張 昕，樂金朝，劉漢東

(1.鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州450001;2.華北水利水電學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，河南鄭州450011)

0 引言

抗拔錨板基礎(chǔ)廣泛應(yīng)用于輸電線路桿塔、電視通訊塔、高聳構(gòu)筑物，擋土結(jié)構(gòu)以及各種承受上拔荷載作用的構(gòu)筑物基礎(chǔ).錨板作為一種重要的基礎(chǔ)形式，有效地發(fā)揮了土體的承載能力，且經(jīng)濟(jì)實(shí)用，在工程中的應(yīng)用越來越廣泛.不少學(xué)者對(duì)錨板的抗拔承載力做了研究［1-5］，但多數(shù)研究只進(jìn)行錨板受力與位移的量測，而對(duì)于影響錨板承載力的根本因素——板周土體的變形過程研究較少［6］.

近年來，隨著計(jì)算機(jī)圖像學(xué)的發(fā)展，越來越多的高精度圖像處理技術(shù)應(yīng)用到試驗(yàn)中來，為測量帶來了很大的便利.一種基于圖像分析的無干擾測量技術(shù)——粒子圖像測速技術(shù)(Particle Image Velocimetry PIV)［7］得到越來越廣泛的應(yīng)用.PIV測量技術(shù)是一種基于圖像分析的無干擾測量技術(shù)，具有測量精度高、不干擾測量對(duì)象、穩(wěn)定性和抗干擾能力好、自動(dòng)化程度高、工作量小等優(yōu)點(diǎn).筆者采用PIV技術(shù)對(duì)錨板上拔過程中板周土體的變形場進(jìn)行研究，從而得到錨板兩側(cè)的剪切帶以及剪切應(yīng)變的大小分布.

1 PIV測量技術(shù)

PIV粒子圖像測量技術(shù)突破了以往的測速手段，如激光多譜勒測速、熱線測速技術(shù)等傳統(tǒng)單點(diǎn)測量的限制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空間瞬態(tài)流場的實(shí)時(shí)測量.它能夠提供瞬時(shí)整個(gè)流場的定量信息，具有極高的空間分辨率和精度，同時(shí)還具有不干擾被測流場的定量信息、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，因此目前在各領(lǐng)域應(yīng)用得非常廣泛［8-10］.

PIV基于圖像序列匹配技術(shù)，圖像匹配是通過圖像之間建立的交叉關(guān)聯(lián)函數(shù)進(jìn)行的［11］，交叉關(guān)聯(lián)函數(shù)如式(1)所示.

式中：RU(Δx，Δy)為關(guān)聯(lián)函數(shù);M，N 為圖像塊的尺寸;I為t1時(shí)刻圖像中，中心點(diǎn)坐標(biāo)在(i，j)處圖像塊的灰度值分布函數(shù);I'為t2時(shí)刻圖像中，中心點(diǎn)坐標(biāo)在(i+Δx，j+Δy)處圖像塊灰度值分布函數(shù);(Δx，Δy)為坐標(biāo)位移增量.

PIV的基本原理如圖1所示，利用攝像設(shè)備采集t1時(shí)刻和t2時(shí)刻的圖片，分別如圖1(a)和圖1(b)所示.將位移發(fā)生前后攝取的灰度圖像分割成若干均勻網(wǎng)格.將位移發(fā)生前某一網(wǎng)格在位移發(fā)生后圖像指定范圍內(nèi)根據(jù)式(1)進(jìn)行全場匹配和相關(guān)運(yùn)算，當(dāng)關(guān)聯(lián)函數(shù)值達(dá)到峰值時(shí)，如圖1(c)，就會(huì)得到根據(jù)峰值相關(guān)系數(shù)確定該網(wǎng)格在發(fā)生位移后的位置，由此可以得到該網(wǎng)格的像素位移，再根據(jù)一定的比例關(guān)系轉(zhuǎn)換得到網(wǎng)格中心點(diǎn)的物理位移.對(duì)發(fā)生位移前所有網(wǎng)格進(jìn)行類似運(yùn)算就可以得到整個(gè)位移場如圖1(d)所示.

圖1 PIV分析方法的基本原理Fig.1 Principles of PIV analysis

2 試驗(yàn)設(shè)備及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.1 試驗(yàn)儀器

儀器設(shè)備主要由Sensortronics 60001-200型拉力傳感器(Load Cell);Gaging Transducer 354-000型差動(dòng)變壓位移傳感器(LVDT);PL-B741E CMOS型相機(jī);NI SCB-68屏蔽連接盒;NI PCIMIO-16XE-50(NI 6011E)數(shù)據(jù)采集卡和一臺(tái)計(jì)算機(jī)組成.拉力傳感器(Load Cell)用于測量錨板上拉過程中的拉力，最大測量荷載為890 N.差動(dòng)變壓位移傳感器(LVDT)用于測量錨板上拉過程中的位移，最大測量位移為50 mm.CMOS相機(jī)用于記錄板錨上拉過程中的圖像，相機(jī)連續(xù)圖像記錄速度為26張/s.NI SCB-68屏蔽連接盒可根據(jù)不同的傳感器設(shè)置不同的接線方式，并通過數(shù)據(jù)線將信號(hào)傳送給數(shù)據(jù)采集卡.NI PCI-MIO-16XE-50(NI 6011E)數(shù)據(jù)采集卡提供單端輸入方式16個(gè)通道、差分輸入方式8個(gè)通道，且具有模擬、數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換功能和信號(hào)放大功能.

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

錨板上拔試驗(yàn)在有機(jī)玻璃模型箱內(nèi)進(jìn)行.模型箱的長×寬×高尺寸為500 mm×300 mm×500 mm，圖2為測試試驗(yàn)正視圖.土樣采用重度為γ=16.1 kN/m3的砂土，其不均勻系數(shù)Cu=1.27，曲率系數(shù) Cc=1.25，有效粒徑 d10=0.56 mm，土的相對(duì)密實(shí)度Dr=0.79，內(nèi)摩擦角φ=43°.錨板直徑為D=50 mm，厚度為5 mm，材質(zhì)為有機(jī)玻璃，埋置深度H=150 mm，埋深率H/D=3.

圖2 粒子圖像測述試驗(yàn)裝置圖Fig.2 PIV test setup

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

基于Labview圖形化編程語言開發(fā)環(huán)境，開發(fā)了力、位移、圖像同步采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對(duì)錨板上拔過程中的力、位移、圖像進(jìn)行同步采集并能自動(dòng)儲(chǔ)存，而且可實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)變化.經(jīng)后處理程序可繪制出力與位移的關(guān)系曲線，并通過三者之間的時(shí)間關(guān)系找出對(duì)應(yīng)力與位移點(diǎn)的圖像.整個(gè)過程如圖3所示.

圖3 數(shù)據(jù)同步采集過程Fig.3 Simultaneous data acquisition procedure

4 結(jié)果分析

PIV方法應(yīng)用于錨板抗拔破壞試驗(yàn)，可得到使用其它測量方法所無法獲得的一些重要信息.通過分析可以獲得錨板模型在上拔力作用下上拔過程中變形的全過程，為深入了解錨板上拔的破壞機(jī)理提供了輔助條件.

圖4為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的上拔力和位移關(guān)系曲線，該上拔力與位移關(guān)系曲線可以反映出錨板在上拔過程中上拔力隨位移變化的整個(gè)過程.首先，錨板上拔力隨位移近似為線性增加，位移為0.8 mm時(shí)達(dá)到峰值荷載49.6 N，隨后上拔力隨位移呈緩慢減小趨勢.

圖4 錨板上拔力與位移關(guān)系曲線Fig.4 Pullout force vs displacement curve

圖5是峰值點(diǎn)圖像經(jīng)PIV技術(shù)所得到的位移矢量圖，圖中箭頭的長短表示該點(diǎn)的位移大小，從圖中可以看出錨板周圍土體的運(yùn)動(dòng)方向和位移大小.該階段錨板正上方土體表現(xiàn)出較為均勻的整體向上移動(dòng)，兩翼土體位移則以一定傾角外傾向上運(yùn)動(dòng)，位移大小從中心向周邊逐漸減小，最大位移為0.75 mm，與LVDT所測位移0.8 mm基本一致.

圖6為峰值時(shí)的剪切應(yīng)變場，從該圖中可以看到峰值點(diǎn)處，錨板周邊形成對(duì)稱的剪切帶，該剪切帶與豎直方向的夾角約為18°.

5 結(jié)論

基于PIV技術(shù)結(jié)合錨板抗拉破壞試驗(yàn)，對(duì)PIV方法在錨板抗拉破壞試驗(yàn)中的應(yīng)用進(jìn)行了嘗試.結(jié)果表明該測量技術(shù)能較好地測定錨板在上拔過程中任意點(diǎn)在任意時(shí)刻的位移，可以準(zhǔn)確獲得上拔過程中上拔力隨位移變化的整個(gè)過程.并具有不干擾測量對(duì)象、無需預(yù)先確定測點(diǎn)、穩(wěn)定性和抗干擾能力好、自動(dòng)化程度高、工作量小等優(yōu)點(diǎn).通過對(duì)位移時(shí)程曲線的分析，能夠得到錨板周圍土體的運(yùn)動(dòng)方向和大小，從而得到錨板周邊的剪切帶以及剪切應(yīng)變的大小分布，對(duì)量化分析錨板的變形破壞具有重要的研究意義.

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