数字图像相关方法在砂土连续变形力链研究中的应用

力链结构的形成及演变规律是砂土等颗粒物质力学研究的核心。本项目采用基于数字图像相关方法的光学测量技术与土工实验相结合的新手段，对砂土连续变形过程中力链的动力学规律及其对砂土宏观力学性质的影响规律进行研究。以砂土剪胀性与各向异性的微观机理为重点，采用CCD摄像机实时跟踪并采集砂土变形特性，搭建基于三维精密电控移动平台的连续荷载作用下砂土细观动态变形测量的光学实验平台。基于从细观揭示机理，总结规律，再分析对宏观力学性能的影响的研究思路，开展在不同的初始固结条件下对砂土试样进行剪切与压缩试验等室内土工光学实验，跟踪并实时采集土体的动态连续变形。利用数字图像相关方法分析采集的沿时间序列的图像信息，获得任一瞬时砂土的细观变形场，计算砂土连续变形过程中颗粒位移及其应力分布，结合颗粒离散元数值实验，量化细观尺度下力链网络的几何性质，确定力链的动力学规律，揭示力链网络的统计效应对宏观力学性质的影响规律。

力链结构的形成及演变规律是砂土等颗粒物质力学研究的核心。本项目采用非接触式光学实验的方法完成了土工实验本身无法完成的核心问题。利用基于数字图像相关方法的光学测量技术与土工实验结合搭建了“砂土变形细观瞬时光学测量系统”，利用该系统，采用不同的力链提取方法完成了砂土直剪实验和等粒径钢珠颗粒体系的块体压缩实验。利用CCD摄像机实时拍摄颗粒体系变形，设置采用频率，以固定时间间隔采集颗粒体系变形图，获得了大量的颗粒体系变形过程中的原始图像与数据。.　　　对于不同颗粒级配下的砂土直剪实验，测量系统中利用CCD采集砂土连续变形图，与CCD相连接一个Edmund远心远距离镜头，能够有效消除高度差给测量结果带来的影响。对应变控制式直剪仪(三速)中剪切盒进行切割与改造，使得剪切盒侧面切掉一部分，利用螺钉将有机玻璃固定于剪切盒切口处，透明的有机玻璃便于CCD记录剪切过程中内部砂土的微细观运动状态。对变形过程中采集的原始图像利用数字图像相关方法进行计算，完成位移场的计算，通过得到的全场位移，分析获得砂土变形速度场、应变场以及变形过程中旋转角度场，对时间序列图像进行处理，分析了体系内部涡流的形成及发展。假定颗粒位移与颗粒间作用力成正比，依据获得的颗粒体系全场位移，分析得到了颗粒体系内部力链的发展与演变。同时利用颗粒离散元软件PFC2D对砂土直剪实验进行模拟，对室内土工实验结果进行补充与验证。通过对实验结果的分析揭示了砂土的宏观力学性质与微细观变形规律。.　　　光学测量系统与岛津牌万能试验机相结合完成了钢珠颗粒体系的刚性块体压缩实验。探讨了加载速度及容器形状尺寸的改变对颗粒体系微细观变形及力链的发展及演变的影响，基于力与合位移线性相关的假设，分析了集中力对颗粒物质间力链网络形成的影响，得出剪切应变的发展趋势与合位移得到的力链的发展趋势吻合。.　　　测量精度方面也做了初步探索，为更有效分析颗粒间力的传递与发展演变规律，采用Canny算子对图像边缘检测，获得颗粒边缘，选用Hough变换提取钢珠颗粒形心坐标，利用数字图像相关方法获取颗粒形心位置处位移数据，依据位移与力成正比的假定，获得颗粒与颗粒之间力的分配与传递，获得强力链网络的发展与演变。