耿　笑，劉東甲，譚曉慧，孫海林，馬　勝，王　霄

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院勘測(cè)分院，安徽 蚌埠 233000；

3.中國(guó)建筑第七工程局(上海)有限公司，上海 201803；4.寧夏路橋工程股份有限公司，寧夏 銀川 750001)

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簡(jiǎn)易照相法在膨脹土收縮試驗(yàn)中的應(yīng)用

耿笑1，劉東甲1，譚曉慧1，孫海林2，馬勝3，王霄4

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.安徽省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院勘測(cè)分院，安徽 蚌埠 233000；

3.中國(guó)建筑第七工程局(上海)有限公司，上海 201803；4.寧夏路橋工程股份有限公司，寧夏 銀川 750001)

摘要：為了驗(yàn)證簡(jiǎn)易照相法在膨脹土收縮試驗(yàn)中應(yīng)用的可行性，在試驗(yàn)時(shí)用簡(jiǎn)易照相法進(jìn)行土樣直徑的測(cè)量，同時(shí)采用游標(biāo)卡尺法做對(duì)比試驗(yàn)。對(duì)兩種方法測(cè)得的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)易照相法相對(duì)于游標(biāo)卡尺法存在一差值。研究發(fā)現(xiàn)，土樣高度是引起這一差值的主要原因。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看到，當(dāng)把土樣高度引起的誤差消除之后，修正后的簡(jiǎn)易照相法計(jì)算的直徑值能更好地遵循膨脹土收縮試驗(yàn)的規(guī)律。簡(jiǎn)易照相法作為一種非接觸測(cè)量方法，能避免測(cè)量過程中對(duì)土樣的損傷，處理數(shù)據(jù)方便，有一定的實(shí)際應(yīng)用意義。

關(guān)鍵詞：膨脹土；收縮試驗(yàn)；簡(jiǎn)易照相法；比例系數(shù)

0引言

膨脹土是土中黏粒成分主要由親水性礦物組成，同時(shí)具有顯著的吸水膨脹和失水收縮兩種變形特性的黏性土[1]。由于它具有顯著的脹縮特性，使膨脹土地區(qū)的各類基礎(chǔ)工程建設(shè)遭受嚴(yán)重破壞。近年來，人們對(duì)膨脹土進(jìn)行了很多研究，而這些研究較多的集中于其膨脹性，收縮性研究較少，然而，膨脹土的收縮會(huì)造成工程的致命破壞[2]。

膨脹土收縮性的研究依賴于收縮試驗(yàn)。傳統(tǒng)的收縮試驗(yàn)一般根據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》，采用收縮儀，利用百分表來測(cè)量土樣的高度變化[3]。許多學(xué)者對(duì)膨脹土收縮試驗(yàn)的方法進(jìn)行了研究，李志清、胡瑞林[2]利用千分尺測(cè)定了膨脹土的收縮特性，然而在試驗(yàn)過程中，千分尺會(huì)對(duì)土樣造成一定損傷，并且難以保證千分尺在測(cè)量過程中與土樣徑向絕對(duì)平行，容易引起誤差。國(guó)外學(xué)者則提出了位移傳感器監(jiān)測(cè)法[4]和體積置換法[5]，并對(duì)這些方法進(jìn)行了探討[6-7]。劉平等[8]提出了用液體石蠟法嚴(yán)格測(cè)定土的收縮特征曲線的新方法，然而該方法在制樣時(shí)難以保證土樣均勻分布在PVC管中，并且采用同種土多個(gè)平行樣測(cè)量體積的方法，使得每次測(cè)量體積的土樣都不同，試樣間存在誤差。

對(duì)于膨脹土收縮試驗(yàn)中土樣的非接觸測(cè)量方面，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者都做了一些探討。E.Braudeau等[9]采用激光法，通過傳感器測(cè)量土樣高度和直徑。W.M. Cornelis等[10]采用橡膠氣球法，通過把氣囊抽成真空以測(cè)量其體積。Anand J. Puppala等[11]利用數(shù)字成像技術(shù)測(cè)量膨脹土體積的收縮應(yīng)變。邵龍?zhí)兜萚12]將數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)用于土工三軸試驗(yàn)土樣變形的測(cè)量。然而對(duì)于簡(jiǎn)單的室內(nèi)膨脹土收縮試驗(yàn)，制樣較小，不需要上述方法中的大型設(shè)備，而且要考慮方法的經(jīng)濟(jì)性。因此，在這些基礎(chǔ)上，本文提出用簡(jiǎn)易照相法來測(cè)量膨脹土收縮試驗(yàn)中的徑向變化，同時(shí)用游標(biāo)卡尺這一最普遍的直徑測(cè)量方法進(jìn)行對(duì)比。

1簡(jiǎn)易照相法

1.1簡(jiǎn)易照相法的設(shè)備組成

簡(jiǎn)易照相法的試驗(yàn)設(shè)備主要是相機(jī)和三腳架，為了保證土樣各向均勻收縮，采用有孔底板用于擺放土樣(底板上孔的面積大于總面積的50%)，此外準(zhǔn)備若干有一定高度的圓環(huán)，用于擺放底板。試驗(yàn)時(shí)，在桌面上黏貼一張白紙，在白紙上畫一個(gè)10cm×10cm的紅色方框，相機(jī)安裝好之后，調(diào)整三腳架的位置，使相機(jī)的鏡頭焦點(diǎn)與紅色方框的中心在一條垂線上，然后將三腳架固定在桌面上，如圖1所示。

圖1簡(jiǎn)易照相法的設(shè)備組成

1.2簡(jiǎn)易照相法的原理

簡(jiǎn)易照相法通過對(duì)土樣進(jìn)行拍照，得到土樣在某一時(shí)刻，直徑為Di時(shí)的照片，如圖2(a)所示。

對(duì)拍攝得到的土樣照片進(jìn)行剪裁處理，提取紅色方框部分，如圖2(b)所示。簡(jiǎn)易照相法的基本原理是通過求解土樣的面積來求得土樣的直徑，而土樣的面積則通過式(1)計(jì)算而來：

(1)

其中，紅框真實(shí)面積是已知的，紅框像素面積在裁剪照片時(shí)就已經(jīng)確定下來，土樣像素面積通過MinerallmgSeg程序算出，根據(jù)上式，就可以計(jì)算出土樣的真實(shí)面積，進(jìn)而得到土樣的直徑。(注：MinerallmgSeg是用于顯微礦物圖像識(shí)別的程序，通過圖像識(shí)別(圖3(a))和組構(gòu)提取(圖3(b))可以計(jì)算出被識(shí)別的圖像區(qū)域的面積。由于其計(jì)算方法符合本試驗(yàn)要求，故在此引用。)

圖3土樣面積計(jì)算過程

1.3測(cè)定簡(jiǎn)易照相法精度的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)

在將簡(jiǎn)易照相法應(yīng)用于膨脹土的收縮試驗(yàn)之前，先用該方法對(duì)一圓形鐵板進(jìn)行試驗(yàn)。用游標(biāo)卡尺測(cè)定鐵板的高度為6mm,直徑為77.06mm。為了研究試驗(yàn)過程中影響簡(jiǎn)易照相法的因素，試驗(yàn)采用三種不同型號(hào)的相機(jī)：Canon(1200萬像素)、Olympus(1400萬像素)和Samsung(1600萬像素)，并在試驗(yàn)過程中不斷改變相機(jī)拍攝高度，試驗(yàn)結(jié)果見表1。表1中Dc 、Do 和Ds分別表示Canon相機(jī)、Olympus相機(jī)和Samsung相機(jī)測(cè)得的直徑(注：“——”表示在該拍攝高度無法獲得數(shù)據(jù))。

從表1和圖4中可以看出，隨著拍攝高度的增加，簡(jiǎn)易照相法計(jì)算得到的結(jié)果與游標(biāo)卡尺測(cè)量得到的結(jié)果之間的差值(絕對(duì)值)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，不同型號(hào)的照相機(jī)測(cè)得的結(jié)果均與橫軸存在交點(diǎn)，這些交點(diǎn)組成一個(gè)最佳高度范圍，即在該拍攝高度范圍內(nèi)，用簡(jiǎn)易照相法測(cè)得的結(jié)果精度最高，與游標(biāo)卡尺測(cè)量結(jié)果的差值幾乎為零。對(duì)于本試驗(yàn)中采用的相機(jī)，由圖4可知，最佳高度范圍為28cm～34cm。

當(dāng)拍攝高度低于28cm時(shí)，拍攝高度越低，簡(jiǎn)易照相法的精度越差。這是由于相機(jī)本身存在一個(gè)最近對(duì)焦距離，超過最近對(duì)焦距離時(shí)，相機(jī)無法準(zhǔn)確對(duì)焦。

表1　相機(jī)型號(hào)和拍攝高度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

為了進(jìn)行直觀的對(duì)比，將表1中的結(jié)果(所有差值均取絕對(duì)值)繪制成曲線，見圖4。

圖4三種型號(hào)的照相機(jī)測(cè)量結(jié)果與卡尺測(cè)量值的差值對(duì)比

當(dāng)拍攝高度高于34cm時(shí)，隨著拍攝高度的增加，簡(jiǎn)易照相法計(jì)算得到的結(jié)果與游標(biāo)卡尺測(cè)量得到的結(jié)果之間的差值(絕對(duì)值)逐漸增大。這是因?yàn)楫?dāng)拍攝高度增加時(shí)，對(duì)所需圖像拍攝成像的像素就會(huì)減少，而簡(jiǎn)易照相法是基于圖像的像素來計(jì)算面積的，所以在采用簡(jiǎn)易照相法時(shí)要將拍攝高度控制在最佳高度范圍內(nèi)。

由圖4可以看到，Canon相機(jī)(1200萬像素)測(cè)得的結(jié)果與游標(biāo)卡尺測(cè)量結(jié)果的差值(絕對(duì)值)波動(dòng)較大，而另外兩種相機(jī)的差值(絕對(duì)值)變化則表現(xiàn)出較好的一致性，并且在同一拍攝高度時(shí)，攝像像素大的相機(jī)其計(jì)算結(jié)果的差值(絕對(duì)值)相對(duì)較小，顯然，相機(jī)的攝像像素越大，拍照時(shí)的精度就越高，越利于簡(jiǎn)易照相法的應(yīng)用。

由上述試驗(yàn)，考慮到簡(jiǎn)易照相法所獲得結(jié)果的穩(wěn)定性，當(dāng)拍攝高度在最佳高度范圍內(nèi)時(shí)，簡(jiǎn)易照相法相對(duì)于游標(biāo)卡尺測(cè)量的誤差(絕對(duì)值)能控制在最小范圍(0.0086mm～0.2632mm)內(nèi)，是試驗(yàn)所允許的誤差范圍。因此，當(dāng)采用較高像素的相機(jī)，并在最佳高度范圍內(nèi)進(jìn)行拍攝時(shí)，簡(jiǎn)易照相法可以用于膨脹土的收縮試驗(yàn)。

2簡(jiǎn)易照相法在膨脹土收縮試驗(yàn)中的應(yīng)用

2.1試驗(yàn)方案

配制27%和24%兩種含水率的土樣，每種土樣分別配制成1.58g·cm-3和1.66g·cm-3兩種干密度，土樣的其它條件均一致，用剪切儀將土樣壓制成環(huán)刀大小。每組制備六個(gè)土樣，任取三個(gè)土樣進(jìn)行簡(jiǎn)易照相法試驗(yàn)，另外三個(gè)土樣進(jìn)行游標(biāo)卡尺法試驗(yàn)。將兩組土樣擺放好之后，在室溫條件下進(jìn)行收縮試驗(yàn)。

2.2試驗(yàn)過程

每次測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，對(duì)簡(jiǎn)易照相法一組的土樣，用照相機(jī)對(duì)其上表面進(jìn)行拍照；并用游標(biāo)卡尺測(cè)量土樣的高度，選取不同的位置測(cè)量五次，取其平均值。對(duì)游標(biāo)卡尺法一組的土樣，采用游標(biāo)卡尺在不同的位置測(cè)量土樣的高度、直徑各五次，取其平均值。

由于兩組土樣均采用游標(biāo)卡尺測(cè)量土樣的高度，為了更有效的探討簡(jiǎn)易照相法的適用性，只取兩組土樣的直徑值做對(duì)比。

2.3數(shù)據(jù)分析

取干密度為1.58g·cm-3(該密度的土樣具有更高的累計(jì)水平變形)的兩組土樣的直徑進(jìn)行對(duì)比，土樣直徑隨時(shí)間變化的值如表2所示。

由表2可以看到，簡(jiǎn)易照相法計(jì)算得到的結(jié)果要比游標(biāo)卡尺法測(cè)得的值大。經(jīng)過分析，除了1.3標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)中提到的因素外，土樣的高度是引起這一差值的主要原因，如圖5所示。根據(jù)相似三角形原理，引入比例系數(shù)“a=h/H”，則土樣高度引起的誤差可以表示為“Dicd-Dccd=a×Dicd”(Dicd為通過MinerallmgSeg程序得到的初始計(jì)算直徑，Dccd為修正土樣高度誤差后的直徑)。

由于土樣高度引起的誤差可以消除，因此游標(biāo)卡尺法測(cè)量的土樣直徑(VCM)、簡(jiǎn)易照相法計(jì)算的土樣直徑(SPM)、簡(jiǎn)易照相法修正后的計(jì)算直徑(CCD)、誤差消除之前的差值(ΔDb)以及誤差消除之后的差值(ΔDa)均列于表2(考慮到空間有限，僅取部分值)。由表2可以看到，當(dāng)土樣高度引起的誤差消除之后，ΔDa和差值百分比ΔDa/VCM均明顯下降。

表2　兩組土樣測(cè)得的平均直徑

圖5土樣直徑誤差分析示意圖

圖6兩種方法測(cè)量結(jié)果的對(duì)比

將表2中的結(jié)果繪制成曲線(取全部值)，如圖6所示。由圖6可知，兩種方法測(cè)得的直徑均變小，最后趨于穩(wěn)定，并且兩種方法幾乎成平行下降趨勢(shì)，表明簡(jiǎn)易照相法測(cè)得的結(jié)果符合膨脹土收縮試驗(yàn)的規(guī)律。然而，簡(jiǎn)易照相法(SPM)的計(jì)算結(jié)果比游標(biāo)卡尺法(VCM)的測(cè)量結(jié)果相對(duì)要大，由上文的分析可知，主要是由于土樣高度引起的。當(dāng)土樣高度引起的誤差消除后，兩種方法之間的差值明顯減小，如圖中的CCD曲線所示。并且，在誤差消除之前，兩種方法的平均差值為2.55mm，誤差消除之后為-0.67mm，再次證明了土樣高度對(duì)簡(jiǎn)易照相法的計(jì)算結(jié)果有很大影響。

另外，要考慮到簡(jiǎn)易照相法在計(jì)算時(shí)，程序通過對(duì)土樣上表面進(jìn)行輪廓識(shí)別來求得面積，在實(shí)際中，土樣的上表面不是絕對(duì)的圓形，土顆粒之間的排列造成土樣輪廓的凹凸，而游標(biāo)卡尺在測(cè)量時(shí)為了減小誤差一般放在土樣的二分之一高度處，這一位置的土顆粒經(jīng)過環(huán)刀的擠壓，使得中段的土樣截面可以近似為圓形。

3結(jié)論

(1)本文對(duì)兩種干密度的土樣進(jìn)行膨脹土收縮試驗(yàn)，用簡(jiǎn)易照相法對(duì)土樣徑向值的變化進(jìn)行測(cè)量，并與游標(biāo)卡尺的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，簡(jiǎn)易照相法計(jì)算的結(jié)果符合膨脹土收縮試驗(yàn)的規(guī)律，并且可以用于土樣直徑的測(cè)量。

(2)在膨脹土收縮試驗(yàn)中，采用游標(biāo)卡尺測(cè)量土樣的徑向變化容易引起土樣損傷，尤其在試驗(yàn)初期，土樣的含水率比較大，游標(biāo)卡尺容易將土樣上的土粘連下來，并且游標(biāo)卡尺的測(cè)量結(jié)果與測(cè)量人員的經(jīng)驗(yàn)有關(guān)。而采用簡(jiǎn)易照相法在不接觸土樣的情況下，通過程序計(jì)算土樣的上表面面積，從而求得直徑，利于保護(hù)土樣完整性。由于土樣的不均勻收縮，該方法存在一定誤差。

(3)通過測(cè)定簡(jiǎn)易照相法精度的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，得出簡(jiǎn)易照相法的試驗(yàn)精度與拍攝高度以及相機(jī)像素值大小有關(guān)。當(dāng)拍攝高度在最佳高度范圍內(nèi)時(shí)，相機(jī)像素值越大，則簡(jiǎn)易照相法的精度越高。

(4)土樣高度對(duì)簡(jiǎn)易照相法的計(jì)算結(jié)果有重大影響。比例系數(shù)(a=h/H)可以用來消除土樣高度引起的誤差。另外，方法本身選用的程序也對(duì)計(jì)算結(jié)果有一定影響。

致謝本文所用的MinerallmgSeg程序?yàn)檎买E杰編寫，在此表示感謝。

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Application of Simple Photographic Method to
the Expansive Soil shrinkage Test

GENG Xiao1,LIU Dongjia1,TAN Xiaohui1,SUN Hailin2,MA Sheng3,WANG Xiao4

(1. School of Resources and Environmental Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China;

2. Anhui Survey and Design Institute of Water Conservancy and Hydropower, Bengbu 233000, China;

3. China Construction Seventh Engineering DMSION. (Shanghai) Corp. Ltd., Shanghai 201803, China;

4. Ningxia Highway & Bridge Corporation, Yinchuan 750001, China)

Abstract:In order to verify the feasibility of the application of simple photographic method (SPM) to the expansive soil shrinkage test, the diameter of soil sample is measured by simple photographic method, while vernier caliper method (VCM) is used to do the comparison tests. The result showed a difference in tests between with simple photographic method to the vernier caliper method. It is found that the soil sample height is the main reason causing the difference.. Through experimental analysis, when the error caused by soil sample height is eliminated, we achieved the modified simple photographic method to calculate the diameter value can better follow the law of expansive soil shrinkage test.. As a non-contact measurement method, simple photographic method can avoid damage to soil samples, and is easy to handle data, so the simple photographic method has a certain practical significance.

Key words:expansive soil; shrinkage test; simple photographic method; ratio coefficient

收稿日期：2015-04-23

作者簡(jiǎn)介：耿 笑(1990-)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闃锻羷?dòng)力學(xué)。

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150610

中圖分類號(hào)：TU411

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-8382(2015)06-047-05