三维摄影测量技术及软土地基上堤坝的离心模型试验研究

发布时间：2020-10-14 19:19

　　 作为一种行之有效的物理模拟试验手段,岩土离心模型试验已经广泛应用于解决各类岩土工程相关的工程技术问题,如堤坝和边坡、浅基础与深基础、挡土结构、动力工程、地基处理等方面。在土工离心模型试验中,变形测量占有重要的地位,最为常用。目前传统的变形测量技术主要有差动变压器式位移传感器(LVDT)和激光位移传感器两种。LVDT具有机械寿命长、分辨率高、坚固耐用等优点,但应用LVDT进行变形测量时,需要严格控制其与模型表面的接触,对模型的物理性能有一定的影响,安装起来受模型箱空间限制只能测量几个点,且传感器的量程有限,测量范围较小。激光位移传感器具有非接触、测量精度高等优点,但对量程有严格要求,目前大部分激光位移传感器仅能测量一个点在一个特定方向的位移,能够测量一条线上多个点的激光位移传感器则价格昂贵。摄影测量是基于图像分析处理的一项技术,相比于传统的位移测量手段,它具有非接触、直观、量程大、测量范围广、布设方便等诸多优点,目前在土工离心模型试验中已经得到了一些应用,但仅限于对模型侧面内部变形的测量。本文开发了一套新的三维摄影测量技术并将其应用于软土地基上堤坝的离心模型试验中,测量模型表面的变形。软土地基具有高含水量、高压缩性、天然孔隙大等特征,因此软土地基上的堤坝易发生较大的变形,甚至发生破坏。应用本文开发的三维摄影测量技术可以测量软土地基上堤坝离心模型三维表面的变形,量程大,测量范围广,监测结果可以为工程实践提供依据,保障工程安全。本文开发的三维摄影测量技术的基本原理是透镜成像原理,测量流程是通过两台摄像机同时拍摄到的模型图像标定出摄像机的参数,并且对图像中模型各个测量点的空间位置进行计算,从而测量得到试验过程中土工离心模型的变形。本文研究离心模型试验的对象是我国西南某软土地基上的土石坝,对照激光位移传感器,应用三维摄影测量技术对软土地基上土石坝离心模型的变形监测结果表明,三维摄影测量技术具有较高的精确度,适用于土工离心模型试验中的变形监测。软土地基上土石坝离心模型试验的变形监测结果表明,在试验过程中,随着离心加速度的增大,土石坝模型的坝体逐渐下沉,且坝顶沉降最明显。坝坡沉降量沿着坝坡向下逐渐减小,在与坝基相交的坝底处,沉降量变得很小,局部出现向上隆起的现象。同时,土石坝模型发生了横向变形,随着离心加速度的增大而增大,且坝底沿水平方向上的位移最大,位移量沿着坝坡向上减小。在离心加速度加载过程中,软土地基上土石坝的离心模型上出现了横向裂缝,说明土石坝模型在竖直和水平两个方向上的不均匀变形导致坝体最终开裂破坏。为了研究离心加速度对软土地基上土石坝离心模型滑动稳定性的影响,本文借助仿真分析软件GeoStudio对软土地基上的土石坝离心模型进行了建模并分析了其在不同离心加速度值下的滑动稳定性。研究结果表明,随着离心加速度的增高,软土地基上土石坝离心模型的滑动稳定性逐渐减小。软土地基上土石坝离心模型的滑动破坏面呈圆弧状,且深入到软土基础中,失稳破坏模型为深层破坏,说明软土地基上土石坝离心模型的滑动稳定性为软土地基的承载能力所控制。最后,本文在总结研究成果的基础上,对进一步研究提出了展望,以期对今后的研究有所帮助。
【学位单位】：中国水利水电科学研究院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TV223;TV64
【部分图文】：

大砂袋对软土地基的变形适应性强，具有较好的整休稳定性。??朱斌等人为研究软土地基上海堤的沉降和稳定性，针对海堤Ｉ：程幵展ｆ离心模型??试验，应用ＰＩＶ技术观察了海堤的破坏模式，如图１．１所示｜２７１。研宄结果表明，海堤??．离心模型的坡顶正中沉降量随着离心加速度的增加而不断变大，该沉降ｋ要由海堤模??型堤身的变形、软土地基的回弹再压缩变形、海堤模型超载引起的软上地基变形３部??分组成。相对于坡顶沉降，海堤模型的坡底在竖直方向丨？．的位移偵较小，且Ｉ：体在离??心机加载过程中有向上隆起的趋势，引起这？现象的原因是堤身卜Ｉ：休在试验屮逐渐??向两侧坡脚处滑动。??４?－??３?Ｌ２?（坡顶正中）??ｃ?，?／?－－－?Ｌ１?（迎坡面坡脚下５?ｍ处）??２?＇?Ｉ?—?一?Ｌ３?（背坡面坡脚下５?ｍ处）??Ｓ?／??＾?１?＊?／?海堤出现局部滑移??０?：乂?Ｌ．?：＿：二二?ｎ?－一－１?二二二：二二－??．?｜?Ｉ?Ｉ?｜??—Ｊ??０?１０?２０?３０?４０??时间／?ｄ??图ｉ．ｉ软土地基上海堤离心模型在试验过程中的沉降??在对软土地基上海堤离心模型的变形过程进行监测的基础上，ｈ述研究还借助??ＧｅｏＳｔｕｄｉｏ软件屮的ＳＬＯＰＥ／Ｗ模块分析广海堤模型整体稳定性随时间的变化，如图??１．２所示。研究结果表明，海堤模型的整休稳定安全系数随着离心加速度的升高逐渐降??５??

泛地应用于土工离心模型试验中。??差动变压器式位移传感器是线性可变差动变压器（英文简称：ＬＶＤＴ）的一种，属??于接触式传感器。工作原理简单地说是铁芯可动变压器，其工作原理图如图１．３所示。??ＬＶＤＴ通过线圈互感作用将位移转化为电压信号，从而实现位移测量，它的优点包括坚??固耐用、稳定性高、分辨率高、精度高等，且不易受到环境的影响［２Ｗ（）］。但是由于??ＬＶＤＴ是机械接触式的测量方法，在物理模型试验中，ＬＶＤＴ与物理模型直接接触，必??然会对模型的物理性能产生一定的影响，安装起来受模型箱空间限制只能测量几个点，??且传感器的量程有限，测量范围较小｜３１１。在土工离心模型试验中，由于高重力场的影??响，使得ＬＶＤＴ不能及时跟踪被测土体的沉降，其在高重力场中的抗干扰能力较差。??蟾出亀ａ??Ｕ）??Ｚ???＾?Ｉ??￣；?＼?ｂｏ?１００?１５０??纖?＜?Ｉｆ妗??１?ａｎ?ａｆｌ?????？??ｆｅｓｔａｅａ?ｐｓｔａｅ？??ｃｆｅＳ§３?隹??－１００Ｎ?ｅ?Ｏｔｔ爾的．１００＾＊２??ｎｚａｓ??图１．３?ＬＶＤＴ工作原理图??激光位移传感器是另一种常用于测量土工离心模型位移的传感器，它利用激光技??术进行测量。组成激光位移传感器的部件包括激光器、激光检测器和测量电路１３Ｗ３］。??激光位移测量的基本原理是光学三角法

中国水利水电科学研究院学位论文??收集到信号的光点位置，从而计算出所测距离［３３］，如图１．４所示。激光位移传感器在??试验中进行测量时，可以实现无接触远距离测量，而且它还具有速度快、精度高、抗??光和电干扰能力强等优点。不足的是，激光位移传感器对量程有严格要求，目前大部??分激光位移传感器仅能测量一个点在一个特定方向的位移，能够测量一条线上多个点??的激光位移传感器则价格昂贵。??〇??－线件ＣＣＤ？列??＾?「％＾ｒ—＊?汁??、：Ａ?Ｕ?铖测物被麵体ｂ、??号处ａ器??Ｉ?咬??半导离？狀？??图１．４光学三角法示意图??１．３．２摄影测量技术的发展??土工离心机随着近年来土力学基本理论的发展及岩土工程设计水平的提高，被提??出了新的设计要求［３４］。传统的位移测量手段无法满足土工离心模型试验的测量需求，??发展新的测量手段便成为土工离心模型试验中亟需解决的问题，这种情况下，许多土??工离心机技术研宄人员提出研制摄影系统的要求，发展新的可应用于土工离心模型试??验的非接触位移测量手段。??Ｗｈｉｔｅ?Ｄ?Ｊ总结了岩土工程领域１９４８年至２００８年间进行的物理模型试验
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本文编号：2841074