土體剪切破壞四維動態(tài)定量分析的試驗方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種±體剪切破壞四維動態(tài)定量分析的試驗方法，屬于±木工程室內(nèi) 測試技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] ±體的剪切破壞機(jī)理一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點，我國研制和引進(jìn)了許多±體 微細(xì)結(jié)構(gòu)的試驗方法，如；壓隸法、磁化率法、掃描電子顯微鏡分析法（SEM)、計算機(jī)斷層掃 描分析法（CT)、微結(jié)構(gòu)光學(xué)測試系統(tǒng)（MOT巧等，該些試驗方法的研制和引進(jìn)為深入研究± 體的剪切破壞機(jī)理提供了途徑。然而，現(xiàn)有的各類±體微細(xì)結(jié)構(gòu)試驗方法均存在不足，無法 實現(xiàn)四維動態(tài)定量的試驗分析，給出四維動態(tài)定量分析試驗方法無疑將使揭示±體破壞機(jī) 理研究更進(jìn)一步。
[0003] 盡管前人在光學(xué)測試、CT測試方面開展了卓有成效的研究，取得了不少成果，但受 測試儀器、測試技術(shù)等因素限制，兩種方法仍均有不足：
[0004] (1)在光學(xué)測試方面，微細(xì)結(jié)構(gòu)光學(xué)測試系統(tǒng)（MOT巧在巖±材料微細(xì)結(jié)構(gòu)連續(xù)跟 蹤、定量觀測方面有較大優(yōu)勢。然而，光學(xué)觀測只能提供光所覆蓋部分的信息，因此該方法 提供的是二維平面觀測數(shù)據(jù)（±樣為半圓柱樣），未能獲取±體=維微細(xì)結(jié)構(gòu)信息，±體結(jié) 構(gòu)用S維空間來描述顯然更具優(yōu)勢。
[0005] (2)在CT測試方面，傳統(tǒng)CT測試機(jī)（多借用醫(yī)學(xué)CT機(jī)）在獲取±體材料的微細(xì) 結(jié)構(gòu)S維信息方面已逐步被高性能Micro-CT機(jī)所替代。盡管如此，目前的Micro-CT機(jī)僅 對±體在某一特殊狀態(tài)下進(jìn)行掃描（如試驗開始前、試驗結(jié)束后），該測試手段仍然不能連 續(xù)測試巖±材料在荷載下微結(jié)構(gòu)的真實變化狀況（其他試驗手段也是如此，如SEM法等）， 因此也無法從時間上考慮巖±材料微顆粒及孔隙的實際位移變化信息。事實上，巖±材料 受荷下的變形破壞是一個原生結(jié)構(gòu)逐漸破壞、次生結(jié)構(gòu)逐漸形成的過程，是一個動態(tài)變化 的過程，根據(jù)試樣某一階段或破壞結(jié)果的微結(jié)構(gòu)變化來推論其在受力狀態(tài)下的變化規(guī)律， 必有其局限性，也只能停留在定性和邏輯分析上。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種±體剪切破壞四維動態(tài)定量分析的試驗 方法，該方法基于二維光學(xué)測試技術(shù)和Micro-CT S維測試技術(shù)，是一種可用于±體剪切破 壞過程中四維（空間=維、時間維）動態(tài)定量分析的試驗方法。
[0007] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用W下技術(shù)方案
[000引本發(fā)明提供一種±體剪切破壞四維動態(tài)定量分析的試驗方法，包括W下具體步 驟：
[0009] 步驟1，在±體加載剪切過程中，基于二維光學(xué)測試技術(shù)，獲取±體的基于時間維 的二維平面動態(tài)變化特征；
[0010] 步驟2，在±體加載剪切過程中，根據(jù)設(shè)定的時間間隔暫停加載，基于轉(zhuǎn)臺式掃描 技術(shù)、采用X射線探測器對±體進(jìn)行Micro-CT測試，獲取±體的S維空間靜態(tài)特征；
[0011] 步驟3,在Micro-CT測試結(jié)束后，立即繼續(xù)加載，并繼續(xù)同步進(jìn)行二維光學(xué)測試獲 取±體的基于時間維的二維平面動態(tài)變化特征；
[0012] 步驟4,按照步驟1至3,交替進(jìn)行二維光學(xué)測試與Micro-CT測試，直至±體剪切 破壞；
[0013] 步驟5,建立光孔透射配準(zhǔn)模型，將獲取的基于時間維的二維平面動態(tài)變化特征與 =維空間靜態(tài)特征進(jìn)行空間配準(zhǔn)，根據(jù)兩者之間相同標(biāo)記點的動態(tài)變化，將基于時間維的 二維平面動態(tài)變化特征通過空間配準(zhǔn)關(guān)系與=維空間靜態(tài)特征對接，使基于時間維的二維 平面動態(tài)變化特征與=維空間靜態(tài)特征融合，獲得基于時間維的±體=維空間動態(tài)變化特 征，從而實現(xiàn)±體剪切破壞過程中的四維動態(tài)定量分析試驗。
[0014] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，步驟1中基于二維光學(xué)測試技術(shù)，獲取±體剪切 過程中基于時間維的二維平面動態(tài)變化特征，具體為；采用高放大倍數(shù)的長距離顯微鏡 CCD光學(xué)攝像頭，配W高分辨率的數(shù)字圖像采集系統(tǒng)，同步連續(xù)拍攝±體剪切過程中的照 片，從而獲取基于時間維的二維平面動態(tài)變化特征。
[0015] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，上述高放大倍數(shù)的長距離顯微鏡CCD光學(xué)攝像頭 的放大倍數(shù)為20?500倍。
[0016] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，步驟2中X射線探測器為日本濱松Hamamatsu的 C7942CA-02基于CMOS的平板探測器。
[0017] 作為本發(fā)明的進(jìn)一步優(yōu)化方案，步驟2中轉(zhuǎn)臺式掃描技術(shù)具體為；使用一個電控 旋轉(zhuǎn)臺完成旋轉(zhuǎn)功能，利用X維、y維、Z維電控平移臺實現(xiàn)被掃描±體的S維空間位置的調(diào) 整。
[001引本發(fā)明采用W上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有W下技術(shù)效果；本發(fā)明基于二維 光學(xué)測試技術(shù)與Micro-CT S維測試技術(shù)，將獲取的基于時間維的二維光學(xué)數(shù)據(jù)（時間維、 空間二維）與Micro-CT S維數(shù)據(jù)（空間S維）進(jìn)行空間配準(zhǔn)、對接、融合，獲得基于時間維 的±體=維空間動態(tài)變化特征，實現(xiàn)±體剪切破壞過程中四維（空間=維、時間維）的動態(tài) 定量分析試驗。
【附圖說明】
[0019] 圖1是本發(fā)明的方法流程圖。
[0020] 圖2是本發(fā)明的四維動態(tài)測試裝置的俯視圖。
[002U 其中；1-Micro-CT射線源；2-半圓柱±樣；3-中央旋轉(zhuǎn)控制平臺；4-X維控制器； 5-y維控制器；6-X射線；7-Y射線平板探測器；8-CCD攝像頭；9-防護(hù)鉛板；10-CCD平面。
[0022] 圖3是二維光學(xué)測試的坐標(biāo)系與Micro-CT S維測試的聯(lián)合坐標(biāo)系示意圖。
【具體實施方式】
[0023] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：
[0024] 圖1為本發(fā)明的方法流程圖，在前文的
【發(fā)明內(nèi)容】
中已經(jīng)具體闡述，該里不再寶述。
[0025] 下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步闡述：
[0026] 首先，如圖2所示，構(gòu)建好測試裝置，并制備半圓柱形±樣。
[0027] 其次，在加載剪切過程中，基于二維光學(xué)測試技術(shù)，獲取±體剪切過程中基于時間 維的二維平面動態(tài)變化特征。
[002引再次，±體加載剪切過程中，根據(jù)設(shè)定的時間，如時間ti，暫停加載，立即啟動 Micro-CT，基于轉(zhuǎn)臺式掃描技術(shù)，采用X射線探測器對±樣進(jìn)行Micro-CT旋轉(zhuǎn)掃描測試；
[0029] 再次，在^(:餅-押對上樣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)掃描結(jié)束后（記時間消耗為tj立即繼續(xù) 加載，加載過程中同步進(jìn)行光學(xué)觀測，加載到設(shè)定的時間t,后，停止加載，隨后繼續(xù)進(jìn)行 Micro-CT測試，如此反復(fù)直至試驗結(jié)束；
[0030] 再次，構(gòu)建光孔透射配準(zhǔn)模型，建立二維光學(xué)測試坐標(biāo)系與Micro-CT S維測試的 聯(lián)合坐標(biāo)系，將基于時間維的二維平面動態(tài)變化特征與獲取的S維空間靜態(tài)特征進(jìn)行空間 配準(zhǔn)，即在數(shù)據(jù)處理過程中，根據(jù)二維光學(xué)圖像與Micro-CT S維數(shù)據(jù)相同標(biāo)記點的動態(tài)變 化，將光測變化通過空間配準(zhǔn)關(guān)系對應(yīng)于Micro-CT S維數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)光學(xué)數(shù)據(jù)（空間二 維、時間維）與Micro-CT數(shù)據(jù)（空間S維）融合，實現(xiàn)±體剪切破壞過程中四維動態(tài)定量 分析試驗。
[0031] 構(gòu)建的光孔透射配準(zhǔn)模型與空間配準(zhǔn)過程如下：
[0032] (1)二維光學(xué)測試的坐標(biāo)系與Micro-CT S維測試的聯(lián)合坐標(biāo)系，如圖3所示。其 中，二維光學(xué)測試的坐標(biāo)系為M-巧z，Micr〇-CT S維測試的坐標(biāo)系為0-巧Z，兩者共用y軸；
[0033] (2)構(gòu)建光孔透射配準(zhǔn)模型，對光學(xué)CCD相機(jī)建模，如圖3所示。該模型中，CCD透 鏡等效為光屯、M，CCD所在平面稱為像平面EFGH，像平面EF(ffl中屯、交y軸N點，聚焦清晰時 ±樣所在平面稱為焦平面ABCD ;
[0034] (3)對于±樣表面上的一配準(zhǔn)點P，其空間位置可W用Micro-CT數(shù)據(jù)確定，即其空 間位置的Micro-CT坐標(biāo)值是已知的，表示為（XcT，ycT，ZCT)，從該點透射出的可見光經(jīng)透鏡光 屯、映射到CCD的P'點，點P和點P' -一對應(yīng)；
[0035] (4)因光學(xué)/Micro-CT融合系統(tǒng)安裝在同一個標(biāo)準(zhǔn)的光學(xué)平臺上，描述兩個坐標(biāo) 系（M-xyz、〇-xyz)之間關(guān)系的S個平移量和S個旋轉(zhuǎn)量，可W省略兩個平移量和S個旋轉(zhuǎn) 量，只考慮關(guān)于y軸的平移量；
[0036] (5)Micro-CT坐標(biāo)原點0在光學(xué)坐標(biāo)下的坐標(biāo)值為（Cy, Cy, cj，則配準(zhǔn)點P在光學(xué) 坐標(biāo)系的立維坐標(biāo)為
【主權(quán)項】
1. 土體剪切破壞四維動態(tài)定量分析的試驗方法，其特征在于，包括以下具體步驟： 步驟1，在土體加載剪切過程中，基于二維光學(xué)測試技術(shù)，獲取土體的基于時間維的二 維平面動態(tài)變化特征； 步驟2,在土體加載剪切過程中，根據(jù)設(shè)定的時間間隔暫停加載，基于轉(zhuǎn)臺式掃描技術(shù)、 采用X射線探測器對土體進(jìn)行Micro-CT測試，獲取土體的三維空間靜態(tài)特征； 步驟3,在Micro-CT測試結(jié)束后，立即繼續(xù)加載，并繼續(xù)同步進(jìn)行二維光學(xué)測試獲取土 體的基于時間維的二維平面動態(tài)變化特征； 步驟4,按照步驟1至3,交替進(jìn)行二維光學(xué)測試與Micro-CT測試，直至土體剪切破壞； 步驟5,建立光孔透射配準(zhǔn)模型，將獲取的基于時間維的二維平面動態(tài)變化特征與三維 空間靜態(tài)特征進(jìn)行空間配準(zhǔn)，根據(jù)兩者之間相同標(biāo)記點的動態(tài)變化，將基于時間維的二維 平面動態(tài)變化特征通過空間配準(zhǔn)關(guān)系與三維空間靜態(tài)特征對接，使基于時間維的二維平面 動態(tài)變化特征與三維空間靜態(tài)特征融合，獲得基于時間維的土體三維空間動態(tài)變化特征， 從而實現(xiàn)土體剪切破壞過程中的四維動態(tài)定量分析試驗。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的土體剪切破壞四維動態(tài)定量分析的試驗方法，其特征在于， 步驟1中基于二維光學(xué)測試技術(shù)，獲取土體剪切過程中基于時間維的二維平面動態(tài)變化特 征，具體為：采用高放大倍數(shù)的長距離顯微鏡CCD光學(xué)攝像頭，配以高分辨率的數(shù)字圖像采 集系統(tǒng)，同步連續(xù)拍攝土體剪切過程中的照片，從而獲取基于時間維的二維平面動態(tài)變化 特征。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的土體剪切破壞四維動態(tài)定量分析的試驗方法，其特征在于， 高放大倍數(shù)的長距離顯微鏡CCD光學(xué)攝像頭的放大倍數(shù)為20?500倍。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的土體剪切破壞四維動態(tài)定量分析的試驗方法，其特征在于， 步驟2中X射線探測器為日本濱松Hamamatsu的C7942CA-02基于CMOS的平板探測器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的土體剪切破壞四維動態(tài)定量分析的試驗方法，其特征在于， 步驟2中轉(zhuǎn)臺式掃描技術(shù)具體為：使用一個電控旋轉(zhuǎn)臺完成旋轉(zhuǎn)功能，利用x維、y維、z維 電控平移臺實現(xiàn)被掃描土體的三維空間位置的調(diào)整。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種土體剪切破壞四維動態(tài)定量分析的試驗方法，首先基于二維光學(xué)測試技術(shù)，獲取土體剪切過程中基于時間維的二維平面動態(tài)變化特征；間隔設(shè)定的時間，基于轉(zhuǎn)臺式掃描技術(shù)，采用X 射線探測器對土樣進(jìn)行Micro-CT測試，獲取土體三維空間靜態(tài)特征；建立光孔透射配準(zhǔn)模型，將二維光學(xué)數(shù)據(jù)與三維Micro-CT數(shù)據(jù)進(jìn)行空間配準(zhǔn)；根據(jù)二維光學(xué)數(shù)據(jù)與三維Micro-CT數(shù)據(jù)相同標(biāo)記點的動態(tài)變化，將二維平面變化數(shù)據(jù)通過空間配準(zhǔn)關(guān)系與Micro-CT三維空間數(shù)據(jù)對接，獲得基于時間維的土體三維空間動態(tài)變化特征，實現(xiàn)土體剪切破壞過程中四維動態(tài)定量分析試驗。
【IPC分類】G01N3-24, G01N3-06
【公開號】CN104596869
【申請?zhí)枴緾N201510053232
【發(fā)明人】劉鑫, 洪寶寧
【申請人】河海大學(xué)
【公開日】2015年5月6日
【申請日】2015年2月2日