原创《岩土模型试验中土体变形数字图像测量》：这是一篇与数字图像论文范文相关的免费优秀学术论文范文资料,为你的论文写作提供参考。
摘 要：变形量测分析在岩土模型试验研究中占据十分重要的地位.利用四边形等参单元概念,给出基于位移模式的土体剪应变计算方法,采用互相关的图像匹配技术,编制相应的数字图像相关变形分析程序,实例验证结果表明该程序具有可靠的精度.利用该技术对方形基础室内模型试验中的土体变形进行测量,结果表明基于数字图像的测量系统能够实现岩土模型试验中土体位移场及剪应变场发展直至破坏的全过程定量测量,为土体细观力学特性和全场变形特性定性和定量研究提供了有力的工具.
关键词：土力学；模型试验；数字图像；位移；应变
中图分类号：TU411文献标志码：A文章编号：16744764（2012）05009205
在岩土模型试验中,变形量测对于理论建模和应用研究都十分重要.传统的变形测量主要采用标点法和网格法[12],这些方法适应大变形量测,测点数量有限,变形的量测是局部的、粗糙的,不能满足土体渐进性变形全过程和细观力学变形特性定性和定量研究的要求.
近年来,高分辨率数码照相机和图像处理技术的广泛应用以及计算机运行速度的高速发展,为基于数字图像的土体位移场量测系统的开发和应用开辟了新的途径.Yamamoto等[3]利用铝棒来模拟土体,进行了一系列加筋地基的模型试验,应用数字照相变形量测技术研究了加筋地基的变形破坏机理；宰金珉等[4]在群桩模型试验中利用数码成像技术结合AutoCAD软件对土体位移场进行测试,获得了不同桩距群桩承台下土体的位移场；李元海等[5]通过在模型观测面上设置嵌入式彩色标点,然后应用数字图像处理技术,实现了板下土体变形测量；为了提高测量精度,White等[67]将流体力学中常用的颗粒图像测速技术应用到土体变形测量中,根据土颗粒组成的特征实现了土体破坏前的小变形测量.
笔者以互相关的图像匹配技术为基础,建立了一套基于数字图像的位移场非接触测量系统,并利用四边形等参单元的概念和基于位移模式的应变计算方法,进一步获得土体剪应变场分布.在此基础上将该测量系统应用于方形浅基础室内模型试验中,测量了试验过程中土体位移场及剪应变场的渐进性发展变化过程.1 数字图像相关技术的基本原理[8]
所谓数字图像相关变形测量技术,就是将土体变形前后摄取的散斑（灰度）图像分割成许多网格,每一网格称之为子区域（Interrogation）.将变形前任一子区域和变形后散斑图像进行全场匹配或相关运算,根据峰值相关系数确定该子区域在变形后的位置,由此可以得到该子区域的位移[9],对变形前所有子区域进行类似运算,就可以得到整个位移场,数字图像相关技术基本原理如图1所示.陈亚东,等：岩土模型试验中土体变形的数字图像测量.
2.3 土体变形数字图像量测程序
数字图像相关法的变形测量程序基于MATLAB的图像处理工具箱来实现[13].变形测量程序主要分为3大模块：图像预处理、主程序以及数据的后处理和图形显示.其中主程序中相关系数算法采用基于傅立叶变换的算法,计算速度大大加快.采用高斯插值计算方法实现亚像素位移计算.
为验证程序的可靠性和精度,将模型试验现场拍摄的砂土照片作为初始图像,借助Photoshop将初始图像分别在x、y方向上偏移3个像素（0.852 0 mm）得到另一幅图像,利用上述变形测量程序来计算初始图像及偏移后图像之间的位移场.225个位移矢量统计分析表明x、y方向上的平均位移分别为0.851 0、0.850 6 mm,计算结果和真值匹配较好.图3为y方向上位移矢量的直方图.从直方图可以看出,y方向上的位移在0.824 0～0.880 0 mm之间变动,其中88%以上的矢量在0838 0～0.866 0mm之间变动,分析结果表明基于数字图像的变形测量程序具有可靠的精度[14].
基于数字图像的变形测量方法和传统方法（如标点法）相比具有不干扰测量对象、试验工作量小、可以实现多点同时测量、无需预先确定测点位置以及测量结果稳定性好等优点.
3 应用实例
基于图像的土体变形测量系统可以用于各种岩土模型试验,笔者以竖向荷载作用下方形浅基础模型试验作为应用实例简单说明该系统的应用效果.
3.1 试验概述
参考相关文献[1516],试验模型槽结构尺寸（内径）为长1.0 m,宽1.0 m,深1.0 m；模型槽长度方向的一面用钢化玻璃（厚度2.0 cm）代替,以方便摄取试验现场图像,其它3面及底板用钢板焊接而成,如图4所示.
图5 方形基础平面布置图方形基础模型利用反力架系统和一小型丝杆升降机加载,按初步计算的极限承载力确定加载分级.基础所受竖向荷载通过CLBSZ型柱拉压传感器测量；基础沉降采用位移计量测,2只位移计对角布置,取其平均值为基础沉降值.
模型土料为细砂,密度为1.65 g/cm3,内摩擦角为32.5°,平均含水率为5.03%,相对密实度为081.试验时分层摊铺,控制每层重量,多遍夯击,直至砂土面达到设计高度[17].
土体变形测量系统包括：高像素单反数码像机、计算机及照明设备等.采用数码相机拍摄每级荷载下土体变形后图像,并进行数字化处理,利用自行编制的基于数字图像相关法变形场测量程序分析土体位移场及剪应变场.
3.2 测量结果
3.2.1 位移场 图6为方形基础下土体在不同荷载阶段的位移场分布图,图中S为基础沉降,Q不同沉降条件下基础竖向荷载,QU为基础极限荷载.由图6可知,基础边缘处的土体首先出现侧向变形,发生剪切破坏,而直接在基底中心下的部分土体始终保持垂直向下的压缩变形,确实存在一类似倒三角形的“弹性核”；在极限荷载条件下,剪切破坏区（或称塑性变形区）进一步扩大,最终在地基中形成一连续的滑动面,基础急剧下沉,同时基础周围的土体隆起,地基发生整体剪切破坏.
图7为方形基础在极限荷载阶段（Q等于QU）的水平位移及竖向位移等值线图,水平位移以向右为正,竖向位移以向下正.综合水平及竖向位移等值线分布情况来看,水平位移影响范围约为2倍基础宽度,位于基础正下方的土体竖向位移等值线相互平行,说明该部分土体处于弹性压缩状态.
数字图像论文参考资料：
结论：岩土模型试验中土体变形数字图像测量为大学硕士与本科数字图像毕业论文开题报告范文和相关优秀学术职称论文参考文献资料下载，关于免费教你怎么写数字图像处理方面论文范文。
