PIV測(cè)量技術(shù)在錨板板周土體變形場(chǎng)研究中的應(yīng)用

張 昕，樂(lè)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(lái)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(cè)，而對(duì)于影響錨板承載力的根本因素——板周土體的變形過(guò)程研究較少［6］.

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)圖像學(xué)的發(fā)展，越來(lái)越多的高精度圖像處理技術(shù)應(yīng)用到試驗(yàn)中來(lái)，為測(cè)量帶來(lái)了很大的便利.一種基于圖像分析的無(wú)干擾測(cè)量技術(shù)——粒子圖像測(cè)速技術(shù)(Particle Image Velocimetry PIV)［7］得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用.PIV測(cè)量技術(shù)是一種基于圖像分析的無(wú)干擾測(cè)量技術(shù)，具有測(cè)量精度高、不干擾測(cè)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(guò)程中板周土體的變形場(chǎng)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(cè)量技術(shù)

PIV粒子圖像測(cè)量技術(shù)突破了以往的測(cè)速手段，如激光多譜勒測(cè)速、熱線測(cè)速技術(shù)等傳統(tǒng)單點(diǎn)測(cè)量的限制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)空間瞬態(tài)流場(chǎng)的實(shí)時(shí)測(cè)量.它能夠提供瞬時(shí)整個(gè)流場(chǎng)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(cè)流場(chǎng)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(guò)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(chǎng)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(chǎng)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(cè)量錨板上拉過(guò)程中的拉力，最大測(cè)量荷載為890 N.差動(dòng)變壓位移傳感器(LVDT)用于測(cè)量錨板上拉過(guò)程中的位移，最大測(cè)量位移為50 mm.CMOS相機(jī)用于記錄板錨上拉過(guò)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(guò)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(zhǎng)×寬×高尺寸為500 mm×300 mm×500 mm，圖2為測(cè)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(cè)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(yǔ)言開(kāi)發(fā)環(huán)境，開(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)程如圖3所示.

圖3 數(shù)據(jù)同步采集過(guò)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(cè)量方法所無(wú)法獲得的一些重要信息.通過(guò)分析可以獲得錨板模型在上拔力作用下上拔過(guò)程中變形的全過(guò)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(guò)程中上拔力隨位移變化的整個(gè)過(guò)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(shì).

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(zhǎng)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(cè)位移0.8 mm基本一致.

圖6為峰值時(shí)的剪切應(yīng)變場(chǎng)，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(cè)量技術(shù)能較好地測(cè)定錨板在上拔過(guò)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(guò)程中上拔力隨位移變化的整個(gè)過(guò)程.并具有不干擾測(cè)量對(duì)象、無(wú)需預(yù)先確定測(cè)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(guò)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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