三轴试验土样变形的数字图像测量方法及其应用

土力学是一门实践性很强的学科，它的发展与实验测试技术的发展密切相关。土工三轴仪作为最重要的土工试验仪器之一，对土力学的发展起到了十分重要的作用，然而三轴试验现行的变形测量方法存在诸多缺陷和不足，把计算机数字图像测量技术应用于土工三轴试验，可以克服这些缺陷和不足，为土工三轴试验提供一种新的、更为合理有效的变形测量手段。 论文的第一部分通过查阅大量的参考文献，对三轴试样变形的常规测量方法以及它们的改进作了比较分析，明确了三轴试样变形测量存在的主要问题。在此基础上，开发研制了适用于土工三轴试验的数字图像测量系统，具体工作包括三轴压力室的改制、硬件配备和软件开发等。此外，还详细分析了数字图像测量系统误差产生的根源，并且从辅助照明、软件算法和系统误差修正等多方面入手进一步提高数字图像测量系统的测试精度，经过比较论证，提出了一套针对三轴试验变形测量的合理高效的定标和误差修正方案。在第一部分的结尾，分析了数字图像测量系统的理论精度，并用实物检定的方法给出了它的实测误差。 应用数字图像测量技术量测三轴试验试样的变形，有许多传统测量方法不能比拟的优越性：较高的变形测量精度；非接触式变形测量，不扰动试样，不干扰试样的变形；适用于三轴土样的大变形测量；可以任意选择测量断面，实现三轴试样轴向变形和径向变形的直接测量；可以在试样变形测量的同时用图片的形式记录三轴试验的全过程，便于试验结束以后对试样变形的重新分析和研究。 论文的第二部分是数字图像测量技术在土工三轴试验中的应用研究，主要内容包括以下几个部分： (1)三轴试验若干问题的讨论：利用数字图像测量技术，主要对三轴试样的端部约束、端部接触和端部区域“藏水区”效应、三轴试样饱和过程中的体积变化以及试样表面颗粒分布特性等问题进行讨论，给出了一些有意义的结论和建议。 (2)三轴试验土样局部变形研究：首先定量比较了三轴试样沿高度方向不同位置的局部变形(局部径向变形与局部轴向变形)大小，分析了三轴试样局部变形的特点和影响因素；然后把三轴试样数字图像测量结果与传统测量结果进行比较， 以邓肯～张非线性模型为例进行了模型参数的整理，分析了两种不问测量方法引起 的参数差异：最后用原型压缩试验对比有限元数值计算结果，验证了数字图像测量 方法得到的三轴试验土体应力应变参数的合理性和准确性。 （3）干土的三轴试验以及粉煤灰三轴试样剪切带形成的试验研究：利用土样 变形数字图像测量技术可以直接量测任意含水量土样的轴向和径向变形，对干土和 饱和土进行三轴试验，比较了干土和相同条件下饱和土的应力应变特性。在粉煤灰 三轴土样剪切带的形成研究中，归纳总结了粉煤灰三轴试样剪切带的破坏形态以及 剪切带出现的条件和影响因素；利用数字图像测量技术。在三轴试验条件下成功地 捕获了剪切带的形成和发展，得出的结论与己有的平面应变试验研究成果相符合。