真空预压过程中观测土颗粒运动的试验系统及试验方法与流程

本发明涉及一种真空预压过程中观测土颗粒运动的试验系统，本发明还提供了采用上述真空预压过程中观测土颗粒运动的试验系统进行试验的方法。

背景技术：

真空预压排水固结法是一种用于处理软土地基的常用方法，由于处理时间短、施工简单安全、费用低等优点，被广泛地运用于淤泥土地基处理。在真空预压处理超软土地基过程中，竖向排水体周边会形成隆起的以排水体为中心的压密层，工程中称之为“土桩”，具体形状如一个上大下小的倒锥体，加固过程中和结束后“土桩”范围内的土体强度会大大高于范围外的土体。现阶段，对于宏观的塑料排水板的淤堵行为，有观点认为细颗粒在排水板附近聚集是淤堵形成“土桩”现象的原因，但目前仍然缺乏验证这个猜想的研究。对此，需要能够提出一种定量测量并分析土体中个体颗粒运动情况的方法，结合宏观土体测量方法来分析“土桩”’现象出现的原因。

另外，在岩土工程领域的研究中，还有不少问题与颗粒的运动、颗粒相互作用有关，例如渗流中土体颗粒的运动，颗粒材料的堆积，形成骨架结构等等，研究这些现象都需要通过恰当尺度的观测手段，通过观察土体颗粒的个体运动，与宏观的测量手段结合，提出对这一类现象的新的解释，既而提出问题的解决方法。但是目前对于微小土体颗粒个体运动、相互作用的观察与测量，尚缺乏行之有效的观测方法，需要提出合理的观测尺度与观测手段，来完成对颗粒个体运动情况的研究。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种可以高效、准确地和完整地得到真空预压过程中土体颗粒个体运动信息的真空预压过程中观测颗粒运动的试验系统级试验方法。

为了解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供一种真空预压过程中观测土颗粒运动的试验系统，包括土体真空固结系统、真空驱动系统和监测系统；

所述土体真空固结系统包括：用于装填试验土体的模型箱，模型箱为顶部敞开的长方形箱体；模型箱的前侧壁上设有观察窗，用于观测黏土颗粒的运动情况；观察窗上覆盖有与其大小适配的玻璃板，玻璃板上设有用于对试验结果进行标定的标记点；模型箱的左侧壁开设有真空管线接口、第一传感器导线孔、第二传感器导线孔和第三传感器导线孔；模型箱内设有用于固定塑料排水板的支架，塑料排水板竖直地埋设在试验土体中；塑料排水板的顶端接入竖向连接管，竖向连接管的顶端接入横向连接管，横向连接管穿过真空管线接口与真空管线连接；

模型箱的顶端边缘向外设有长方形的第一密封框，第一密封框的上表面通过螺栓连接有第二密封框；试验土体的上方覆盖有土工布，土工布的上方覆盖有真空膜，真空膜的外边缘夹设于第一密封框与第二密封框之间，真空膜与第二密封框之间设有密封垫圈；

所述真空驱动系统包括：用于收集模型箱内排出的水与气的真空水汽分离箱、用于提供负压的真空射流泵、以及用于调节试验系统内真空荷载的真空压力控制装置；真空水汽分离箱的顶部设有第一连接口、第二连接口和第三连接口，第一连接口通过真空管线与模型箱连接，第二连接口与真空压力控制装置连接，第三连接口与真空射流泵连接；真空水汽分离箱的下部侧壁设有排水口，排水口外接排水管，排水管上设有排水阀；

所述监测系统包括：用于监测真空预压过程中土体内孔隙水压力值变化的孔隙水压力传感器、用于测量模型箱底部土体真空度的真空表测头、用于采集试验土体表面沉降数据的lvdt位移传感器、用于实验过程中进行颗粒捕捉与追踪的高清相机；模型箱的顶端设有传感器固定支架，lvdt位移传感器固定于传感器固定支架上；观察窗的外侧设有相机支架，高清相机固定于相机支架上；第一传感器导线孔从外部插入孔隙水压力传感器，孔隙水压力传感器埋设在试验土体中；第二传感器导线孔从外部插入真空表测头，真空表测头埋设在试验土体中。

进一步，所述观察窗的玻璃板采用有机航空玻璃制成。

进一步，所述模型箱采用铝板制成。

进一步，所述第一传感器导线孔、第二传感器导线孔和第三传感器导线孔内均设有密封塞。

进一步，所述真空膜的大小计算方法如下：设模型箱宽度为a，模型箱长度为b，设计沉降量为l，真空膜左右各预留10cm宽度，真空膜计算面积为：

s＝(a+l+20)×(b+l+20)。

进一步，所述颗粒捕捉与追踪需要满足的条件计算过程如下，所设的目标颗粒粒径大小为r，所涉及相机图片像素大小为a(width)×b(height)，像素尺寸大小为e，拍摄视野大小为c(width)×d(height)，需满足：

根据以上两式来确定拍摄的视野大小。

根据高斯公式：

物方与像方介质相同时，有：

f′＝-f

其中,l为物距，l′为像距，f为物方焦距，f′为像方焦距，y为物高，y′为像高，β为放大率。i即为实际物距。

为了解决上述技术问题，根据本发明的另一方面，本发明提供真空预压过程中观测土颗粒运动的试验方法包括如下步骤：

步骤1、模型准备

首先确定模型箱所需土样质量，并配置好试验土样；通过支架将塑料排水板固定于设定位置，并安装好真空管线、孔隙水压力传感器和真空表测头，将配置好的试验土样加入模型箱中，覆盖土工布和真空膜，并做好模型箱的密封工作；通过真空管线将土体真空固结系统中的模型箱与真空驱动系统进行连接，保证整个试验系统的密封性；

步骤2、系统调试

开启数据监测系统，对孔隙水压力传感器、lvdt位移传感器的数据进行设定和调节，开启真空压力控制装置，观察真空表和各传感器读数，进行调零，确保数据对应正确。在相机固定支架上安装高清相机，调整拍摄的视野，调整光圈和焦距，使得土体颗粒在视野内成像清晰；

步骤3、试验图片分析

在试验过程中，通过高清相机记录了在真空预压过程中拍摄视野内的土体颗粒照片，经数据采集系统传输到电脑上进行处理；首先通过阈值分割把土体颗粒的图像与背景和噪声分离开来，其次通过识别和轮廓提取法确定土体颗粒边界，继而确定颗粒个体的中心坐标，得到了整个试验图片集中颗粒的坐标集合，最后通过对颗粒进行匹配来明确颗粒运动的轨迹，得到淤泥土中颗粒个体的运动信息，并对比不同粒径颗粒个体的运动情况的差异。

本发明的有益效果是：(1)本发明的试验图像测量方法精度高，所测量的土体颗粒粒径达微米级，可以跟踪测量指定粒径大小范围的土体颗粒的运动信息，并且数据分辨率高，可进行较长时间持续测量。

(2)本发明模型的试验布置与现场施工条件较为相似，能够较好地模拟现场土体的真空固结，并测量这个过程中土体颗粒的运动，试验数据具有实际研究意义；

(3)本发明模型可保证试验过程中良好的密封性，通过与孔隙水压力传感器、位移计、真空表、piv测量系统的配合，可以记录和测量真空预压过程中土体位移场、土体表面竖向位移、土体内孔隙水压力和真空度的变化，对试验过程进行实时监测，模拟真空预压的现场施工，以提出更好的工程实践方案。

附图说明

图1是本发明的系统图。

图2是本发明中模型箱的主视图。

图3是本发明中模型箱的俯视图。

图4是本发明中模型箱的左视图。

图5是本发明中真空驱动系统的结构示意图。

图6是本发明的物象关系图。

附图标记说明：1、模型箱；2、第一密封框；3、第二密封框；4、真空膜；5、密封垫圈；6、传感器固定支架；7、观察窗；8、标记点；9、塑料排水板；10、孔隙水压力传感器；11、竖向连接管；12、横向连接管；13、螺栓孔；14、真空管线接口；15、第一传感器导线孔；16、第二传感器导线孔；17、第三传感器导线孔；18、真空水汽分离箱；19、真空射流泵；20、真空压力控制装置；21、真空管线；22、排水口；23、排水阀。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此：

参照附图，一种真空预压过程中观测颗粒运动的试验系统，包括土体真空固结系统、真空驱动系统和监测系统；

所述土体真空固结系统包括：用于装填试验土体的模型箱1，模型箱1为顶部敞开的长方形箱体，模型箱1采用铝板制成；模型箱1的前侧壁上设有观察窗7，用于观测黏土颗粒的运动情况；观察窗7上覆盖有与其大小适配的玻璃板，玻璃板上设有用于对试验结果进行标定的标记点8，玻璃板采用有机航空玻璃制成；模型箱的左侧壁开设有真空管线接口、第一传感器导线孔15、第二传感器导线孔16和第三传感器导线孔17，第一传感器导线孔15、第二传感器导线孔16和第三传感器导线17孔内均设有密封塞；模型箱内设有用于固定塑料排水板的支架，塑料排水板9竖直地埋设在试验土体中；塑料排水板9的顶端接入竖向连接管11，竖向连接管11的顶端接入横向连接管12，横向连接管12穿过真空管线接口与真空管线21连接；

模型箱的顶端边缘向外设有长方形的第一密封框2，第一密封框2的上表面通过螺栓连接有第二密封框3，第一密封框2与第二密封框3形状相同，且第一密封框2上等距的设有螺栓孔13，第二密封框3对应的位置上也开设有螺栓孔；试验土体的上方覆盖有土工布，土工布的上方覆盖有真空膜4，真空膜4的外边缘夹设于第一密封框2与第二密封框3之间，真空膜4与第二密封框3之间设有密封垫圈5；

所述真空驱动系统包括：用于收集模型箱1内排出的水与气的真空水汽分离箱18、用于提供负压的真空射流泵19、以及用于调节试验系统内的真空荷载空压力控制装置20；真空水汽分离箱18的顶部设有第一连接口、第二连接口和第三连接口，第一连接口通过真空管线21与模型箱1连接，第二连接口与真空压力控制装置20连接，第三连接口与真空射流泵19连接；真空水汽分离箱18的下部侧壁设有排水口22，排水口22外接排水管，排水管上设有用于控制排水的排水阀23；

所述监测系统包括：用于监测真空预压过程中土体内孔隙水压力值变化的孔隙水压力传感器、用于测量模型箱底部土体真空度的真空表测头、用于采集试验土体表面沉降数据的lvdt位移传感器、用于实验过程中进行颗粒捕捉与追踪的高清相机；模型箱的顶端设有传感器固定支架6，lvdt位移传感器固定于传感器固定支架6上；观察窗的外侧设有相机支架，高清相机固定于相机支架上；第一传感器导线孔从外部插入孔隙水压力传感器，孔隙水压力传感器埋设在试验土体中；第二传感器导线孔从外部插入真空表测头，真空表测头埋设在试验土体中。

土体颗粒捕捉与追踪需要满足的条件计算过程如下所示。所设的目标颗粒粒径为r＝10μm，所涉及相机图片像素大小为4912pixel(a)×3684pixel(b)，像素尺寸大小e＝1.25μm×1.25μm，拍摄视野大小为c(width)×d(height)，取c＝36.98mmd＝27.74mm时，满足：

根据高斯公式：

物方与像方介质相同时，有：

f′＝-ff＝50mm

i＝f(1+1/β)＝50(1+1/β)＝34.4mm

其中，l为物距，l′为像距，f为物方焦距，f′为像方焦距，y为物高，y′为像高，β为放大率。i即为实际物距。

根据计算，图像测量系统的参数取值如下表1所示：

表1图像测量系统参数表

本发明还提供一种真空预压过程中观测颗粒运动的试验方法包括如下步骤：

步骤1、模型准备

首先确定模型箱所需土样质量，并配置好试验土样。通过支架将塑料排水板9固定于设定位置，在距离塑料排水板一定距离的对应位置处布置孔隙水压力传感器；将塑料排水板与手型接口连接，接入竖向连接管和横向连接管，横向连接管与模型箱上的真空管接口连接；将观察窗安装至模型箱上，并用螺栓连接法兰固定；将配置好的试验土样加入模型箱1中，覆盖土工布和真空膜4；计算真空膜大小，保证抽真空后期试验土体与真空膜紧贴，并裁剪相印大小真空膜放置于土工布和模型箱的第一密封框上；真空膜大小计算方法如下：

假设模型箱宽度为a，模型箱长度为b，设计沉降量为l，真空膜左右各预留10cm宽度，真空膜计算面积为：

s＝(a+l+20)×(b+l+20)。

密封膜与第二密封框之间放置密封垫圈，密封垫圈与密封框固定后压紧，保证气密性良好；在密封膜表面布置lvdt位移传感器；通过真空管线将土体真空固结系统中的模型箱与真空驱动系统进行连接，保证整个试验系统的密封性。

步骤2、系统调试

开启数据监测系统，对孔隙水压力传感器10、lvdt位移传感器的数据进行设定和调节，开启真空压力控制装置，观察真空表和各传感器读数，进行调零，确保数据对应正确。在相机固定支架上安装高清相机，在模型箱1前方安装光源与高清相机并进行对焦，调整拍摄的视野，调整光圈和焦距，使得土体颗粒在视野内成像清晰。

步骤3、试验图片分析

模型准备完成并布置好测量系统后，启动真空泵，进行真空预压试验。在试验过程中，通过高清相机记录了在真空预压过程中拍摄视野内的土体颗粒照片，经数据采集系统传输到电脑上进行处理。首先通过阈值分割把土体颗粒的图像与背景和噪声分离开来，其次通过识别和轮廓提取法确定土体颗粒边界，继而确定颗粒个体的中心坐标，得到了整个试验图片集中颗粒的坐标集合，最后通过对颗粒进行匹配来明确颗粒运动的轨迹，得到淤泥土中颗粒个体的运动信息，并对比不同粒径颗粒个体的运动情况的差异。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。