巖土微細(xì)結(jié)構(gòu)變形跟蹤測(cè)試方法研究及其應(yīng)用.pdf

1、近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，土體微細(xì)結(jié)構(gòu)變形性能的研究已經(jīng)成為巖土力學(xué)界關(guān)注的熱點(diǎn)。研究表明，工程土體在宏觀上所表現(xiàn)出來(lái)的非連續(xù)、不均勻、各向異性和不確定性等復(fù)雜特性，根本上都與土體微觀結(jié)構(gòu)的變形及其形態(tài)有關(guān)。因此，揭示土體工程特性與其微觀結(jié)構(gòu)變形之間的內(nèi)在規(guī)律性，建立具有微觀結(jié)構(gòu)變形特征背景的巖土本構(gòu)模型，對(duì)防止地基的坍塌、下陷和變形以及分析污染物在巖土介質(zhì)中的運(yùn)移都有非常重要的意義。鑒于此，本文研究的目的在于探討土體宏觀和微觀之間的

2、相互關(guān)系，通過(guò)土體微觀結(jié)構(gòu)的定量分析，解決相關(guān)的宏觀問(wèn)題，進(jìn)而指導(dǎo)實(shí)際工程的順利進(jìn)行。為了更好地定量研究土體微觀結(jié)構(gòu)的變形性能，本文利用光學(xué)測(cè)量方法和數(shù)字圖像處理技術(shù)，研制了一套巖土微觀結(jié)構(gòu)變形跟蹤測(cè)量系統(tǒng)。其主要工作如下： (1)針對(duì)巖土微觀結(jié)構(gòu)變形跟蹤測(cè)量實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，提出了基于數(shù)字圖像相關(guān)的巖土顯微成像跟蹤測(cè)量方法，系統(tǒng)闡述了該方法的測(cè)量原理和實(shí)施方案。改進(jìn)了數(shù)字圖像相關(guān)匹配算法，不僅編程上易于實(shí)現(xiàn)，而且運(yùn)算時(shí)間大大減少，進(jìn)

3、而提高了目標(biāo)跟蹤的速度，滿足了跟蹤的實(shí)時(shí)性要求。同時(shí)運(yùn)用變模板搜索方式，使目標(biāo)的定位精度同樣得到了較大提高，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出一套基于多線程的圖像實(shí)時(shí)顯示和跟蹤軟件，為顯微成像跟蹤測(cè)量方法在巖土模型實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用和推廣奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 (2)研制了一臺(tái)巖土微觀結(jié)構(gòu)變形跟蹤測(cè)量裝置。將原有的手動(dòng)三維控制臺(tái)利用數(shù)控技術(shù)改裝成數(shù)控平臺(tái)，同時(shí)運(yùn)用電子技術(shù)研制了與之配套的SMAT-Ⅰ型三維控制臺(tái)驅(qū)動(dòng)器。將數(shù)控平

4、臺(tái)、三維控制臺(tái)驅(qū)動(dòng)器、遠(yuǎn)距離、遠(yuǎn)心顯微鏡頭和計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)組裝成一臺(tái)適于巖土微觀結(jié)構(gòu)變形測(cè)量的自動(dòng)跟蹤裝置。在石灰固化土微觀結(jié)構(gòu)變形測(cè)量實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了該自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的可靠性。 (3)由于生態(tài)土的土顆粒較大且土樣表面孔隙較多，導(dǎo)致拍攝系統(tǒng)的景深不能滿足生態(tài)土微觀圖像拍攝的需要。本文將小波變換的多分辨率技術(shù)引入到巖土微觀序列圖像處理中，對(duì)巖土微觀圖像進(jìn)行二維小波分解，得到圖像的低頻分量和高頻分量。然后，對(duì)分量在不同分解尺度上的小波

5、系數(shù)進(jìn)行算法優(yōu)化，找到了一種巖土微觀圖像景深不夠的處理方法。通過(guò)對(duì)景深不夠的生態(tài)土微觀圖像進(jìn)行小波變換處理，得到了較滿意的結(jié)果。 (4)進(jìn)一步發(fā)展了顯微成像跟蹤技術(shù)，由一點(diǎn)跟蹤模式發(fā)展成兩點(diǎn)跟蹤模式。通過(guò)兩點(diǎn)跟蹤模式的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，不僅成功跟蹤到目標(biāo)，而且利用雙線性插值技術(shù)提高了計(jì)算精度。同時(shí)，將兩點(diǎn)跟蹤模式結(jié)合光學(xué)引伸計(jì)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出一套低維材料單軸拉伸跟蹤實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)單，軟件界面友好。通過(guò)對(duì)頭發(fā)絲力學(xué)性能的測(cè)