數(shù)字圖像測量技術(shù)在小麥三軸試驗中的應(yīng)用研究

曾長女，馮照劍，李 昭，張慶章

（河南工業(yè)大學(xué) 土木建筑學(xué)院，河南省糧油倉儲建筑與安全重點(diǎn)實驗室，河南 鄭州 450001）

數(shù)字圖像測量技術(shù)在小麥三軸試驗中的應(yīng)用研究

曾長女，馮照劍，李 昭，張慶章*

（河南工業(yè)大學(xué) 土木建筑學(xué)院，河南省糧油倉儲建筑與安全重點(diǎn)實驗室，河南 鄭州 450001）

將基于數(shù)字圖像測量技術(shù)的三軸試驗儀應(yīng)用于測試糧食剪切強(qiáng)度及變形特性。選取河南小麥為研究對象，進(jìn)行了圍壓25、50、75、100 kPa下的三軸試驗，并采用數(shù)字圖像測量技術(shù)對試樣剪切變形全過程進(jìn)行監(jiān)控。研究結(jié)果表明，基于數(shù)字圖像測量技術(shù)的三軸試驗可方便測試糧食剪切強(qiáng)度和變形特性。試驗獲得的小麥內(nèi)摩擦角為25.13°。由小麥體變-應(yīng)變曲線及變形圖分析了剪切變形發(fā)展過程，試樣先減縮然后發(fā)生剪脹現(xiàn)象，剪切破壞為鼓狀破壞形式。研究結(jié)果表明，基于數(shù)字圖像測量技術(shù)的三軸試驗儀，適用于小麥剪切試驗測試，能滿足試驗精度的需求，試驗結(jié)果合理。

數(shù)字圖像測量技術(shù)；三軸試驗；小麥；變形特性

0 引言

筒倉卸料時，儲糧與倉壁發(fā)生相互作用，產(chǎn)生的動側(cè)壓力是筒倉結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要荷載之一，該荷載如果計算不當(dāng)，對筒倉結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生很大的安全隱患，甚至引起筒倉卸料時的坍塌事故[1]。對糧食的力學(xué)參數(shù)尤其是內(nèi)摩擦角等強(qiáng)度參數(shù)的研究較多，采用Janssen理論可較準(zhǔn)確地計算倉壁靜側(cè)壓力[2]，但對于卸料動側(cè)壓力劇增量的準(zhǔn)確計算和產(chǎn)生機(jī)理，目前還未形成統(tǒng)一的理論，卸料時糧食顆粒相互剪切并發(fā)生剪脹導(dǎo)致倉壁動側(cè)壓力劇增的機(jī)理獲得了研究者的關(guān)注[3-4]。三軸試驗可用來研究糧食力學(xué)性能[5]，研究卸料下糧食的剪脹特性，除了研究應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系外，體變應(yīng)變特性研究是基礎(chǔ)[6]。已有學(xué)者對糧食的體變模量、壓縮密度、壓縮模量等進(jìn)行了試驗研究[7-9]，這些指標(biāo)能從一定程度上反映變形特性，但大部分都是對于試樣平均指標(biāo)的說明，對體變變形與應(yīng)變的關(guān)系、局部應(yīng)變等的研究還不夠深入，而且定量研究體變-應(yīng)變特性的研究也較少，難以定量研究剪脹特性。

常規(guī)三軸儀測試土體和糧食散體的強(qiáng)度特性具有很強(qiáng)的適用性，但在測試試樣的變形方面存在缺陷[10]。對于飽和土體，可通過測試軸向變形和徑向變形進(jìn)行平均變形的測試，但對于不飽和土體，采用常規(guī)三軸儀難以測試其變形特性。小麥等糧食散體雖與砂土具有類似的散體特性，但糧食顆粒間的水分含量較少，更類似于非飽和土或干土的性質(zhì)，因此，進(jìn)行變形特性測試時，必須改進(jìn)常規(guī)三軸儀才能進(jìn)行測試。數(shù)字圖像測量技術(shù)（DIPT）已被應(yīng)用于三軸試驗，并在土體變形測試中取得了成功。該技術(shù)可以實現(xiàn)在試驗過程中不接觸試樣進(jìn)行變形測量，具有較高的測量精度，解決了傳統(tǒng)變形測量上的一系列難題[10]。

作者將基于數(shù)字圖像測量技術(shù)對全自動三軸儀進(jìn)行改造，以適合糧食三軸試驗，并對河南省小麥進(jìn)行三軸試驗研究，探索數(shù)字圖像測量技術(shù)應(yīng)用于糧食三軸試驗的適用性，研究糧食剪切過程的強(qiáng)度和變形特性。

1 試驗儀器及試樣

1.1 試驗材料及試驗儀器

試驗材料為河南小麥，初始含水率為9.9%，容重為800 g/L，相對密度為1.28，試樣尺寸為50 mm×100 mm。

試驗儀器采用基于數(shù)字圖像測量技術(shù)的全自動三軸儀。三軸儀系統(tǒng)包括加載、位移測量和圍壓測量系統(tǒng)等。數(shù)字圖像測量系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分構(gòu)成，硬件由數(shù)字圖像傳感器和鏡頭、計算機(jī)、照明裝置等構(gòu)成，軟件由標(biāo)定模塊、數(shù)據(jù)輸出模塊、測量模塊等組成。試驗系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 基于數(shù)字圖像測量技術(shù)的三軸儀Fig.1 Triaxial testing apparatus modified by DIPT

試驗時，將照相裝置安放在壓力室內(nèi)部，保證試樣周圍的亮度。將數(shù)字傳感器放置在帶有密封罩的密封室中，并盡可能地使鏡頭與試樣中心在一條直線上，以便清晰地采集到橡皮膜上的測試角點(diǎn)，采用計算機(jī)自動采集數(shù)據(jù)。

1.2 試驗裝樣

試樣裝樣過程與普通三軸試驗類似[11]，如圖2（a）所示，橡皮膜采用特制的黑色橡皮膜并設(shè)置了正方形白色監(jiān)測點(diǎn)，便于測試位移。制樣完成后，如圖2（b）所示。然后打開照相機(jī)，通過電腦端的顯示來微調(diào)照相機(jī)角度，使得照相機(jī)能夠檢測到試樣上的角點(diǎn)，最佳捕捉點(diǎn)狀態(tài)如圖2（c）所示。設(shè)置試驗相關(guān)參數(shù)，進(jìn)入試驗狀態(tài)。

圖2 試樣制樣Fig.2 Sample preparation

2 數(shù)字圖像測量技術(shù)在三軸試驗中的應(yīng)用

2.1 儀器標(biāo)定

選取飽和砂土進(jìn)行試驗，將數(shù)字圖像測量的體變與傳統(tǒng)三軸試驗測試試樣排水體積對比，進(jìn)行儀器標(biāo)定。試驗結(jié)果如圖3所示，由圖3可知，兩種方法獲得體變值較接近，證明采用數(shù)字圖像測量技術(shù)測試的體變具有較高的精度，能夠用于試樣體變、應(yīng)變的測試。

圖3 體變結(jié)果對比Fig.3 Comparison of the volumetric change with two methods

2.2 基于數(shù)字圖像測量技術(shù)的糧食三軸試驗結(jié)果

利用基于數(shù)字圖像測量技術(shù)的三軸試驗儀，進(jìn)行小麥三軸剪切試驗，測試試樣強(qiáng)度和體變。采用應(yīng)變控制的加載方式，進(jìn)行了圍壓為25、50、75、100 kPa的試驗，加載速率為0.2 mm/min，當(dāng)軸向應(yīng)變達(dá)到15%時停止試驗。試驗通過跟蹤包裹試樣的黑色橡皮膜上的白色角點(diǎn)來獲取試樣的信息，進(jìn)而得到試樣的變形圖和應(yīng)變場。

（1）剪切強(qiáng)度特性

采用基于數(shù)字圖像測量技術(shù)的三軸試驗，應(yīng)力測試仍然采用荷載傳感器，與傳統(tǒng)測試方法一致，應(yīng)變和體變測試采用數(shù)字圖像測量技術(shù)。由圖4可知，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系與傳統(tǒng)三軸試驗獲得的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系角相似。本文通過莫爾庫倫理論由圖5得到小麥的內(nèi)摩擦角為25.13°，黏聚力為0.56 kPa，與王振清等[2，12]研究結(jié)果類似，表明小麥強(qiáng)度特性符合實際情況。

圖4 小麥的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curve of wheat

數(shù)字圖像測量技術(shù)對試樣變形可全程監(jiān)控，圖 7（a）為同一試樣變形過程，圖 7（b）為同一試樣變形場變化，圖7（c）為不同圍壓試樣試驗結(jié)束變形圖。在試驗初始階段，試樣表面變形比較均勻，

圖5 小麥強(qiáng)度參數(shù)的確定Fig.5 Strength parameter of wheat

（2）剪切變形特性

圖6 小麥體變-應(yīng)變曲線Fig.6 Volumetric change-strain curve of wheat

圖6 為小麥剪切過程的體變-應(yīng)變曲線。由圖6可知，試驗剪切過程經(jīng)歷了由剪切體積縮小到剪切體積增大的過程，即試樣先減縮然后發(fā)生剪脹現(xiàn)象。隨著荷載的增加，試樣受到端部的影響，試樣的上部和下部應(yīng)變較小，中部有較大的應(yīng)變，表現(xiàn)為“大肚子”，稱為鼓狀破壞，這和文獻(xiàn)得到的結(jié)果相吻合。

圖7 試樣變形過程Fig.7 Deformation process of samples

3 結(jié)論

本文采用基于數(shù)字圖像測量技術(shù)的三軸試驗儀器，對小麥強(qiáng)度及變形特性進(jìn)行了研究，探索該儀器在糧食體變應(yīng)變的應(yīng)用，并對強(qiáng)度和變形特性進(jìn)行了研究。主要結(jié)論如下：

（1）進(jìn)行了數(shù)字圖像測量技術(shù)的三軸儀的改進(jìn)及儀器標(biāo)定。

（2） 選取小麥進(jìn)行了圍壓為 25、50、75、100 kPa下的三軸試驗，研究其應(yīng)力應(yīng)變和體變應(yīng)變曲線，并由莫爾庫倫理論得到小麥的內(nèi)摩擦角為25.13°，黏聚力為0.56 kPa。體變-應(yīng)變曲線表明，試驗剪切過程經(jīng)歷了由剪切體積縮小到剪切體積增大的過程，即試樣首先減縮然后發(fā)生剪脹現(xiàn)象。

（3）利用數(shù)字圖像測量技術(shù)，對試驗全過程變形進(jìn)行監(jiān)控，由試樣變形圖和應(yīng)變場圖均表明，隨著荷載的增加，試樣受到端部的影響，試樣的上部和下部應(yīng)變較小，中部有較大的應(yīng)變，表現(xiàn)為“大肚子”，稱為鼓狀破壞。

（4）上述試驗結(jié)果表明，基于數(shù)字圖像測量技術(shù)的三軸試驗，適用于小麥等糧食散體的剪切試驗，監(jiān)測的體變應(yīng)變變形能滿足試驗精度的需求，試驗結(jié)果合理。

［1］ DONGGANGUN A,KARACA Z，DURMUS A，et al.Cause of damage and failures in Silo structures［J］.Journal of Performance of Constructed Facilities，2009，23（2）:65-71.

［2］ 王振清.糧倉建筑基本理論與設(shè)計［M］.鄭州：河南科學(xué)技術(shù)出版社，2015.

［3］ ZHANG Q，BRITTON M G.A micromechanics model for predicting dynamic loads during discharge in bulk solids storage structures［J］.Canadian Biosystems Engineering，2003，45:21-27.

［4］ 馮偉娜.糧食剪脹性的三軸試驗研究［D］.鄭州：河南工業(yè)大學(xué)，2015.

［5］ 曾長女，馮偉娜.小麥強(qiáng)度特性的三軸試驗研究［J］.中國糧油學(xué)報，2015，30（5）：96-101.

［6］ LI X S， DAFALIAS Y F.Dilatancy for cohesionless soils ［J］.Géotechnique， 2000， 50:449-460.

［7］ 程緒鐸，石翠霞，陸琳琳，等.小麥堆體變模量的測定與實驗研究［J］.糧食儲藏，2010，39（6）：13-15.

［8］ 程緒鐸，嚴(yán)曉婕，徐鑫.稻谷堆的壓縮密度與體變模量的測定與分析［J］.中國糧油學(xué)報，2014，29（8）：101-105.

［9］ 陳家豪，韓陽，任杰,等.小麥堆的壓縮模量的三軸試驗研究［J］.河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，37（1）：23-28.

［10］ 邵龍?zhí)叮瑢O益振，王助貧，等.數(shù)字圖像測量技術(shù)在土工三軸試驗中的應(yīng)用研究［J］.巖土力學(xué)，2006，27（1）：29-34.

［11］ GB/T 50123—1999（2008），土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［12］ 許啟鏗，金立兵，王錄民，等．糧食力學(xué)參數(shù)的試驗研究［J］.河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，31（1）：18-21.

APPLICATION OF DIGITAL IMAGE PROCESSING TECHNIQUE ON TRIAXIAL TEST OF WHEAT

ZENG Zhangnü，F(xiàn)ENG Zhaojian，LI Zhao，ZHANG Qingzhang
（School of Civil Engineering and Architecture，Henan Key Laboratory of Grain and Oil Storage Facility Safety，Henan University of Technology,Zhengzhou 450001，China）

The triaxial test instrument based on the digital image processing technique （DIPT）was applied on the determination of shear strength and deformation characteristics of wheat. A series of triaxial tests were conducted on wheat selected from Henan with cell pressure of 25 kPa to 100 kPa，and the shearing deformation was monitored during the whole test process. The results showed that the triaxial test based on digital image processing technology could be used to test the shear strength and deformation characteristics of wheat expediently. The internal frictional angle was 25.13 degree. The development process of shear deformation was analyzed by volumetric-strain curve and deformation field obtained by DIPT. It was demonstrated that the volume was decreased firstly and then dilatancy phenomenon occurred，until the drum shape deformation was presented. It was concluded that the triaxial tests with DIPT was suitable for the tests of strength and deformation characteristics of wheat. And the afforded results was reasonable，which could satisfied the precision of test result.

digital image processing technique；triaxial test；wheat；deformation characteristics

TS210.1

B

1673-2383(2017)06-0069-05

http://kns.cnki.net/kcms/detail/41.1378.N.20171226.1723.024.html

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2017-12-26 17:24:10

2017-03-24

糧油倉儲建筑與安全河南省重點(diǎn)實驗室開放課(2016KFB03)；國家自然科學(xué)基金項目（51108160）；糧食公益性行業(yè)科研專項(201513001)；河南工業(yè)大學(xué)青年骨干教師資助計劃（2015004）

曾長女(1978—)，女，江西南豐人，博士，教授，研究方向為土

動力學(xué)特性與地基基礎(chǔ)工程、儲倉結(jié)構(gòu)設(shè)計理論。

＊通信作者