基于光流法数字图像技术的真空预压下土中流体运动观测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于光流法数字图像技术的真空预压下土中流体运动观测系统及方法，系统包括真空预压固结系统，数据观测系统。真空预压固结系统，包括用于装填土体的模型箱，真空抽吸装置，单侧封膜的竖向排水板。本发明专利技术精确观测真空预压过程中土体竖向剖面内液体的流动形态的变化的方法，并基于光流法PIV技术做科学的定性定量分析。本发明专利技术可通过与各项数据监测系统配合得出在不同含水率级配以及打板深度下的流体运动的变化情况，并基于这些数据探究脉冲式排水的机理以对真空预压后期固结效率进行优化，提出更好的工程实践方案。提出更好的工程实践方案。提出更好的工程实践方案。

【技术实现步骤摘要】
基于光流法数字图像技术的真空预压下土中流体运动观测系统及方法


[0001]本专利技术涉及真空预压领域，具体涉及一种基于光流法数字图像技术的真空预压下土中流体运动观测系统及方法。

技术介绍

[0002]竖向排水板(PVDs)联合真空预压加速土体排水固结是一种提高软土强度经济、有效的办法。目前，真空预压技术已被广泛应用于我国东部沿海地区软土地基处理。但在实际处理高含水率土体时，发现土体固结后期排水板呈现脉冲式排水特征，但目前对于脉冲式排水时排水板内及土体内液体流动机理研究仍不明确。对此需要一种直接观测真空预压过程中土体竖向剖面内液体的流动形态的方法,从而对固结后期排水板内以及土体内液体流动状态进行量化分析。

技术实现思路

[0003]本专利技术要解决的技术问题是提供一种可以完整准确地观测到真空预压排水固结过程中排水板内液气多相流的流动状态的试验系统及试验方法。
[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术提出了一种基于光流法数字图像技术观测真空预压下土体竖向剖面液体运动状态的试验系统，包括真空预压固结系统，数据观测系统。
[0005]真空预压固结系统，包括用于装填土体的模型箱，真空抽吸装置，单侧封膜的竖向排水板。
[0006]用于装填土体的模型箱为顶部敞开的长方体透明箱体，h>2a，a＝1.5b(其中h为箱体高度，a为箱体长度，b为箱体宽度)，箱体前壁侧为流体运动状态观测区域，前璧内侧中轴线处竖向长方形区域为排水板贴合固定区，在排水板左右两侧设有多个图像标记基准点；箱体右侧璧上部以及箱体下部分别开设有两个不同时开启的真空管道孔，真空管道通过该孔将真空抽吸装置与排水板的手型接头相连，传递真空压力进行向上或向下抽吸；箱体顶部向外延伸有一圈满布螺栓通孔的长方形下密封框，上密封框与下密封框形状相同，螺栓通孔位置重合，通过螺栓将下密封框、密封胶圈、上密封框连接；试验土体的上方覆盖有真空膜，真空膜的外边缘夹设于下密封框与上密封框之间。
[0007]在工程应用中竖向排水板为两侧封土工膜的H字形双层半透明结构，为更直观的观察流体运动情况，本专利技术将双层结构简化为单层透明C型结构并单侧封土工膜，土工膜侧与土体接触，板体另一侧紧密贴合于模型箱前壁；排水板离真空压力远端用玻璃胶进行密封，近端端设置手型接头用于与真空抽吸装置相连。
[0008]真空抽吸装置由分离水汽多相流内各相的水汽分离瓶和提供负压力的水环真空泵组成，水汽分离瓶采用上下嘴抽滤吸瓶，其上嘴口的钢丝软管与排水板手型接头连接，用来收集真空预压过程中排出的自由水。上嘴口安装塑料止水阀用于控制真空压力的启闭，下嘴口安装塑料止水阀用来排出抽滤瓶中的水。抽滤瓶瓶口用橡胶塞密封并设有橡胶软管
和真空表，橡胶软管用来连接真空泵，真空表用来量测试验过程中真空度变化值。
[0009]数据观测系统，包括用于测量抽滤瓶真空度的真空表，用于测量排出水质量的电子天平，用于记录模型箱前壁各区域图像数据的高清相机，用于模型箱前壁侧补光的光源支架。真空表安装于抽滤瓶瓶口，用来量测试验过程中真空抽吸系统的真空度；电子天平放置于水汽分离瓶下方，记录抽出的自由水质量变化值；高清工业相机安装于相机支架上，放置于模型箱前壁正前方，采集试验过程中的目标图像数据；光源支架上安装无频闪光源，布置于模型箱正面。
[0010]进一步，所述模型箱采用高透明亚克力材料制成。
[0011]进一步，模型箱为长方体箱体，h>2a，a＝1.5b，模拟现场排水板安置深度及影响范围。
[0012]进一步，模型箱前壁布有多个图像标记基准点，用于数据处理时标记基准点以及标定图像内单位长度。
[0013]进一步，所述模型箱上下两个真空管道孔内均设有启闭措施，可任意开启一个用于仅向下或仅向上抽吸。
[0014]进一步，所述光流法数字图像技术捕捉对象为荧光液滴或荧光颗粒，试验装置均采用混合有水基荧光示踪剂或荧光示踪颗粒的水，且该示踪物不会对土颗粒进行染色，土中水会在恒定光源照射下发出荧光且单位体积液体荧光明度一致。
[0015]进一步，本专利技术使用的排水板为仅单侧封土工膜的C字型排水板，材质透明且紧密贴合于模型箱前壁划定区域，确保流体于排水板内运动时无板外土颗粒对视野遮挡。
[0016]进一步，高清工业相机安装于相机支架上，固定于模型箱前壁前方一定工作距离处，确保焦平面平行于模型箱前壁且观测区域位于像场中心，其相关布置数据需满足：
[0017]目标区域高度<＝视场大小或者成像区域高度(FOV)＝工作距离(WD)*相机传感器型号尺寸(V或者H)/焦距(f)
[0018]进一步，光源支架上安装无频闪光源，布置于模型箱前侧，确保试验观测区域光线充足且均匀且示踪物发光明度一致。
[0019]为解决上述技术问题，根据本专利技术的另一方面，本专利技术提供真空预压过程中观测排水板内流体运动的试验方法包括如下步骤：
[0020](1)模型准备：将排水板贴合于特定区域并与真空抽吸装置连接，配置含荧光示踪物的两倍液限含水量土样，将土样放入模型箱内并覆真空膜，确保模型箱整体密封性完好且可达目标真空度，安装调试相关数据观测装置，确保电子天平可准确连续记录数据，确保观测区域图像完整且相机成像清晰。
[0021](2)试验开始：真空泵开始工作，施加真空荷载，开始真空预压作用进行土体脱水。电子天平记录固结过程中排水量连续变化数据，高清相机开始记录土体竖向剖面内荧光液体的运动图像直至固结完成。
[0022](3)数据处理：荧光液体的流动可看成是带有灰度的像素点在图像平面上运动而产生的速度场。在恒定光环境下，单位体积掺加荧光示踪剂的液体荧光明度一致。液体在排水板内移动仅沿单一竖直X轴方向，在土体内的渗流运动可拆分为X、Y两个方向。考虑一个像素I(x,y,t)在第一帧的光强度(其中t代表其所在的时间维度)。它移动了(dx,dy)的距离到下一帧，用了dt时间。数据项主要基于亮度守恒假设,即同一个像素点的亮度(灰度值)在
相邻两帧图像内保持不变，即：
[0023]I(x+dx,y+dy,t+dt)＝I(x,y,t)
[0024]式中,I(x,y,t)表示t时刻坐标为(x,y)的像素点的亮度(灰度值)。对上式泰勒展开并整理得：
[0025][0026]设u，v分别为光流沿X轴与Y轴的速度矢量，即：
[0027][0028]令分别表示图像中像素点的灰度沿X,Y,T方向的偏导数，综上可得：
[0029]I
x
u+I
y
v+I
t
＝0
[0030]其中，I
X
,I
Y
,I
T
均可由图像数据求得，而(u,v)即为所求光流矢量。
[0031]通过对荧光液体进行背景分离和质点标定，并分析得到各个像素点帧间位移矢量，将各矢量集合得到单位体积液体位移场，得出液体运动规律。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于光流法数字图像技术观测真空预压下土体竖向剖面液体运动状态的试验系统，其特征在于，包括：真空预压固结系统；数据观测系统；所述的真空预压固结系统包括：用于装填土体的模型箱；单侧封膜的竖向排水板；真空抽吸装置。2.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于，所述的真空预压固结系统中，所述的模型箱为顶部敞开的长方体透明箱体，所述的长方体透明箱体一壁侧为流体运动状态观测区域，内侧为排水板贴合固定区。3.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于，所述长方体透明箱体的顶部向外延伸有一圈满布螺栓通孔的长方形下密封框，上密封框与下密封框形状相同，螺栓通孔位置重合，通过螺栓将下密封框、密封胶圈、上密封框连接；试验土体的上方覆盖有真空膜，真空膜的外边缘夹设于下密封框与上密封框之间。4.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于，所述的竖向排水板为单层透明C型结构并单侧封土工膜，土工膜侧与土体接触，板体另一侧紧密贴合于所述模型箱前壁；所述的竖向排水板离真空压力远端进行密封，近端端设置手型接头用于与所述真空抽吸装置相连。5.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于，所述真空抽吸装置包括：分离水汽多相流内各相的水汽分离瓶和提供负压力的水环真空泵。6.根据权利要求5所述的试验系统，其特征在于，所述的水汽分离瓶采用上下嘴抽滤吸瓶，所述的抽滤吸瓶的上嘴口通过钢丝软管与所述竖向排水板的手型接头连接；所述的抽滤吸瓶的上嘴口安装上嘴口塑料止水阀，下嘴口安装下嘴口塑料止水阀用来排出抽滤瓶中的水；所述的抽滤吸瓶的瓶口用橡胶塞密封并设有橡胶软管，所述橡胶软管用来连接所述真空泵。7.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于，所述的数据观测系统包括：用于测量抽滤瓶真空度的真空表；用于测量排出水质量的电子天平；用于记录模型箱前壁各区域图像数据的工业相机；用于模型箱前壁侧补光的光源支架；所述真空表安装于所述水汽分离瓶的瓶口；所述电子天平放置于所述水汽分离瓶下方，记录抽出的自由水质量变化值；所述工业相机安装于相机支架上，放置于模型箱前壁正前方，采集试验过程中的目标图像数据；所述光源支架上安装无频闪光源，布置于模型箱正面。8.根据权利要求7所述的试验系...

【专利技术属性】
技术研发人员：张奕铖，史吏，姚康，周丞武，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：