基于數(shù)字圖像測量技術(shù)的加筋土三軸試驗(yàn)研究

1、第44卷增刊2011年土木工程學(xué)報(bào)CHINA CIVIL ENGINEERING JOURNALVol442011基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（51078228，50909057），上海海事大學(xué)科研項(xiàng)目（20110005），上海海事大學(xué)校級重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目（A290209002），上海市第四期本科教育高地建設(shè)項(xiàng)目（B210008G ）和海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（201105024）作者簡介：劉文白，博士，教授收稿日期：2011-07-05基于數(shù)字圖像測量技術(shù)的加筋土三軸試驗(yàn)研究劉文白陳子祎蘇麗娟（上海海事大學(xué)，上海200135）摘要：通過加筋土固結(jié)排水三軸試驗(yàn)，結(jié)合三軸試驗(yàn)土樣變形數(shù)字圖像

2、測量系統(tǒng)，研究加筋中砂試樣在三軸試驗(yàn)條件下的變形場。加筋材料采用玻璃纖維土工格柵，分別在4種不同布筋位置、3種不同圍壓下共進(jìn)行45組試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在應(yīng)變達(dá)到一定程度的情況下，土工格柵對中砂的強(qiáng)度和抵抗變形的能力的增強(qiáng)效果隨布筋層數(shù)的增加而增大，單獨(dú)布一層筋的加筋土的三軸試驗(yàn)中，圍壓越大加筋效果越明顯，三層加筋的加筋土三軸試驗(yàn)中情況則相反；土工格柵對中砂的橫向變形有很大的約束作用，這一約束作用隨著圍壓的增大而增大，且隨著圍壓從100kPa 增大到300kPa 的過程中水平約束作用增加28% 50%。關(guān)鍵詞：加筋土；三軸試驗(yàn)；數(shù)字圖像測量；變形場中圖分類號：TU432文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：

3、1000-131X （2011）S2-0041-05Study on the triaxial text of reinforced soil based on digitalimage processing techniqueLiu WenbaiChen ZiyiSu Lijuan（Shanghai Maritime University ，Shanghai 200135，China ）Abstract ：This study focuses on the deformation field of the reinforced soil based on consolidated drain

4、ed triaxial test together with digital image processing technique to measure deformation of soil specimen in triaxial testIn order to make analysis and comparison ，45groups of triaxial tests ，with 4different reinforced positions and 3confining stresses ，were performed on the glass fiber geogrid rein

5、forced samplesThe results show that the intensity and the anti-deforming capability of medium sand were enhanced as reinforcement layers increased when certain stain level was reachedThe effect of increasing reinforcement layers was improved as confining stress increased with only one reinforcement

6、layer ，but the opposite occurred with three reinforcement layersThe geogrid functioned as a restraint on transverse deformation of medium sand ，which could increase with increasing confining stress ，and the restraining effect increased to 28% 50%with confining stress increasing from 100kPa to 300kPa

7、Keywords ：reinforced soil ；triaxial text ；digital image processing ；deformation field E-mail ：chenziyi24100163com引言土工合成材料加筋土結(jié)構(gòu)，在建筑、交通、水利、市政工程中已得到廣泛應(yīng)用1。在三軸試驗(yàn)方面，Schlosser 和Long 最先進(jìn)行了金屬條加筋砂土的研究2。其后，國內(nèi)外許多學(xué)者研究了土工合成材料加筋砂土和加筋碎石土的三軸試驗(yàn)性狀。近年來，加筋土三軸試驗(yàn)研究有各個(gè)方面的進(jìn)展。數(shù)字圖像處理和分析技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用，特別是作為土木工程試驗(yàn)測試的一種手段，則是近十年的事，相

8、對來說起步較晚。結(jié)合數(shù)字圖像處理系統(tǒng)，通過不同條件下加筋土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、峰值應(yīng)力以及局部變形的研究，探討不同圍壓和加筋方式對加筋土強(qiáng)度和變形的影響以及土工格柵對土體側(cè)向變形的約束，為工程實(shí)際提供一些依據(jù)和參考。·42·土木工程學(xué)報(bào)2011年1試驗(yàn)基礎(chǔ)資料數(shù)字圖像測量技術(shù)的發(fā)展為土工三軸試驗(yàn)提供了全新的變形測量手段，具有傳統(tǒng)測量方法無法比擬的優(yōu)越性。近年來，也有許多學(xué)者取得各個(gè)方面進(jìn)展：邵龍?zhí)兜?-5將數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)用于土工三軸試驗(yàn)土樣變形測量，提供了一種新的非接觸變形測量手段。周健等6則對試驗(yàn)操作提出了一系列要求，使得可以通過對圖像灰度值設(shè)立一個(gè)適當(dāng)?shù)拈y值來粗略區(qū)分

9、砂顆粒與孔隙。試驗(yàn)采用的數(shù)字圖像測量系統(tǒng)主要由CCD 傳感器、圖像采集卡、計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)圖像處理軟件組成，如圖1所示。試驗(yàn)采用包裹試樣的乳膠膜加工成黑色并在表面印制白色方塊狀標(biāo)志，如圖2所示，數(shù)字圖像測量系統(tǒng)通過跟蹤每個(gè)白色方形的四個(gè)角點(diǎn)位置，通過角點(diǎn)位置的變化來得到試樣徑向和軸向的變形，這種方法使得試樣局部的軸向變形和徑向變形測量的信息更加豐富，精度也相對較高。數(shù)字圖像測量系統(tǒng)工作過程可以概括為：三軸試樣的圖像由CCD 攝像儀采集，經(jīng)過圖像采集卡處理后暫存于幀存里，再經(jīng)過程序處理，將幀存中的信息與需要的圖形文本混合，通過顯示卡送至顯示器。同時(shí)對幀存中的信息進(jìn)行分析處理，依據(jù)試樣圖像邊緣處的灰

10、度變化確定邊緣位置，比較前后兩次邊緣位置的差別便可以得到試樣變形。試驗(yàn)用砂土樣本為中砂，其主要物理指標(biāo)見表1。試樣按照土工試驗(yàn)規(guī)程三軸壓縮試驗(yàn)的土樣制備方法進(jìn)行制備，控制土樣高度為93mm 、直徑為50mm 。砂土通過置于空氣中的分土器，分3層分別放置于剪切盒并用相同的荷載振平以控制密度。表1中砂的物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1Physical properties index of medium sand試樣e min e max dmax （g /cm3）標(biāo)準(zhǔn)砂147318161567試驗(yàn)采用土工格柵為玻璃纖維雙向土工格柵。玻纖土工格柵的橫縱向抗拉強(qiáng)度均256N /m，伸長率為25%，材料厚度

11、為15mm ，網(wǎng)格尺寸為40mm 40mm ，為了使土樣在剪切過程中較好地保持土工格柵的地拉性和防治剪切過程中刺破薄膜，而把土工格柵剪為環(huán)形。利用數(shù)字圖像測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)對三軸土樣軸向變形和徑向變形的直接量測，應(yīng)用土工三軸儀作為三軸加載設(shè)備，中砂的加載速率控制為03mm /min。試驗(yàn)機(jī)的記錄數(shù)據(jù)的頻率與數(shù)字圖像采集的頻率應(yīng)保持一致，為了使試驗(yàn)數(shù)據(jù)作出的曲線能更真實(shí)地反映實(shí)際變形情況，每次剪切均采用60s 一次記錄數(shù)據(jù)。土工格柵的加筋方式如圖3所示：為布設(shè)在土樣高度的1/4、1/2和3/4處以及3處均設(shè)土工格柵的試樣（為了方便敘述，以上4種加筋方式分別設(shè)為1#、2#、3#、4#加筋方式），分別施加

12、了3種圍壓；在3=100kPa 、200kPa 、300kPa 條件下進(jìn)行了三軸剪切試驗(yàn)，對剪切過程中的土樣進(jìn)行拍攝，分析土樣的變形場。 圖3布筋的位置Fig3Locations of reinforcement mixed第44卷增刊劉文白等·基于數(shù)字圖像測量技術(shù)的加筋土三軸試驗(yàn)研究·43·2試驗(yàn)結(jié)果分析21不同條件下加筋土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系通過加筋土的三軸剪切試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)，描繪了中砂、2#加筋、1#加筋的土樣分別在100kPa 、200kPa 、300kPa 的圍壓下的主應(yīng)力差隨軸向應(yīng)變的變化曲線圖，如圖4所示： 由圖4可以看出：不同加筋條件下，當(dāng)應(yīng)變較?。?

13、%）時(shí)，加筋土試樣和中砂試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系很接近，隨著軸向應(yīng)變的逐漸增大，加筋土試樣與中砂試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線的距離逐漸增大且最終趨向于一定值，說明加筋作用只有當(dāng)軸向應(yīng)變較大時(shí)才比較明顯。其次，當(dāng)應(yīng)變達(dá)到一定值后，在相同的應(yīng)變條件下，加筋土試樣的主應(yīng)力差值較中砂試樣的主應(yīng)力差值有一定的提高，且1#加筋的主應(yīng)力差值明顯提高較大，反映了土工格柵對中砂的強(qiáng)度和抵抗變形的能力有所增強(qiáng)，且布筋的層數(shù)越多，中砂抵抗變形的能力增強(qiáng)越大，加筋的土樣破壞荷載和破壞應(yīng)變都有顯著增大。最后，加筋土試樣和中砂試樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線的變化趨勢相同：土樣均呈應(yīng)變軟化現(xiàn)象。增加圍壓可以提高土體的破壞強(qiáng)度，抑制土體的

14、膨脹，雖然應(yīng)力-應(yīng)變曲線仍為軟化類型，但殘余強(qiáng)度隨著布筋層數(shù)的提高有所提高。22不同條件下加筋土的峰值應(yīng)力及對應(yīng)時(shí)刻的應(yīng)變由表2和表3可以看出：同一圍壓2#加筋的加筋土峰值應(yīng)力較中砂略有提高，再橫向比較1#、2#、3#、4#加筋可以知道隨著加筋層數(shù)增加峰值應(yīng)力明顯增大，但基本不隨加筋位置的變化而變化；而就峰值應(yīng)力時(shí)對應(yīng)的應(yīng)變而言，同一圍壓下2#、3#、4#加筋的應(yīng)變較中砂略有提高，1#加筋的加筋土的應(yīng)變有較大提高，而且中砂和1#加筋的加筋土的應(yīng)變隨圍壓的增大而增大，說明加筋效應(yīng)可以提高土體的抗形變能力，這一抗形變能力隨著加筋的層數(shù)的增加而增大，并且在多層加筋的情況下，抗形變能力隨圍壓的增加而增

15、大。表2不同條件下加筋土和中砂的峰值應(yīng)力Table 2Peak stress value under different conditions ofreinforced soil and medium sand（kPa ）圍壓中砂2#加筋4#加筋3#加筋1#加筋10037964281416539746872200600467867321723410667300852399248911994514978表3不同條件下加筋土和中砂的峰值應(yīng)力對應(yīng)時(shí)刻的應(yīng)變Table 3of peak stress value under different conditions of reinforced soil

16、 and medium sand圍壓（kPa ）中砂（%）2#加筋（%）4#加筋（%）3#加筋（%）1#加筋（%）100567584791282007499102991353008393101101162為了方便分析加筋之后對土體破壞荷載的影響，本文引入加筋強(qiáng)度影響系數(shù)m ，其定義如下：m =（13）m（13）p式中：m 為加筋強(qiáng)度影響系數(shù)；（13）m 為加筋土的峰值應(yīng)力；（13）p 為中砂的峰值應(yīng)力。由表4的數(shù)據(jù)可以看出，2#加筋的砂土強(qiáng)度影響系數(shù)m 隨著圍壓的增大而增大，在圍壓100kPa 時(shí)為·44·土木工程學(xué)報(bào)2011年 112，圍壓200kPa 時(shí)為113，圍壓3

17、00kPa 時(shí)為116，顯然在高圍壓力的時(shí)候，加筋土破壞時(shí)的強(qiáng)度比對應(yīng)的中砂破壞時(shí)的強(qiáng)度提高的百分率高，而在低圍壓的情況下，加筋土破壞時(shí)的強(qiáng)度比對應(yīng)的中砂破壞時(shí)的強(qiáng)度提高的百分率低。這說明在2#加筋的三軸試驗(yàn)中，高圍壓的情況下，采用加筋的方法提高土體的強(qiáng)度更為明顯，更為有效。而由表5的數(shù)據(jù)我們可以看出，1#加筋的加筋土的強(qiáng)度影響系數(shù)隨圍壓的增大而減小，在圍壓100kPa 時(shí)為180，圍壓200kPa 時(shí)為178，圍壓300kPa 時(shí)為175，說明在1#加筋的三軸試驗(yàn)中，采取低圍壓的方法使加筋效果更為明顯。表4不同圍壓下2#加筋土和中砂的峰值應(yīng)力Table 4Peak stress value

18、under different types of confiningstress of medium sand and type 2#reinforced soil圍壓（kPa ）中砂（kPa ）2#加筋（kPa ）影響系數(shù)m 100379642811122006004678611330085239924116表5不同圍壓下1#的加筋土和中砂的峰值應(yīng)力Table 5Peak stress value under different types of confiningstress of medium sand and type 1#reinforced soil圍壓（kPa ）中砂（kPa ）

19、1#加筋（kPa ）影響系數(shù)m 1003796687218020060041066717830085231497817523土工格柵對土體側(cè)向約束的程度分析土工格柵對土的側(cè)向變形有約束作用，通過圖像測量系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行局部對比分析。對比2#加筋的加筋土與中砂在加筋范圍內(nèi)的側(cè)向變形，對試樣中段的21mm 進(jìn)行了約束作用分析。初始變形時(shí)，由于軸向力比較小，土工格柵的約束作用影響小，所以選取軸向應(yīng)變值在2% 5%之間的軸向應(yīng)變與徑向應(yīng)變的關(guān)系圖進(jìn)行分析。結(jié)合圖像測量系統(tǒng)，分別描繪了2加筋的加筋土和中砂試樣中間21mm 在應(yīng)變值2% 5%之間的軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系圖，如圖5所示。圖5的橫-縱

20、變形比及相關(guān)系數(shù)見表6，如表6所示，橫縱變形比有很大的減小，中的橫縱變形基本都等于1，而2#加筋的橫縱變形比都小于1，水平約束作用增加28% 50%，說明土工格柵對土的橫向變形有很大的約束作用，并且這一約束作用隨著圍壓的增大而增大；在2% 5%范圍內(nèi)用線性擬合，而且線性擬合的相關(guān)系數(shù)最小為099，說明在這個(gè)變形區(qū)間內(nèi)，橫縱變形比基本保持不變。表6橫縱變形比及相關(guān)系數(shù)Table 6The regressive values and correlationcoefficients of ratio of radial and axial橫縱變形比圍壓（kPa ）中砂相關(guān)系數(shù)2#加筋相關(guān)系數(shù)1001

21、066099108210996200102209980750099930009620990050709883結(jié)論（1）應(yīng)變達(dá)到一定時(shí)，土工格柵對中砂的強(qiáng)度和抵抗變形的能力有所增強(qiáng)，且布筋的層數(shù)越多，中砂抵抗變形的能力增強(qiáng)越大，加筋的土樣破壞荷載和破壞應(yīng)變以及破壞后的殘余強(qiáng)度都有顯著增大。第44卷增刊劉文白等·基于數(shù)字圖像測量技術(shù)的加筋土三軸試驗(yàn)研究·45·（2）單獨(dú)布一層筋的加筋土的三軸試驗(yàn)中，圍壓為300kPa 時(shí)，采用2#加筋方法提高土體的強(qiáng)度更為明顯，更為有效。（3）多層加筋的三軸試驗(yàn)中，采取圍壓為100kPa 的方法使加筋效果更為明顯。（4）土工格柵對土的

22、橫向變形有很大的約束作用，并且這一約束作用隨著圍壓的增大而增大，且隨著圍壓的增大水平約束作用增加28% 50%。參考文獻(xiàn)1雷勝友現(xiàn)代加筋土理論與技術(shù)M 北京：人民交通出版社，20062張孟喜，陳高峰，朱引，等H-V 加筋飽和砂土性狀的三軸試驗(yàn)研究J 巖土力學(xué)，2010（5）：1345-1351（Zhang Mengxi ，Chen Gaofeng ，Zhu Yin ，et alTriaxial tests on saturated sands reinforced with horizontal-vertical inclusions J Rock and Soil Mechanics ，2010（5）：1345-1351（in Chinese ）3邵龍?zhí)叮ㄜ?，劉永祿，等基于亞像素角點(diǎn)檢測的試樣變形圖像測量方法J 巖土力學(xué)，2008，28（9）：1129-1134（Shao Lo