简易照相法在膨胀土收缩试验中的应用

耿　笑，刘东甲，谭晓慧，孙海林，马　胜，王　霄

(1.合肥工业大学 资源与环境工程学院，安徽 合肥 230009；2.安徽省水利水电勘测设计研究院勘测分院，安徽 蚌埠 233000；

3.中国建筑第七工程局(上海)有限公司，上海 201803；4.宁夏路桥工程股份有限公司，宁夏 银川 750001)



简易照相法在膨胀土收缩试验中的应用

耿笑1，刘东甲1，谭晓慧1，孙海林2，马胜3，王霄4

(1.合肥工业大学 资源与环境工程学院，安徽 合肥 230009；2.安徽省水利水电勘测设计研究院勘测分院，安徽 蚌埠 233000；

3.中国建筑第七工程局(上海)有限公司，上海 201803；4.宁夏路桥工程股份有限公司，宁夏 银川 750001)

摘要：为了验证简易照相法在膨胀土收缩试验中应用的可行性，在试验时用简易照相法进行土样直径的测量，同时采用游标卡尺法做对比试验。对两种方法测得的试验结果进行分析，发现简易照相法相对于游标卡尺法存在一差值。研究发现，土样高度是引起这一差值的主要原因。由实验数据可以看到，当把土样高度引起的误差消除之后，修正后的简易照相法计算的直径值能更好地遵循膨胀土收缩试验的规律。简易照相法作为一种非接触测量方法，能避免测量过程中对土样的损伤，处理数据方便，有一定的实际应用意义。

关键词：膨胀土；收缩试验；简易照相法；比例系数

0引言

膨胀土是土中黏粒成分主要由亲水性矿物组成，同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形特性的黏性土[1]。由于它具有显著的胀缩特性，使膨胀土地区的各类基础工程建设遭受严重破坏。近年来，人们对膨胀土进行了很多研究，而这些研究较多的集中于其膨胀性，收缩性研究较少，然而，膨胀土的收缩会造成工程的致命破坏[2]。

膨胀土收缩性的研究依赖于收缩试验。传统的收缩试验一般根据《土工试验规程》，采用收缩仪，利用百分表来测量土样的高度变化[3]。许多学者对膨胀土收缩试验的方法进行了研究，李志清、胡瑞林[2]利用千分尺测定了膨胀土的收缩特性，然而在试验过程中，千分尺会对土样造成一定损伤，并且难以保证千分尺在测量过程中与土样径向绝对平行，容易引起误差。国外学者则提出了位移传感器监测法[4]和体积置换法[5]，并对这些方法进行了探讨[6-7]。刘平等[8]提出了用液体石蜡法严格测定土的收缩特征曲线的新方法，然而该方法在制样时难以保证土样均匀分布在PVC管中，并且采用同种土多个平行样测量体积的方法，使得每次测量体积的土样都不同，试样间存在误差。

对于膨胀土收缩试验中土样的非接触测量方面，国内外的学者都做了一些探讨。E.Braudeau等[9]采用激光法，通过传感器测量土样高度和直径。W.M. Cornelis等[10]采用橡胶气球法，通过把气囊抽成真空以测量其体积。Anand J. Puppala等[11]利用数字成像技术测量膨胀土体积的收缩应变。邵龙潭等[12]将数字图像处理技术应用于土工三轴试验土样变形的测量。然而对于简单的室内膨胀土收缩试验，制样较小，不需要上述方法中的大型设备，而且要考虑方法的经济性。因此，在这些基础上，本文提出用简易照相法来测量膨胀土收缩试验中的径向变化，同时用游标卡尺这一最普遍的直径测量方法进行对比。

1简易照相法

1.1简易照相法的设备组成

简易照相法的试验设备主要是相机和三脚架，为了保证土样各向均匀收缩，采用有孔底板用于摆放土样(底板上孔的面积大于总面积的50%)，此外准备若干有一定高度的圆环，用于摆放底板。试验时，在桌面上黏贴一张白纸，在白纸上画一个10cm×10cm的红色方框，相机安装好之后，调整三脚架的位置，使相机的镜头焦点与红色方框的中心在一条垂线上，然后将三脚架固定在桌面上，如图1所示。

图1简易照相法的设备组成

1.2简易照相法的原理

简易照相法通过对土样进行拍照，得到土样在某一时刻，直径为Di时的照片，如图2(a)所示。

对拍摄得到的土样照片进行剪裁处理，提取红色方框部分，如图2(b)所示。简易照相法的基本原理是通过求解土样的面积来求得土样的直径，而土样的面积则通过式(1)计算而来：

(1)

其中，红框真实面积是已知的，红框像素面积在裁剪照片时就已经确定下来，土样像素面积通过MinerallmgSeg程序算出，根据上式，就可以计算出土样的真实面积，进而得到土样的直径。(注：MinerallmgSeg是用于显微矿物图像识别的程序，通过图像识别(图3(a))和组构提取(图3(b))可以计算出被识别的图像区域的面积。由于其计算方法符合本试验要求，故在此引用。)

图3土样面积计算过程

1.3测定简易照相法精度的标准实验

在将简易照相法应用于膨胀土的收缩试验之前，先用该方法对一圆形铁板进行试验。用游标卡尺测定铁板的高度为6mm,直径为77.06mm。为了研究试验过程中影响简易照相法的因素，试验采用三种不同型号的相机：Canon(1200万像素)、Olympus(1400万像素)和Samsung(1600万像素)，并在试验过程中不断改变相机拍摄高度，试验结果见表1。表1中Dc 、Do 和Ds分别表示Canon相机、Olympus相机和Samsung相机测得的直径(注：“——”表示在该拍摄高度无法获得数据)。

从表1和图4中可以看出，随着拍摄高度的增加，简易照相法计算得到的结果与游标卡尺测量得到的结果之间的差值(绝对值)呈现先减小后增大的趋势，不同型号的照相机测得的结果均与横轴存在交点，这些交点组成一个最佳高度范围，即在该拍摄高度范围内，用简易照相法测得的结果精度最高，与游标卡尺测量结果的差值几乎为零。对于本试验中采用的相机，由图4可知，最佳高度范围为28cm～34cm。

当拍摄高度低于28cm时，拍摄高度越低，简易照相法的精度越差。这是由于相机本身存在一个最近对焦距离，超过最近对焦距离时，相机无法准确对焦。

表1　相机型号和拍摄高度对试验结果的影响

为了进行直观的对比，将表1中的结果(所有差值均取绝对值)绘制成曲线，见图4。

图4三种型号的照相机测量结果与卡尺测量值的差值对比

当拍摄高度高于34cm时，随着拍摄高度的增加，简易照相法计算得到的结果与游标卡尺测量得到的结果之间的差值(绝对值)逐渐增大。这是因为当拍摄高度增加时，对所需图像拍摄成像的像素就会减少，而简易照相法是基于图像的像素来计算面积的，所以在采用简易照相法时要将拍摄高度控制在最佳高度范围内。

由图4可以看到，Canon相机(1200万像素)测得的结果与游标卡尺测量结果的差值(绝对值)波动较大，而另外两种相机的差值(绝对值)变化则表现出较好的一致性，并且在同一拍摄高度时，摄像像素大的相机其计算结果的差值(绝对值)相对较小，显然，相机的摄像像素越大，拍照时的精度就越高，越利于简易照相法的应用。

由上述试验，考虑到简易照相法所获得结果的稳定性，当拍摄高度在最佳高度范围内时，简易照相法相对于游标卡尺测量的误差(绝对值)能控制在最小范围(0.0086mm～0.2632mm)内，是试验所允许的误差范围。因此，当采用较高像素的相机，并在最佳高度范围内进行拍摄时，简易照相法可以用于膨胀土的收缩试验。

2简易照相法在膨胀土收缩试验中的应用

2.1试验方案

配制27%和24%两种含水率的土样，每种土样分别配制成1.58g·cm-3和1.66g·cm-3两种干密度，土样的其它条件均一致，用剪切仪将土样压制成环刀大小。每组制备六个土样，任取三个土样进行简易照相法试验，另外三个土样进行游标卡尺法试验。将两组土样摆放好之后，在室温条件下进行收缩试验。

2.2试验过程

每次测量数据时，对简易照相法一组的土样，用照相机对其上表面进行拍照；并用游标卡尺测量土样的高度，选取不同的位置测量五次，取其平均值。对游标卡尺法一组的土样，采用游标卡尺在不同的位置测量土样的高度、直径各五次，取其平均值。

由于两组土样均采用游标卡尺测量土样的高度，为了更有效的探讨简易照相法的适用性，只取两组土样的直径值做对比。

2.3数据分析

取干密度为1.58g·cm-3(该密度的土样具有更高的累计水平变形)的两组土样的直径进行对比，土样直径随时间变化的值如表2所示。

由表2可以看到，简易照相法计算得到的结果要比游标卡尺法测得的值大。经过分析，除了1.3标准实验中提到的因素外，土样的高度是引起这一差值的主要原因，如图5所示。根据相似三角形原理，引入比例系数“a=h/H”，则土样高度引起的误差可以表示为“Dicd-Dccd=a×Dicd”(Dicd为通过MinerallmgSeg程序得到的初始计算直径，Dccd为修正土样高度误差后的直径)。

由于土样高度引起的误差可以消除，因此游标卡尺法测量的土样直径(VCM)、简易照相法计算的土样直径(SPM)、简易照相法修正后的计算直径(CCD)、误差消除之前的差值(ΔDb)以及误差消除之后的差值(ΔDa)均列于表2(考虑到空间有限，仅取部分值)。由表2可以看到，当土样高度引起的误差消除之后，ΔDa和差值百分比ΔDa/VCM均明显下降。

表2　两组土样测得的平均直径

图5土样直径误差分析示意图

图6两种方法测量结果的对比

将表2中的结果绘制成曲线(取全部值)，如图6所示。由图6可知，两种方法测得的直径均变小，最后趋于稳定，并且两种方法几乎成平行下降趋势，表明简易照相法测得的结果符合膨胀土收缩试验的规律。然而，简易照相法(SPM)的计算结果比游标卡尺法(VCM)的测量结果相对要大，由上文的分析可知，主要是由于土样高度引起的。当土样高度引起的误差消除后，两种方法之间的差值明显减小，如图中的CCD曲线所示。并且，在误差消除之前，两种方法的平均差值为2.55mm，误差消除之后为-0.67mm，再次证明了土样高度对简易照相法的计算结果有很大影响。

另外，要考虑到简易照相法在计算时，程序通过对土样上表面进行轮廓识别来求得面积，在实际中，土样的上表面不是绝对的圆形，土颗粒之间的排列造成土样轮廓的凹凸，而游标卡尺在测量时为了减小误差一般放在土样的二分之一高度处，这一位置的土颗粒经过环刀的挤压，使得中段的土样截面可以近似为圆形。

3结论

(1)本文对两种干密度的土样进行膨胀土收缩试验，用简易照相法对土样径向值的变化进行测量，并与游标卡尺的测量结果进行对比。结果表明，简易照相法计算的结果符合膨胀土收缩试验的规律，并且可以用于土样直径的测量。

(2)在膨胀土收缩试验中，采用游标卡尺测量土样的径向变化容易引起土样损伤，尤其在试验初期，土样的含水率比较大，游标卡尺容易将土样上的土粘连下来，并且游标卡尺的测量结果与测量人员的经验有关。而采用简易照相法在不接触土样的情况下，通过程序计算土样的上表面面积，从而求得直径，利于保护土样完整性。由于土样的不均匀收缩，该方法存在一定误差。

(3)通过测定简易照相法精度的标准试验，得出简易照相法的试验精度与拍摄高度以及相机像素值大小有关。当拍摄高度在最佳高度范围内时，相机像素值越大，则简易照相法的精度越高。

(4)土样高度对简易照相法的计算结果有重大影响。比例系数(a=h/H)可以用来消除土样高度引起的误差。另外，方法本身选用的程序也对计算结果有一定影响。

致谢本文所用的MinerallmgSeg程序为章骏杰编写，在此表示感谢。

参考文献

1《工程地质手册》编委会. 工程地质手册(第四版)[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2007.

2李志清,胡瑞林. 用千分尺测定膨胀土的收缩特性[J]. 工程地质学报, 2007,15(增刊2):128-133.

3中华人民共和国水利部.SL237-1999 土工试验规程[S]. 北京：中国水利水电出版社，1999.

4BRAUDEAU E, BOIVIN P. Transient determination of shrinkage curve for undisturbed soil samples: a standardized experimental method[C]//BAVEYE P, MCBRIDE M B ed. Clay Swelling and Expansive Soils. Kluwer Academic, Norwell, MA: [s.n.], 1995: 12-16.

5HEAD K H. Manual of soil laboratory testing: soil classification and compaction tests[M]. 1st ed. London: Pentech Press, 1980.

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8刘平,张虎元,严耿升,等. 土建筑遗址表部土体收缩特征曲线测定[J]. 岩石力学与工程学报, 2010, 29(4)：842-849.

9E.Braudeau , J.M. Costantini, G.Bellier, H.Colleuille. New Device and Method for Soil Shrinkage Curve Measurement and Characterization[J]. Soil Science Society of America Journal, 1999, 63(3): 525-535.

10W.M. Cornelis, J. Corluy, H. Medina, J. Díaz, R. Hartmann, M. Van Meirvenne, M.E. Ruiz. Measuring and modelling the soil shrinkage characteristic curve[J]. Geoderma, 2006,137(1-2): 179-191.

11Anand J. Puppala, Balakrishna Katha, Laureano R. Hoyos. Volumetric Shrinkage Strain Measurements in Expansive Soils Using Digital Imaging Technology[J]. Geotechnical Testing Journal, 2004, 27(6): 1-10.

12邵龙潭,孙益振,王助贫,等. 数字图像测量技术在土工三轴试验中的应用研究[J]. 岩土力学, 2006, 27(1)：29-34.

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

作者简介：耿 笑(1990-)，女，硕士研究生，主要研究方向为桩土动力学。

DOI：10.11921/j.issn.2095-8382.20150610

中图分类号：TU411

文献标识码：A

文章编号：2095-8382(2015)06-047-05