导　　师： 韩文峰;谌文武

学科专业： H1803

授予学位： 博士

作　　者： ;

机构地区： 兰州大学

摘　　要： 随着国家的大规模建设发展,大量高层建筑、桥梁和港口不断涌现,桩基础所承受的风荷载、潮汐荷载、地震荷载等侧向荷载,已经引起中外学者高度重视。准确分析桩基及桩周土体的应力和变形,对研究桩土相互作用有重要意义。本研究利用粒子图像测速技术(PIV)无干扰、全场、动态测量砂土颗粒的二维位移矢量场。随着PIV技术的发展,三维粒子图像测速技术(Stereo-PIV)已经逐步应用到多个学科的试验室研究中,本试验主要通过自行设计试验设备和基于网络免费进行二次开发,研究砂土表面三维位移和桩土相互作用关系。本文具体工作和主要结论为：(1)针对目前桩土相互作用研究的局限性及其复杂性,采用一种无干扰、全场、动态测量技术,即粒子图像测速技术(PIV)对桩土相互作用进行研究,并对PIV技术原理进行了详细论述,分析了PIV技术的研究重点。本研究积极跟踪侧向应力桩的国内外研究方向,综述侧向应力桩的研究现状,确定结合PIV技术研究桩周围砂土的位移运动特点,分析桩对砂土的影响规律。(2)为了满足桩土相互作用试验的特殊性,即位移、力和图像的一一对应关系,运用LabVIEW图形化编程语言开发了位移、力和图像采集系统。该系统可以将物理位移和力转换为可以存储的数据信息,同时通过时间标记,使位移、力和图像数据有很好的统一性。(3)基于PIV技术原理,研究二维位移计算软件PIVview2C,该软件具有较强的二维分析能力,可以进行图像划分尺寸设置、相关方法选择、颗粒位移结果显示等,是测量砂土表面二维位移的较好软件。(4)采用CMOS相机平行砂土表面拍摄砂土位移图片,分析砂土在圆形桩和方形桩作用下的运动特点,桩头位移和拉力关系,砂土的二维平面位移矢量U和V,剪应变场与砂土剪切破坏面的关系,以及不同变形阶段砂土位移特点等。(5)采用两台CMOS相机分别从平行砂表面拍摄砂土表面位移和平行砂剖面拍摄砂土的竖向位移,获得砂土内部的运动数据。分析在进行有侧限条件方形桩作用下,砂土颗粒剖面垂直位移和平面水平位移的特点。(6)详细研究了图像坐标系、相机坐标系和空间坐标系的关系,改编可视化开放实验室的相机标定工具箱。该工具箱可以准确地获得相机的内置参数和外置参数。通过发展相机标定工具箱软件和三维共线方程解析法,自行编写MATLAB程序,重组三维空间坐标。该方法基于两个免费软件,自行开发简单易行,相对其他Stereo-PIV方法易于实现,与其他商业软件相比成本低,适合科研人员在进行三维颗粒流应用过程中自行编写。(7)采用两台CMOS相机进行无干扰拍摄在圆形桩侧向拉力作用下砂土表面颗粒三维位移场。分析不同变形阶段,桩头的位移和拉力之间的关系,砂土表面颗粒的水平位移U和垂直位移W的运动特点,砂土颗粒运动的角度,剪应变场与砂土破坏关系等。进行圆形桩对桩周砂土的影响范围进行预测,并与现场试验结果比对,证明采用模型试验结果的合理性。

关 键 词： 粒子图像测速技术 数据采集系统 桩土相互作用 三维粒子图像测速技术 砂土三维位移

分 类 号： [TP391.41;TU473.1]

领　　域： [自动化与计算机技术] [自动化与计算机技术]