基于PIV 技術(shù)的新型土壤收縮軌跡測(cè)試裝置研制

侯宇宙，陳 偉，陳 捷

(1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室，江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，江蘇 南京 210098;3.河海大學(xué)道路與鐵道工程研究所，江蘇 南京 210098)

0 引 言

PIV 技術(shù)是基于圖像處理識(shí)別技術(shù)的一種粒子變形測(cè)試技術(shù)[1]，因其具有連續(xù)變形測(cè)定、高效快捷、無介入測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛應(yīng)用于流體力學(xué)、試驗(yàn)力學(xué)等相關(guān)學(xué)科[2-3]。21 世紀(jì)初，White 等[4]首次將PIV 技術(shù)應(yīng)用于巖土體工程領(lǐng)域，并開發(fā)了Geo-PIV 計(jì)算程序；同時(shí)基于此技術(shù)測(cè)試了樁體貫入試驗(yàn)中樁周土的位移變化[5]。自此，PIV 技術(shù)在巖土體位移測(cè)試中得到了諸多學(xué)者[6-8]的青睞，并逐漸成為巖土工程相關(guān)研究的一個(gè)重要發(fā)展方向。

基于PIV 技術(shù)，張吉祿等[6]研究了透明土中根鍵樁在抗拔力作用下樁周土體的位移場(chǎng)變化情況；張俊然等[7]通過膨潤(rùn)土室內(nèi)徑向壓縮試驗(yàn)，記錄了其裂隙開展情況和位移矢量場(chǎng)；黃維等[8]研究了重塑黃土在拉力作用下的拉張裂縫形態(tài)。前人的成果多集中在外力作用下土的被動(dòng)位移研究，對(duì)試驗(yàn)裝置的研究較為罕見。黃偉等[9]研發(fā)了一套基于變形數(shù)字圖像處理的土體材料拉伸試驗(yàn)裝置，其重點(diǎn)在于控制夾具與土樣之間的位移，從而提高PIV 技術(shù)的測(cè)試精度，未涉及溫度控制系統(tǒng)。然而，巖土體本身因含水率變化所表現(xiàn)出來的動(dòng)態(tài)位移特征（收縮軌跡），往往可以反映其諸多常規(guī)物理力學(xué)指標(biāo)，如粘性土的液、塑、縮限，膨脹土的膨脹等級(jí)等。因此，研發(fā)一套可控制巖土體失水速率且能連續(xù)記錄其表面位移軌跡的裝置具有實(shí)際意義。

此外，像素級(jí)的測(cè)試精度是PIV 技術(shù)的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也對(duì)測(cè)試環(huán)境和后期處理提出了苛刻的要求。劉振亞等[10]采用攝影棚和LED 光源為試驗(yàn)制造穩(wěn)定光場(chǎng)，并對(duì)比不同示蹤粒子構(gòu)建黏土表面紋理時(shí)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。王世鑫[11]提出采用碳末顆粒增強(qiáng)PIV 測(cè)量黏土變形的精度。段俐等[12]認(rèn)為采用互相關(guān)算法對(duì)PIV 圖像進(jìn)行分析最為有效，因此必須從硬件方面提高跨幀技術(shù)。目前，尚未有相關(guān)資料提出一種可滿足PIV 技術(shù)的后處理要求，且被廣泛使用的圖像采集裝置。

本研究旨在研發(fā)一套適用于PIV 技術(shù)的圖片采集裝置，在滿足測(cè)試環(huán)境的基礎(chǔ)上，提供一個(gè)可控的恒溫環(huán)境來降低土樣的含水率，達(dá)到測(cè)定試件表面收縮軌跡的目的；同時(shí)，從相機(jī)成像畸變和示蹤粒子埋設(shè)等方面對(duì)該裝置進(jìn)行誤差計(jì)算和可靠性分析。

1 裝置的研發(fā)和功能

1.1 后處理的要求

PIV 技術(shù)是一種依托圖像處理而興起的瞬態(tài)流動(dòng)平面二維速度場(chǎng)測(cè)試手段，采用該技術(shù)進(jìn)行土壤表面收縮軌跡監(jiān)測(cè)時(shí)，所采集圖片的可靠性將直接影響測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，后處理的圖片之間必須滿足以下要求：

1）PIV 后期處理軟件采用工業(yè)相機(jī)拍攝不同時(shí)刻土樣表面的圖片，分析統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間間隔內(nèi)試樣各像素點(diǎn)的矢量位移或平均速度，因此不同時(shí)間拍攝的圖片與相機(jī)的相對(duì)位置應(yīng)保持不變。

2）PIV 圖片處理軟件需嚴(yán)格統(tǒng)一拍攝環(huán)境，避免圖片拍攝時(shí)因光線改變而引起位移場(chǎng)的誤算，因此拍攝的圖片要保證相同的曝光度。

3）試驗(yàn)通過試樣表面的動(dòng)態(tài)位移場(chǎng)規(guī)律來判斷土的各項(xiàng)指標(biāo)，需保證各組試樣在相同時(shí)間內(nèi)吸收的熱量恒定。

1.2 裝置的構(gòu)造

為滿足上述要求，研制的裝置應(yīng)滿足：在成像期間，相機(jī)和試樣的相對(duì)位置保持不變；圖片的光照條件維持穩(wěn)定，避免自然光隨時(shí)間變化對(duì)圖片成像產(chǎn)生影響；為試樣提供穩(wěn)定的溫度環(huán)境。圖1 為裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。整體結(jié)構(gòu)分為3 部分：圖像采集模塊、圖像存儲(chǔ)遠(yuǎn)程控制模塊和圖像處理模塊，其中圖像采集模塊和圖像存儲(chǔ)遠(yuǎn)程控制模塊之間通過有線傳輸，圖像存儲(chǔ)遠(yuǎn)程控制模塊和圖像處理模塊之間通過無線傳輸。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)示意圖

本研究的核心結(jié)構(gòu)為圖像采集模塊，由兩個(gè)主體部件（部件1、部件2）組成。部件1 通過支架一連接工業(yè)相機(jī)、人工光源和試驗(yàn)環(huán)刀（試樣），工業(yè)相機(jī)外接圖片采集存儲(chǔ)裝置（筆記本電腦），人工光源外接光線控制器；部件2 通過支架二支撐恒溫筒，恒溫筒為雙U 型玻璃結(jié)構(gòu)，內(nèi)外層之間加入適量的水，在維持水沸的情況下，通過內(nèi)壁的熱輻射向腔內(nèi)提供穩(wěn)定高溫環(huán)境。

1.3 裝置的功能

保證試驗(yàn)全過程試樣所處的環(huán)境溫度絕對(duì)一致。試驗(yàn)過程中雙U 型玻璃結(jié)構(gòu)之間填充的水加熱并保持沸騰，內(nèi)壁向槽腔內(nèi)熱輻射提供恒定的熱源，使整個(gè)腔內(nèi)形成一個(gè)穩(wěn)定的溫度場(chǎng)，在腔體中的一定高度范圍內(nèi)保持恒溫。

保證試樣在試驗(yàn)全過程可以被拍攝和直接觀察。支架一上安裝的工業(yè)相機(jī)能夠連續(xù)記錄試樣失水收縮干裂的動(dòng)態(tài)變化過程；無機(jī)玻璃材質(zhì)的雙U 型恒溫筒能夠使實(shí)驗(yàn)人員隨時(shí)觀察試樣的表觀變化。

保證試驗(yàn)全過程試樣與熱源振動(dòng)的隔離。支架一、支架二相互分離的結(jié)構(gòu)可以避免恒溫筒水沸所產(chǎn)生的震動(dòng)對(duì)試樣產(chǎn)生擾動(dòng)而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

保證試驗(yàn)全過程試樣不受電力熱源的控制。采用酒精燈作為加熱源能夠滿足本裝置在現(xiàn)場(chǎng)無電源條件下的使用。

1.4 組件的參數(shù)

裝置的核心組件為工業(yè)相機(jī)和恒溫筒，輔助組件包括自制環(huán)刀、人工光源、酒精燈等。各組件的尺寸、性能等參數(shù)如下：

1）工業(yè)相機(jī)：有效像素500 萬，成像距離45～50 cm（高于恒溫筒3～5 cm），畸變率小于1%，工作溫度0～70 ℃。

2）恒溫筒：外部高度60 cm，外部直徑30 cm；內(nèi)部（恒溫腔）高度50 cm，內(nèi)部直徑20 cm；材質(zhì)為石英玻璃，長(zhǎng)期使用溫度為1100 ℃。

3）自制環(huán)刀：采用普通土工環(huán)刀加工而成，內(nèi)部直徑6.81 cm，內(nèi)部高度1 cm；環(huán)刀一側(cè)設(shè)置為銳口，另一側(cè)設(shè)置成密封底。

4）人工光源、酒精燈：人工光源采用可調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度的環(huán)形無影燈；酒精燈采用可調(diào)節(jié)火焰大小的酒精噴燈，外焰溫度為1000 ℃。

2 試驗(yàn)流程

2.1 前期準(zhǔn)備工作

1）溫度標(biāo)定

在整個(gè)試驗(yàn)開始前，需要對(duì)恒溫筒內(nèi)部的溫度分布進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定期間，恒溫筒中的水持續(xù)沸騰。圖2 為恒溫腔中的溫度分布曲線，從其底部至頂部的溫度逐漸減小，在距筒口10 cm 處溫度發(fā)生驟減；在筒口10 cm 以下，溫度分布與深度近似呈線性相關(guān)。試驗(yàn)所用試樣高度1 cm，經(jīng)驗(yàn)算，在筒口10 cm以下，可以不考慮試樣的上下溫差。由此，可根據(jù)溫度標(biāo)定結(jié)果調(diào)整試樣位置來控制試驗(yàn)所需的溫度值。

圖2 恒溫腔中溫度分布曲線

2）自制環(huán)刀制樣

圖3 為制樣前后的環(huán)刀實(shí)物圖。制樣前，需在環(huán)刀內(nèi)部均勻涂抹凡士林，一方面有助于順利切樣，另一方面可確保試樣收縮過程不受環(huán)刀側(cè)壁和底部的摩阻力。

圖3 制樣前后的環(huán)刀實(shí)物圖

3）光照環(huán)境

為避免自然光隨時(shí)間變化影響圖片成像，試樣裝置應(yīng)處于完全黑暗的環(huán)境，并在固定位置設(shè)定人工光源。室內(nèi)試驗(yàn)可在封閉無光的房間進(jìn)行，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可在臨時(shí)搭建的帳篷中進(jìn)行。

2.2 試驗(yàn)過程

1）試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)開始前，按照既定試驗(yàn)溫度確定試樣在恒溫腔內(nèi)的高度，調(diào)整剛性連接桿的高度并做好標(biāo)記；放入校驗(yàn)土樣，對(duì)部件1 進(jìn)行光源、焦距、曝光和拍照區(qū)域的調(diào)整，并確保工業(yè)相機(jī)拍攝面和試樣表面平行；對(duì)部件2 的恒溫筒位置進(jìn)行調(diào)整，使得試樣的托盤處于其中心位置，恒溫筒底部采用酒精燈進(jìn)行加熱至水沸騰。

斷開兩部件之間的插銷及連接桿，設(shè)置圖像自動(dòng)存儲(chǔ)程序；放入試樣并立即拍攝第一張圖片，之后存儲(chǔ)系統(tǒng)可定時(shí)拍照或拍攝連續(xù)視頻。在此過程中，部件2 中恒溫筒中的水持續(xù)沸騰。

本研究中，拍攝時(shí)間間隔為5 min。在試驗(yàn)進(jìn)行到5 min 時(shí)，得到第二張圖片，將0 min 和5 min得到的圖片記為第1 組，試驗(yàn)進(jìn)行到10 min 時(shí)，得到第三張圖片，將5 min 和10 min 得到的圖片記為第2 組，以此類推直至試驗(yàn)結(jié)束。

2）位移計(jì)算

試驗(yàn)采用PIVview2c?圖像處理軟件，其基本步驟包括：圖像灰度處理、網(wǎng)格劃分及設(shè)置分析布、搜索并匹配相似網(wǎng)格、計(jì)算位移增量均值。圖4 為網(wǎng)格劃分及分析步設(shè)置示意圖。考慮到軟件計(jì)算的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)處理的效率，分析區(qū)域的網(wǎng)格大小設(shè)置為16 pixels×16 pixels，分析步設(shè)置為8 pixels。

圖4 網(wǎng)格劃分及分析步設(shè)置示意圖

采用相同的加權(quán)平均算法對(duì)圖像進(jìn)行灰度處理，為處理后的每個(gè)像素點(diǎn)賦值(0～255)；將每組已分類圖像中的第一幅圖像劃分為若干個(gè)大小相同的網(wǎng)格，像素的不同灰度值使每個(gè)網(wǎng)格生成唯一的灰度共生矩陣；當(dāng)試樣收縮和開裂時(shí)，網(wǎng)格整體移動(dòng)，單個(gè)網(wǎng)格的灰度分布沒有變化。通過在第二幅圖像中尋找匹配度最高的灰度共生矩陣，即可確定每個(gè)網(wǎng)格的位移特征。紅色區(qū)域是要搜索的第一個(gè)網(wǎng)格，藍(lán)色區(qū)域是要搜索的第二個(gè)網(wǎng)格。匹配結(jié)束后，即可得到試樣在該時(shí)間段內(nèi)所有像素點(diǎn)的位移增量均值，按下式計(jì)算：

式中：Ej——一段時(shí)間內(nèi)的位移增量均值；

j——0～5，5～10，10～15,···；

xi?環(huán)刀范圍內(nèi)每個(gè)像素的實(shí)際位移，mm；

n——環(huán)刀范圍內(nèi)像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

3 精度分析及試驗(yàn)結(jié)果

3.1 圖像失真影響

工業(yè)相機(jī)在成像過程中會(huì)發(fā)生畸變，本文中使用的相機(jī)畸變率f小于1%。圖5 為圖像失真的原理圖，特定點(diǎn)的位移從Dnor變?yōu)镈dis。在本文中，5 min 內(nèi)試樣像素點(diǎn)的最大位移值小于25 pixels。因此，由于圖像失真造成的誤差值小于0.25 pixels，是可以接受的。

圖5 圖像畸變的原理

式中：f——相機(jī)的畸變率；

Δ——圖像畸變導(dǎo)致的誤差值；

Dnor——像素點(diǎn)的實(shí)際位移；

Ddis——畸變圖像中像素點(diǎn)的位移。

3.2 示蹤粒子影響

圖6 為間隔1 s 拍攝并經(jīng)過軟件處理后的位移增量灰度圖，其中圖6（a）為表面不覆砂的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖6（b）為表面覆砂的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。覆砂材料選用中國(guó)ISO 標(biāo)準(zhǔn)砂，產(chǎn)自福建省廈門市，粒徑范圍0.08～2.00 mm，本試驗(yàn)選用的粒徑范圍為0.08～0.25 mm。圖7 為位移標(biāo)量的標(biāo)準(zhǔn)尺。

圖6 間隔1 s 的時(shí)間位移增量灰度圖

圖7 灰度標(biāo)準(zhǔn)尺

理論上，試樣在此時(shí)間段內(nèi)沒有位移產(chǎn)生。圖6（a）灰度圖中明顯看到試樣多處發(fā)生了位移，這種現(xiàn)象并不代表真實(shí)的位移變化，而是土樣本身不均勻的表觀特征對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響；圖6（b）灰度圖呈現(xiàn)深黑色，代表試樣沒有顯著位移，驗(yàn)證了采用標(biāo)準(zhǔn)砂作為示蹤粒子對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。通過各像素點(diǎn)位移標(biāo)量值的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，分別得到兩組實(shí)驗(yàn)的多個(gè)位移增量均值，如表1 所示。數(shù)據(jù)顯示，覆砂情況下的位移增量均值小于不覆砂，兩者相差一個(gè)數(shù)量級(jí)。

表1 不覆砂和覆砂兩種情況下的位移增量均值

3.3 位移增量均值變化規(guī)律

圖8 為不同初始含水率下得到的位移增量均值隨時(shí)間的變化曲線。從圖中可以看出，位移增量均值均呈現(xiàn)出先增大，后減小，最后趨于穩(wěn)定的規(guī)律；初始含水率越高，位移增量均值達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間越長(zhǎng)。

圖8 位移增量均值隨時(shí)間變化曲線

在恒定的高溫環(huán)境下，試樣單位時(shí)間內(nèi)吸收的熱量相等，在試樣尺寸較小的情況下，可認(rèn)為含水率的下降與時(shí)間線性相關(guān)。將圖8 與土樣收縮曲線（圖9）對(duì)比，說明位移增量均值能很好地反映試樣的收縮過程。由此，位移增量均值穩(wěn)定時(shí)刻對(duì)應(yīng)的含水率即為縮限含水率，進(jìn)一步地，位移增量均值在不同變化速率下能反映試樣收縮的軌跡，可用來確定粘土的液、塑限；另外，膨脹土受內(nèi)部蒙脫石和伊利石等礦物成分的影響，表現(xiàn)出吸水膨脹、失水收縮的特點(diǎn)，礦物成分含量越高，土樣的自由膨脹率越高，脹縮態(tài)勢(shì)也越明顯，可通過土樣在失水過程中的位移軌跡來反映土的膨脹等級(jí)。

圖9 土樣收縮曲線

4 結(jié)束語

基于粒子圖像測(cè)速技術(shù)，研制了一種可用于測(cè)量土壤表面收縮軌跡的裝置。該裝置由圖像采集模塊、圖像存儲(chǔ)遠(yuǎn)程控制模塊和圖像處理模塊三部分組成；裝置的核心結(jié)構(gòu)（圖像采集模塊）由雙部件組成，試驗(yàn)狀態(tài)下兩者相互分離；恒溫筒內(nèi)壁通過熱輻射在槽腔內(nèi)形成穩(wěn)定溫度場(chǎng)，為試樣提供恒定熱源；裝置另配有人工光源、酒精燈等輔助組件，能夠在室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下完成試驗(yàn)過程；在試樣表面覆標(biāo)準(zhǔn)砂的情況下，計(jì)算結(jié)果的精度能滿足試驗(yàn)要求；工業(yè)相機(jī)本身存在的圖像畸變對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響可以忽略；該裝置能較精確得到試樣表面的位移軌跡，試樣的位移增量均值隨時(shí)間呈現(xiàn)先增大，后減小，最后趨于穩(wěn)定的規(guī)律；試樣初始含水率越高，位移增量均值達(dá)到穩(wěn)定所需的時(shí)間越長(zhǎng)；該裝置在試樣表面位移計(jì)算中能達(dá)到像素級(jí)的精度，但是本研究尚缺乏試驗(yàn)支撐；已有研究表明粘性土的收縮曲線、膨脹土失水收縮開裂等與試樣表面位移變化密不可分，因此，可基于該裝置進(jìn)行粘性土的液限、塑限、縮限確定以及膨脹土的膨脹等級(jí)判定等方面的工作。