一种修正三维倾角误差的土样变形计算方法技术

本发明专利技术公开了一种修正三维倾角误差的土样变形计算方法，用于克服土样失水收缩试验中因光学传感器角度倾斜造成的轴向与径向变形计算误差。其中，主要包括激光位移传感的倾角修正，涉及到目标测点的轴向变形计算和径向收缩补偿；轴向非均匀变形修正，涉及到多测点联用的加权平均轴向位移计算。本发明专利技术通过倾角和变形两方面修正误差，分离并分别量化计算径向和轴向的变形测试误差，可显著提高位移传感的测试精度，从而进一步地得到误差修正后的土样体变量。变形量测试精度的提高能够显著提升试验实际数据测试效率，并为土样收缩试验数据的精细化处理与分析提供便利。精细化处理与分析提供便利。精细化处理与分析提供便利。

【技术实现步骤摘要】
一种修正三维倾角误差的土样变形计算方法


[0001]本专利技术属于土工测试
，特别是一种修正三维倾角误差的土样计算方法。

技术介绍

[0002]土样收缩试验过程中，土体内水分在外部环境影响下发生蒸发，致使土体逐渐发生收缩、开裂等自然现象。土的收缩是呈三维形式的变形，不仅发生一维竖直方向，也存在表层的侧向位移。同时，受测试区域、人为因素等影响，光学变形传感器，如激光位移计在布置时不可避免的产生倾斜，导致倾斜测试的变形并非待测方向的变形。此外，常规的土样收缩试验使用单一位移计或者直测手段对土样的轴向变形与径向变形进行测量，忽略了收缩土样存在的不均匀变形，造成土样的收缩变形计算误差，极大干扰了后期试验数据采集的准确性、后处理的精确性与合理性。
[0003]鉴于此，为修正传感器布置角度倾斜引起的测试误差，解决三维倾角存在对变形结果测试误差的影响，迫切需要开发一种修正三维倾角误差的土样变形计算方法，以实现土样收缩变形的精细化测试。

技术实现思路

[0004]本专利技术目的在于提供一种能够修正三维倾角误差的土样变形计算方法，可用于土样收缩试验中径向变形和轴向变形的误差修正，达到任意时刻下土样收缩体变率的精细化测量，以利于土样收缩试验数据的精细化处理与分析。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供了一种修正三维倾角误差的土样变形计算方法，该方法包括以下步骤：
[0006]1)在圆形的土样测试区域周围的测试平台上沿圆周方向等间距设置n根布置有至少两个激光位移传感器的立杆，并为每根立杆上的激光位移传感器在土样测试区域上沿半径投射m个测点；
[0007]2)为每根立杆建立相对于土样测试区域的空间参照坐标系；
[0008]3)记录每个激光位移传感器针对所投射的测点的测量值，并根据所述空间参照坐标系，获得t时刻针对土样测试区域的总平均径向变形量S
rat
；
[0009]4)根据总径向变形量S
rat
，获得t时刻针对土样测试区域的总平均轴向变形量S
axt
；
[0010]5)根据总平均径向变形量S
rat
和总平均轴向变形量S
axt
，获得针对土样测试区域的t时刻修正三维倾角误差的土样失水收缩体变率ε
V
。
[0011]在一些实施方式中，所述为每根立杆建立相对于土样测试区域的空间参照坐标系的步骤包括：
[0012]1)所述至少两个激光位移传感器于土样测试区域上的投射的m个测点呈一条直线且通过土样测试区域的原点O，将此直线设为x轴；
[0013]2)将与所述测试平台表面相垂直且与x轴相交的线设为z轴；
[0014]3)经过x、z轴交点且与x、z轴均垂直的线设为y轴。
[0015]在一些实施方式中，所述为每根立杆上的激光位移传感器在土样测试区域上沿半径投射m个测点的步骤包括：以土样测试区域的原点O为中心，将土样测试区域划分为m层，所述至少两个激光位移传感器在每层中分别投射测点。
[0016]在一些实施方式中，所述根据所述空间参照坐标系，获得t时刻针对土样测试区域的总径向变形量S
rat
的步骤包括：
[0017]1)根据记录的激光位移传感器针对所投射的测点的测量值，获得该测点沿 x、y、z轴的径向变形分量、侧向变形分量和轴向变形分量；
[0018]2)根据所述径向变形分量和所述侧向变形分量，获得t时刻第j排第i层测点的径向变形量S
ratij
，径向变形量S
ratij
通过以下公式获得：
[0019][0020]其中，u
ij
为通过记录的第j排立杆上的激光位移传感器所投射的第i层测点的测量值，获得的第i层测点沿x轴的径向变形分量，v
ij
为通过记录的第j排立杆上的激光位移传感器所投射的第i层测点的测量值，获得的第i层测点沿y轴的侧向变形分量，(i＝1，2，
…
，m；j＝1，2，
…
，n)；R为土样测试区域半径；
[0021]3)根据径向变形量S
ratij
，获得t时刻针对土样测试区域的总平均径向变形量 S
rat
，总平均径向变形量S
rat
通过以下公式获得：
[0022][0023]其中，l＝m
‑
i+1，k为t时刻可累加径向变形数据的测点层数(k<m)；S
ratk
表示在t时刻最近一次脱离土样表层在四周偏移的该层测点径向变形量；表示当 k大于1时在第l+1层测点脱离土样表层时刻第l层测点记录的径向变形量；表示当k大于1时在第l层测点脱离土样表层时刻第l层测点记录的径向变形量。
[0024]在一些实施方式中，所述根据总径向变形量S
rat
，获得t时刻针对土样测试区域的总平均轴向变形量S
axt
的步骤包括：
[0025]1)根据径向变形量S
ratij
，获得t时刻第j排立杆上的激光位移传感器所投射的第i层测点的轴向变形加权值W
tij
，轴向变形加权值W
tij
通过以下公式获得：
[0026][0027]其中，D为投射的测点的间距，D＝R/(m
‑
1)；
[0028]2)根据轴向变形加权值W
tij
和总平均径向变形量S
rat
，获得t时刻第j排立杆上的激光位移传感器所投射的测点的加权平均修正后的轴向变形量S
axtj
，轴向变形量S
axtj
通过以下公式获得：
[0029][0030]其中，w
ij
为通过记录的第j排立杆上的激光位移传感器所投射的第i层测点的测量值，获得的第i层测点沿z轴的轴向变形分量；
[0031]3)根据轴向变形量S
axtj
，获得t时刻针对土样测试区域的总平均轴向变形量 S
axt
，总平均轴向变形量S
axt
通过以下公式获得：
[0032][0033]在一些实施方式中，土样失水收缩体变率ε
V
通过以下公式获得：
[0034][0035]其中，h为土样初始高度。
[0036]在一些实施方式中，所述m个测点之间的间距D小于等于保守间距值 D
s
，保守间距值D
s
通过以下公式获得：
[0037][0038]其中，R为土样测试区域半径，x
ij
、y
ij
、z
ij
分别为激光位移传感器测试方向绕空间参照坐标系x、y、z轴的角度。
[0039]本专利技术提供的修正三维倾角误差的土样变形计算方法，能够分离并分别量化径向和轴向的变形测试误差，显著提高位移传感的测本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种修正三维倾角误差的土样变形计算方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)在圆形的土样测试区域(1.1)周围的测试平台(1.2)上沿圆周方向等间距设置n根布置有至少两个激光位移传感器(1.3)的立杆(1.4)，并为每根立杆(1.4)上的激光位移传感器(1.3)在土样测试区域(1.1)上沿半径投射m个测点；2)为每根立杆(1.4)建立相对于土样测试区域(1.1)的空间参照坐标系；3)记录每个激光位移传感器(1.3)针对所投射的测点的测量值，并根据所述空间参照坐标系，获得t时刻针对土样测试区域(1.1)的总平均径向变形量S
rat
；4)根据总径向变形量S
rat
，获得t时刻针对土样测试区域(1.1)的总平均轴向变形量S
axt
；5)根据总平均径向变形量S
rat
和总平均轴向变形量S
axt
，获得针对土样测试区域(1.1)的t时刻修正三维倾角误差的土样失水收缩体变率ε
V
。2.根据权利要求1所述的一种修正三维倾角误差的土样计算方法，其特征在于，所述为每根立杆(1.4)建立相对于土样测试区域(1.1)的空间参照坐标系的步骤包括：1)所述至少两个激光位移传感器(1.3)于土样测试区域(1.1)上的投射的m个测点呈一条直线且通过土样测试区域(1.1)的原点O，将此直线设为x轴；2)将与所述测试平台表面相垂直且与x轴相交的线设为z轴；3)经过x、z轴交点且与x、z轴均垂直的线设为y轴。3.根据权利要求2所述的一种修正三维倾角误差的土样计算方法，其特征在于，所述为每根立杆(1.4)上的激光位移传感器(1.3)在土样测试区域(1.1)上沿半径投射m个测点的步骤包括：以土样测试区域(1.1)的原点O为中心，将土样测试区域(1.1)划分为m层，所述至少两个激光位移传感器(1.3)在每层中分别投射测点。4.根据权利要求3所述的一种修正三维倾角误差的土样计算方法，其特征在于，所述根据所述空间参照坐标系，获得t时刻针对土样测试区域(1.1)的总径向变形量S
rat
的步骤包括：1)根据记录的激光位移传感器(1.3)针对所投射的测点的测量值，获得该测点沿x、y、z轴的径向变形分量、侧向变形分量和轴向变形分量；2)根据所述径向变形分量和所述侧向变形分量，获得t时刻第j排第i层测点的径向变形量S
ratij
，径向变形量S
ratij
通过以下公式获得：其中，u
ij
为通过记录的第j排立杆上的激光位移传感器所投射的第i层测点的测量值，获得的第i层测点沿x轴的径向变形分量，v
ij
为通过记录的第j排立杆上的激光位移传感器所投射的第i层测点的测量值，获得的第i层测点沿y轴的侧向变形分量，(i＝1，2，
…
，m...

【专利技术属性】
技术研发人员：万勇，刘立洋，陈之祥，孙翔，于化月，冯佃芝，薛强，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：