基于图像智能识别技术的路基土含水率测定装置及方法

本发明属于岩土工程测量领域中的一种土体含水率测试技术，尤其涉及一种基于图像智能识别技术的路基土含水率测定装置及方法。

背景技术：

1、路基是道路工程中的重要组成部分，路基施工质量直接决定了整个工程质量。在路基填筑施工过程中，压实质量决定了路基施工的优良程度，因此良好的压实质量是路基本体、基床底层的保证，而含水率是影响压实质量的最重要因素之一。根据标准击实试验结果显示：随着土体含水率的增加，土体的干密度会呈现一个抛物线的形式发展。由此可以看出，土体含水率过高或过低都不合适，只有在最佳含水率的情况下，土体才能达到最大干密度，即土体被挤压的最密实。当土体当中含水率较小时，土颗粒之间主要以强结合水连接，连接比较牢固，阻碍土颗粒运动，土体表现为不容易被挤压密实。随着含水率的增加，土颗粒之间开始以弱结合水的形式相连接，水分在土颗粒被挤压密实的过程中，起到润滑作用，因此，在此过程中，随着含水率的增加，土体被挤压的越密实，表现为土体的干密度增加。当土体中水分含量较多时，土颗粒之间主要以液态水的形似相连接，连接较弱，在土体受力过程中，液态水很难从孔隙中挤出，从而阻滞土颗粒之间相互靠近密实，出现软弹现象，表现为土体很难被压实。

2、然而，现有技术中路基土含水率测定方法，如烘干法，存在扰动大、路基土含水率测量精度低的局限。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于图像智能识别技术的路基土含水率测定装置及方法，解决了传统烘干法测定含水率测量精度低、扰动大的问题。

2、一种基于图像智能识别技术的路基土含水率测定装置，包括：照明系统、图像智能识别分析系统；

3、所述照明系统，包括：卤素灯1、调节器2和三脚架3；所述调节器2固定于三脚架3，所述卤素灯1与调节器2的输出端连接；

4、所述图像智能识别分析系统包括：

5、铁架台4，其上由下至上依次设置有不透水垫层5、薄壁土样模具6、半透膜8、氯化钴试纸9、钢化玻璃10、不锈钢垫圈11；

6、所述薄壁土样模具6内为土体试样7；

7、支撑杆12，固定于所述铁架台4，其上段设置有固定夹子13；

8、高像素相机14，用于实时采集氯化钴试纸9的图像，其通过固定夹子13设置于不锈钢垫圈11上部，并与计算机15相连。

9、优选地，所述卤素灯1的最小功率为100w，可随调节器2进行转动和水平移动；

10、所述卤素灯1中心距土体试样7中心的垂直距离为1.0m，水平距离为1.5m。

11、优选地，所述薄壁土样模具6由不锈钢材料制成，内径为5cm，外径为5.2cm，高为10cm；

12、所述薄壁土样模具6放置于不透水垫层5的中心；

13、所述不透水垫层5的形状为正方形，其边长为6cm；

14、所述铁架台4的形状为正方形，其边长为20cm。

15、优选地，所述半透膜8为复合型醋酸纤维素膜，外形为正方形，边长为6cm，表层微孔的孔径小于50埃。

16、优选地，所述氯化钴试纸9在测试前干燥状态下的初始颜色为蓝色，形状为正方形，其边长为6cm。

17、优选地，所述钢化玻璃10形状为正方形，其边长为6cm，钢化玻璃10的厚度为1cm。

18、优选地，所述不锈钢垫圈11，用于保证土体试样7、半透膜8和氯化钴试纸9之间贴合，其内径为5cm，外径为5.5cm，质量为500g；

19、不锈钢垫圈11的中心与薄壁土样模具6中心在竖直方向上重合。

20、优选地，所述高像素相机14距钢化玻璃10表面垂直距离15cm，高像素相机10的曝光时间为1/125秒，每10秒捕获一次氯化钴试纸9的图像，图像像素不低于3500万，每次含水率测试过程持续时间为15分钟。

21、优选地，所述计算机15用于实时存储高像素相机14捕捉的氯化钴试纸9图像，并对图像数据进行分析处理。

22、一种基于图像智能识别技术的路基土含水率测定方法，包括：路基土含水率标定和路基土含水率原位测定；

23、其中，路基土含水率标定结束后，进行路基土含水率原位测定；

24、路基土含水率标定具体包含以下步骤：

25、步骤1，现场路基测试段选取间隔2米布设1个测试点，共计6个测试点；

26、每个测试点相同路基深度处取土样2份，共计12份；

27、每个测试点的2份土样，1份用标准烘干法测量含水率，得到6个测点的烘干含水率值为w1、w2、w3、w4、w5、w6；

28、1份用于步骤2；

29、步骤2，将步骤1中用于标定的1个测试点的标定土样分3层均匀压实填充至薄壁土样模具6内，每层击实锤击实25下，并用刮土刀抹平薄壁土样模具6底、顶两端，备用；

30、步骤3，组装基于图像智能识别技术的路基土含水率测定装置并将其置于温度为20±2℃、相对湿度为95％的环境内；

31、打开卤素灯1将其功率调节至100w，同时打开高像素相机14和计算机15，高像素相机14开始捕获并记录氯化钴试纸9的图像，采集时间持续为15分钟；

32、步骤4，将计算机15记录的氯化钴试纸9图像通过matlab软件中的opencv函数将每个像素转化为色调值，图像中的色调值采用加权平均法作为整个图像的色调平均值；

33、绘制出色调平均值随时间的变化图，通过最小二乘拟合法获得变化图中拟合直线段的斜率值s1；

34、步骤5，对其余5个测试点的标定土样重复上述步骤2～4，得到相应的斜率值s2、s3、s4、s5、s6；

35、步骤6，绘制烘干含水率值w与斜率值s的散点关系图，采用最小二乘拟合法进行线性拟合，得到关系式：s＝a·w+b，即求解出a、b；

36、所述路基土含水率原位测定包括以下步骤：

37、第一步，路基现场选取目标测试点位，将薄壁土样模具6用静压设备缓慢压入测试点位路基土表面以下3cm处，用刮土刀抹平薄壁土样模具6顶端；

38、第二步，在薄壁土样模具6顶端中心上方依次放置复合型醋酸纤维素半透膜8、干燥的氯化钴试纸9、钢化玻璃10、不锈钢垫圈11，钢化玻璃10表面垂直距离15cm处设置高像素相机14，高像素相机14由一个支架固定并与计算机15相连，用于透过不锈钢垫圈11记录氯化钴试纸9的图像；

39、第三步，将权利要求1和权利要求2中所述的照明系统设置于目标测试点位一侧，打开卤素灯1、高像素相机14和计算机15开始图像采集，采集时间为15分钟，将采集的图像按照路基土含水率标定中步骤4所述的方法处理，得到图像平均色调值随时间变化的拟合直线段斜率值s；

40、第四步，根据路基土含水率标定中步骤6所述的无量纲拟合参数a、b值，进行土样含水率值w计算，计算公式为：

41、w＝(s-b)/a。

42、与现有技术相比，本发明的优点为：

43、本发明以卤素灯1，调节器2，三脚架3，铁架台4，不透水垫层5，薄壁土样模具6，土体试样7，半透膜8，氯化钴试纸9，钢化玻璃10等组成，通过氯化钴试纸9的初始颜色遇水会由蓝色逐渐变成红色的图像变化，可由路基土时间-色调值线性部分的斜率获得路基土的含水率，测量精度高；且该方法不受外界环境变化的影响，因此扰动小。