非饱和土在三轴试验过程中全局变形的实时测量新方法研究

In geotechnical engineering, the soil stress-strain behavior is usually investigated through triaxial tests. Accurate stress-strain behavior characterization is highly dependent on the accuracy of the soil volume change measurement during testing. However, accurate volume change measurement on an unsaturated soil specimen, which is located inside of a triaxial cell, is a great challenge for researchers. The development of unsaturated soil mechanics and its application in engineering projects is significantly influenced due to the difficulties in soil volume measurement during triaxial testing. In this project, a novel method, which interprets the image pattern recognition, multi-camera photogrammetry, and optical ray tracing techniques, will be developed to measure the real-time full field deformation of unsaturated soils during triaxial testing. With the results from this method, not only the soil volume change, the strain uniformity, evolvement of the shear band, and full field deformation and strain of unsaturated soils could also be extracted. The conventional triaxial test apparatus can be used to characterize unsaturated soils with minor modification which will significantly reduce the cost of the triaxial test equipment required for unsaturated soils. Also, the high measurement accuracy and the data-rich results from the new method will benefit the development of unsaturated soil mechanics and its application.

在岩土工程领域，非饱和土的应力应变特性通常由三轴试验来测定。应力应变特性测试结果的准确性严重依赖于试验过程中土样体积变化的测量精度。然而，精确测量位于三轴压力室内的非饱和土试样在试验过程中的体积变化一直是一个世界性的难题。体积测量方面的困难也严重阻碍了非饱和土力学的发展及其在实际工程中的应用。本项目将会研发一个融合图像识别和光线追踪技术的多相机、多光学介质摄影测量方法来实时、连续精确测量非饱和土在三轴试验过程中的全局变形。全局变形的测量结果不但可以用于计算得到土样在三轴试验过程中的体积变化，还可以用于检验试样应变的均匀性，揭示剪切带的演变过程，和分析其全局的位移和应变场。使用该方法，传统的饱和土三轴仪可以经过简单的改进来应用于复杂的非饱和土三轴试验。因此，非饱和土三轴试验的仪器成本将会大大降低。同时，该方法测量结果的丰富性和精确性会将对非饱和土力学的发展和应用产生非常积极的推动作用。

三轴试验广泛应用于饱和土与非饱和土的应力应变关系研究。试验过程中，通常需要对土样的体积/变形进行精确测量。由于土颗粒和水都是不可压缩的，可以很容易通过监测试样中水的流入或流出来得到饱和土的体积变化。对非饱和土，由于具有三相性，三轴试验过程中的土体体积变化不再等于其中水的体积变化。在过去的几十年，很多科研工作者做了大量的研究并研发了不同的方法来测量三轴试验过程中的体积变化。然而，所有的方法都有各种各样的局限性，土体（尤其是非饱和土）在三轴试验过程中的体积/变形测量对科研工作者一直是一个很大的挑战。在项目负责人前期工作的基础上，本项目研发出了一个可以真正实现实时三轴试样全局变形高精度测量方法并且开发出了一款针对三轴试验变形测量和结果后处理的软件GeoTri3D。该软件包括了三个主要模块：目标点三维位置的测量，测量过程的可视化，和测量结果的后处理。目标点三维位置的测量模块的主要功能包括：实现系统参数、相机校核信息、和摄影测量分析结果的导入、光线追踪、最小二乘估计、测量结果/过程的保存、以及初步的测量结果后处理；测量过程可视化模块的主要功能包括：检查每个目标点、照片、所对应的测量光线，保存点阵测量结果的动图，和通过动画来查看测量这个测量过程；测量结果后处理以及可视化模块的主要功能包括：三角网格划分、端部截断、网格插值、体积（包括网格体积、端部截断后体积、和插值后体积）计算、全表面的三维建模、位移和应变场，测量结果的可视化，各种体积计算结果和可视化动图的保存。该软件很好地解决了三轴试样全局变形测量、结果后处理、和变形过程可视化的难题。古语有云：“工欲善其事，必先利其器”。本项目所开发出的软件GeoTri3D为三轴试样全局变形实时测量方法的推广提供了极大的方便，同时也为深入研究土体的力学和变形特性提供了一个“利器”；三轴试样全局变形测量技术上的进步必会在很大程度上促进相关领域理论知识的发展和应用。