一种土遗址土体表面应力应变测试环境箱及其测量方法技术

本发明专利技术公开一种土遗址土体表面应力应变测量方法，通过将土体内部分粒径土颗粒使用黑色土颗粒置换，获得光学图像分析识别的特征，利用像素位移多重拍摄功能提高拍摄精度，使的土体表面的应力应变能够被测量。本方法操作简单，测量设备经济，其在文物保护以及岩土工程研究领域具有重要意义。研究领域具有重要意义。研究领域具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种土遗址土体表面应力应变测试环境箱及其测量方法


[0001]本专利技术涉及土遗址保护试验研究及保护加固领域，属于土遗址土体表面应力测量，尤其在土遗址表面风化研究与加固材料兼容性研究领域更为实用。也可以应用于岩土工程等相关领域。
[0002]
技术介绍

[0003]我国是世界上土遗址类型最丰富、分布最广泛的国家之一。截止第八批全国重点文物保护单位的公布，中国境内不同类型土质建筑遗址为主要构成的全国重点文物保护单位近1000 多处，而且21000 多公里长城约70%为土质。由于长期受到水、热、盐、降雨、光照等各种自然因素的影响，土遗址表面受到不同程度的风化，由于土体的各项差异性、矿物成分的差异以及温度、水分等作用因素的差异，使得土遗址表层土体产生不同程度的应力差，在温度、水分和风力等循环因素的作用下，表层土体结构被破坏，逐渐形成风化；此外，当防风化加固材料渗透进入表层土体时，使得土颗粒胶结结构发生改变，与遗址本体在外力作用下也会产生不同程度的应力或者应变差异。因此，研制一种能够测量土遗址表面应力应变的测量方法对于防止土遗址土体分化具有十分重要的意义。
[0004]目前应力应变测量采用精度为0.02mm的三维扫描测量，部分外因素产生的土体形变远小于此量级，且三维扫描仅能测试初始状态和结束状态，不能够分析整个土体应力应变，也不能分析应力应变分布。土体表层粘贴应变片仅能测试单点的应力应变，且应变片粘接胶水会破坏土体结构，测得失真的数据。常规的光学识别技术由于缺乏土遗址表层的特征识别点，毫米级甚至微米级的应变无法测量。截止目前仍然没有一种理想的测量土体表面微应变和应力的产品或者土体形变测量的方法。

技术实现思路

[0005]为了克服现有光学识别技术的局限性，使其能够测量土体表面微应变，本专利技术的目的在于提供一种土遗址土体表面应力应变测试环境箱，另一目的在于提供一种土遗址土体表面应力应变测量方法。
[0006]一种土体表面应力应变测试环境箱，含有日照灯、高像素相机、湿度输入口、被测样品、透水石和毛细水模拟水槽。高像素相机居于箱体上部中心，两日照灯分居高像素相机两侧，湿度输入口位于箱体壁的一侧，被测样品、透水石、毛细水模拟水槽组合为一体，水槽内放置透水石，透水石上置有被测样品，被测样品与日照灯相对。
[0007]一种土遗址土体表面应力应变测量方法，其步骤是：（1）使用激光粒度仪或者土工试验方法标准（GB/T50123
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2019）作出测试土体的粒径分布与圆度分布；（2）选取合适的粒径区间对土体使用相同粒径的黑色石英砂颗粒进行置换。置换是通过18
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1340目的筛置换圆度粒径0.01
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1mm、圆度0.7
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0.9的黑色石英砂，置换比例不小
于质量比的5%；（3）将置换后的土体依据实验要求通过压筑或者夯筑的方式进行制样；（4）在环境箱内施加对应环境参数，日照灯控制光照强度，温度、湿度；高像素相机是用来拍摄被测样品高像素图片；输入口控制环境箱内的温度和湿度，水槽内放置透水石，透水石上置有被测样品，被测样品上的水分可通过透水石下渗，通过向水槽内注水模拟上升毛细水；（5）依据表1选取3
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192cm2测量区域进行实验，拍摄精度0.001
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0.030mm；光学相机设置参数：使用定焦微距镜头，ISO100，LED补光，开启像素位移多重拍摄功能，拍摄间隔不小于1min，照片格式为RAW格式文件；（6）合成高像素图片，将同一时刻拍摄的16张像素位移照片，分辨率为11648
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8736，1.02亿像素，合称分辨率为分辨率23296
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17472，4.07亿像素的图像；（7）将合成后的图像进行二值化处理，通过分析图像上每个像素的灰度值，将灰度值大于黑色石英砂的像素灰度值设为0，即黑色，灰度值小于石英砂的像素灰度值设为255，即白色；（8）使用计算机对比分析样品表面每一个黑色石英砂颗粒在不同时刻的位置，获得Δt时间内对应砂颗粒在X和Y方向的位移Δx和Δy；应力计算公式为：式中F为应力，ε为应变量，E为土体的弹性模量。
[0008]本专利技术的优点和产生的有益效果是：（1）通过将土体内部分粒径土颗粒使用黑色土颗粒置换，获得光学图像分析识别的特征，利用像素位移多重拍摄功能提高拍摄精度，使的土体表面的应力应变能够被测量。
[0009]（2）通过像素位移多重拍摄功能提高图像像素，进而提高应力应变的测量精度，达到0.001mm以上的测量精度，为现有应力应变测量精度0.02mm的百倍；（3）土体表面应力应变测试环境箱能够测量由温度、湿度、光照、毛细水等环境因素产生的表层微应变；（4）通过环境箱，能够对环境变化全过程的应力应变的进行分析，获取不同阶段的应力应变数据；（5）本方法操作简单，应用方便，价格低，在测量土体表层应力应变具有广泛的应用场景。
[0010]本方法所测应变精度取决于测量范围及光学测量设备COMS尺寸和分辨率，本方法以中画幅一亿像素光学相机进行方法说明，APS
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C画幅和全画幅相机也能够进行应力应变测量，测量精度会有所降低。施加不同的环境因素产生的应力应变不同，需要选取适当的测量面积以获得适应的精度。本方法不仅适用于古代土建筑遗址的研究和保护的需求，也适用于其他岩土工程等相关领域。
附图说明
[0011]图1土体表面应力应变测试环境箱；图中：1
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全光谱日照灯、2
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高像素相机、3
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温度、湿度输入口、4
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被测样品、5
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透水
石、6
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毛细水模拟水槽。
[0012]图2合成图像二值化处理，其中a为合成图像二值化处理前，b为合成成图像二值化处理后；图3 Δt时间内土体表面应力应变分析计算原理图；
具体实施方式
[0013]下面结合附图对本专利技术再作进一步的说明：（1）使用激光粒度仪或者土工试验方法标准（GB/T50123
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2019）作出测试土体的粒径分布与圆度分布；（2）选取合适的粒径区间，使用黑色石英砂颗粒置换原土体中相同粒径的土（砂）颗粒，使土体表面特征点能够被图像识别软件所识别。置换是通过18
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1340目的筛置换圆度粒径0.01
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1mm、圆度0.7
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0.9的黑色石英砂，不同测量精度粒径置换区间见表1，表1置换粒径与测量精度对照表置换比例不小于质量比的5%；（3）将置换后的土体依据实验要求通过压筑或者夯筑的方式进行制样；（4）在环境箱内施加对应环境参数，各项参数可单独或者同时控制。图1中的日照灯1控制光照强度，温度、湿度；高像素相机2是用来拍摄被测样品4高像素图片；输入口3控制环境箱内的温度和湿度，水槽内6放置透水石5，透水石5上置有被测样品4，被测样品4上的水分可通过透水石5下渗，通过向水槽内（6）注水模拟上升毛细水等环境影本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种土体表面应力应变测试环境箱，含有日照灯（1）、高像素相机（2）、湿度输入口（3）、被测样品（4）、透水石（5）和毛细水模拟水槽（6），其特征是高像素相机（2）居于箱体上部中心，两日照灯（1）分居高像素相机（2）两侧，湿度输入口（3）位于箱体壁的一侧，被测样品（4）、透水石（5）、毛细水模拟水槽（6）组合为一体，水槽内（6）放置透水石（5），透水石（5）上置有被测样品（4），被测样品（4）与日照灯（1）相对。2.一种土遗址土体表面应力应变测量方法，其步骤是：（1）使用激光粒度仪或者土工试验方法标准（GB/T50123
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2019）作出测试土体的粒径分布与圆度分布；（2）选取合适的粒径区间对土体使用相同粒径的黑色石英砂颗粒进行置换，使土体表面特征点能够被图像识别软件所识别；置换是通过18
‑
1340目的筛置换圆度粒径0.01
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1mm、圆度0.7
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0.9的黑色石英砂，置换比例不小于质量比的5%；（3）将置换后的土体依据实验要求通过压筑或者夯筑的方式进行制样；（4）在环境箱内施加对应环境参数，日照灯（1）控制光照强度，温度、湿度；高像素相机（2）是用来拍摄被测样品（4）高...

【专利技术属性】
技术研发人员：张博，赵建忠，朱毓，郭青林，裴强强，
申请(专利权)人：甘肃莫高窟文化遗产保护设计咨询有限公司，
类型：发明
国别省市：