为建立土体合理的本构关系模型提供试验依据。     

基于图像相关分析的砂土模型试验变形场量测

高分辨率数码相机的出现为砂土模型试验变形场非接触量测法的研究开发提供了一条简便经济而且实用的途径,在模型试验观测面上,不再需要布置嵌入式量测标志点或描画网格,直接用数码相机在试验各阶段拍摄照片,然后对照片序列进行图像相关分析,即可得出模型试验的变形场分布。利用图像匹配技术追踪模型上点的位移,借用FEM常用的等参单元的概念进行图像校准和应变计算,采用双线性插值技术可以实现微小变形量测,并提出同时用平移和旋转搜索方法,以适应砂土模型的变形特点。精度检验试验结果表明,一个像素以下的平移量测标准方差达到0.19个像素,数值试验表明,15°旋转刚体变形量测,非旋转搜索和旋转搜索的标准方差分别为0.49和0.08个像素。最后给出一个在砂土地基承载力离心机模型试验中的应用实例,分析结果包含砂土模型位移场、最大剪应变场和体积应变场的分布图。结果表明这一方法使得砂土模型局部化变形、剪切带和渐进破坏过程的量化分析成为可能。     

测绳法在基坑周边土体变形测量中的应用

 研制基于测绳法的土中多点沉降测量设备,用来测量土体分层竖向位移,其精度高于目前常用的测量方法,且满足单孔多点的测量要求,并成功应用于昆明银杏金川基坑支护工程现场实测。土中多点沉降测量设备结合土体水平位移观测,实现土层深部任意点矢量位移的量测。根据某基坑实测的土体位移,对其线应变、体应变场进行分析。土体单元发生竖向压缩、水平膨胀,且竖向压缩量大于水平膨胀量,宏观表现为地表沉降曲线面积大于支护结构水平位移曲线面积。     

复杂应力路径下人工冻砂土非线性流变本构模型与应用研究

采用应力路径试验方法,模拟人工冻结法凿井井架地基施工变化过程,得到了冻砂土地基的变形规律:冻砂土轴向加载过程具有明显的剪胀性,且体积应变不能忽略。为了全面反映冻砂土在应力路径下的变形,以元件模型为基础,通过推导获得冻砂土非线性流变本构力学模型。利用有限元程序的二次开发技术,将该模型嵌入到FEPG有限元程序平台中,对冻砂土三轴蠕变试验和冻结法凿井井架地基受力过程进行了数值模拟。模型能够较好地反映冻砂土的变形随时间的变化规律,数值模拟、室内试验和实测值吻合较好,可为冻结法凿井设计和施工提供指导。     

水平荷载下基桩分布式变形检测模型试验研,

为克服传统测试技术获取水平荷载作用下基桩变形的不足,开展基于光频域反射(OFDR)技术的室内模型桩试验.将光纤对称粘贴于桩表面,检测水平荷载下基桩变形及应力分布,推导基于OFDR的桩身挠度和弯矩计算公式,采用有限元软件ABAQUS模拟桩变形和分析桩土作用.结果表明:基于光纤应变数据,可准确计算桩身沿深度的水平位移分布,...     

压桩过程中静压桩挤土位移的动态模拟和 实测对比研究

 圆孔扩张法及应变路径法由于土体的大变形和桩土界面摩擦接触问题而难以模拟动态的压桩过程,数值模拟法能够考虑到土体的本构关系、大变形和桩土的相互作用等诸多因素的影响,因而在静压桩挤土效应方面得到了广泛的应用。采用合适的土体屈服准则及有限变形理论,通过在桩土界面设置接触以及在桩顶施加位移荷载建立了能够实现动态压桩过程的有限元模型。利用得到的有限元模型模拟了沉桩产生的水平及竖向挤土位移场,讨论了动态压桩过程对沉桩挤土位移场的影响,并和现场实测进行了对比。研究结果表明,挤土位移场动态模拟结果与实测值相一致,且能反映土性的变化情况;在动态压桩过程中,水平向的挤土位移随着压桩深度的增加而增大,竖向挤土位移随着压桩深度的增加浅层土体表现为隆起增加,而深层土体表现为下沉量增加。挤土位移的最大值与压桩深度存在滞后效应,因此在压桩过程中要给以足够的重视。     

层状地基中盾构隧道开挖非均匀收敛引起临近管道变形预测

采用弹性层状地基模型来考虑地基土体的非均质性,并针对隧道开挖边界引入椭圆化非等量径向土体位移模式;采用基于位移控制技术的边界单元方法来求解土体自由位移场,提出层状地基中盾构隧道开挖非均匀收敛引起临近管道变形影响的位移控制分析方法。结合位移控制有限元数值模拟和既有离心模型试验结果进行对比分析,验证该方法的有效性。算例分析结果表明,土体自由位移场计算对管道纵向变形性能的评估具有较大影响;对于非均质层状地基,如果采用以往的将不同土体参数近似折算成平均值,进而按照弹性均质地基进行求解会带来较大的计算误差。研究成果可为合理制定城市地铁隧道施工对周围环境影响的保护措施提供一定理论依据。     

基于应变监测的围护结构深层水平位移监测研究

围护结构受力变形作为评判基坑工程安全的重要指标之一,传统方法采用传感器测量围护结构在不同深度的倾角变化换算得到水平位移的常规方法存在工作量繁重、效率低、误差大等问题,而用于岩土工程高精度监测的应变感测光缆可达到±2με的测试精度.本文首先介绍了基于光纤应变监测结果获取围护结构深层水平位移的计算原理,然后结合实际工程进行...     

基于透明土的管桩贯入特性模型试验研究

由于受土塞效应等因素影响,开口管桩和闭口管桩在贯入过程中的挤土效应存在明显的差异;然而针对该两者贯入特性的研究相对较少。基于透明土和PIV（Particle Image Velocimetry）技术,开发了相应的桩基贯入模型试验系统,用于桩基贯入过程中桩周土体变形的非插入式测量。试验选用的透明土由玻璃砂和具有相同折射率的孔隙液体制成。该试验系统主要包括：线性激光光源、CCD（Charge-Coupled Device）相机、自动沉桩加载仪和计算机控制系统等。激光射入透明土,和透明土之间的相互作用产生了独特的散斑场,通过CCD相机摄取贯入过程中各个时刻散斑场变形的图片,然后通过PIV技术对这些变形前后的图片进行处理,即可得到整个土体位移场。分别进行了开口管桩和闭口管桩的桩基贯入试验,得到了对应的土体位移场,并对桩基贯入引起的桩周土体径向位移试验结果与圆孔扩张法、应变路径法等理论计算结果进行对比分析;研究结果表明,对于闭口管桩,由于竖向位移的影响,试验值比圆孔扩张法结果小,其与应变路径法更为接近;对于开口管桩,由于沉桩过程中土塞作用,试验值比圆孔扩张法大,其影响不可忽略。