数字图像测量技术在小麦三轴试验中的应用研究

曾长女，冯照剑，李 昭，张庆章

（河南工业大学 土木建筑学院，河南省粮油仓储建筑与安全重点实验室，河南 郑州 450001）

数字图像测量技术在小麦三轴试验中的应用研究

曾长女，冯照剑，李 昭，张庆章*

（河南工业大学 土木建筑学院，河南省粮油仓储建筑与安全重点实验室，河南 郑州 450001）

将基于数字图像测量技术的三轴试验仪应用于测试粮食剪切强度及变形特性。选取河南小麦为研究对象，进行了围压25、50、75、100 kPa下的三轴试验，并采用数字图像测量技术对试样剪切变形全过程进行监控。研究结果表明，基于数字图像测量技术的三轴试验可方便测试粮食剪切强度和变形特性。试验获得的小麦内摩擦角为25.13°。由小麦体变-应变曲线及变形图分析了剪切变形发展过程，试样先减缩然后发生剪胀现象，剪切破坏为鼓状破坏形式。研究结果表明，基于数字图像测量技术的三轴试验仪，适用于小麦剪切试验测试，能满足试验精度的需求，试验结果合理。

数字图像测量技术；三轴试验；小麦；变形特性

0 引言

筒仓卸料时，储粮与仓壁发生相互作用，产生的动侧压力是筒仓结构设计的主要荷载之一，该荷载如果计算不当，对筒仓结构将产生很大的安全隐患，甚至引起筒仓卸料时的坍塌事故[1]。对粮食的力学参数尤其是内摩擦角等强度参数的研究较多，采用Janssen理论可较准确地计算仓壁静侧压力[2]，但对于卸料动侧压力剧增量的准确计算和产生机理，目前还未形成统一的理论，卸料时粮食颗粒相互剪切并发生剪胀导致仓壁动侧压力剧增的机理获得了研究者的关注[3-4]。三轴试验可用来研究粮食力学性能[5]，研究卸料下粮食的剪胀特性，除了研究应力应变关系外，体变应变特性研究是基础[6]。已有学者对粮食的体变模量、压缩密度、压缩模量等进行了试验研究[7-9]，这些指标能从一定程度上反映变形特性，但大部分都是对于试样平均指标的说明，对体变变形与应变的关系、局部应变等的研究还不够深入，而且定量研究体变-应变特性的研究也较少，难以定量研究剪胀特性。

常规三轴仪测试土体和粮食散体的强度特性具有很强的适用性，但在测试试样的变形方面存在缺陷[10]。对于饱和土体，可通过测试轴向变形和径向变形进行平均变形的测试，但对于不饱和土体，采用常规三轴仪难以测试其变形特性。小麦等粮食散体虽与砂土具有类似的散体特性，但粮食颗粒间的水分含量较少，更类似于非饱和土或干土的性质，因此，进行变形特性测试时，必须改进常规三轴仪才能进行测试。数字图像测量技术（DIPT）已被应用于三轴试验，并在土体变形测试中取得了成功。该技术可以实现在试验过程中不接触试样进行变形测量，具有较高的测量精度，解决了传统变形测量上的一系列难题[10]。

作者将基于数字图像测量技术对全自动三轴仪进行改造，以适合粮食三轴试验，并对河南省小麦进行三轴试验研究，探索数字图像测量技术应用于粮食三轴试验的适用性，研究粮食剪切过程的强度和变形特性。

1 试验仪器及试样

1.1 试验材料及试验仪器

试验材料为河南小麦，初始含水率为9.9%，容重为800 g/L，相对密度为1.28，试样尺寸为50 mm×100 mm。

试验仪器采用基于数字图像测量技术的全自动三轴仪。三轴仪系统包括加载、位移测量和围压测量系统等。数字图像测量系统由硬件和软件两部分构成，硬件由数字图像传感器和镜头、计算机、照明装置等构成，软件由标定模块、数据输出模块、测量模块等组成。试验系统如图1所示。

图1 基于数字图像测量技术的三轴仪Fig.1 Triaxial testing apparatus modified by DIPT

试验时，将照相装置安放在压力室内部，保证试样周围的亮度。将数字传感器放置在带有密封罩的密封室中，并尽可能地使镜头与试样中心在一条直线上，以便清晰地采集到橡皮膜上的测试角点，采用计算机自动采集数据。

1.2 试验装样

试样装样过程与普通三轴试验类似[11]，如图2（a）所示，橡皮膜采用特制的黑色橡皮膜并设置了正方形白色监测点，便于测试位移。制样完成后，如图2（b）所示。然后打开照相机，通过电脑端的显示来微调照相机角度，使得照相机能够检测到试样上的角点，最佳捕捉点状态如图2（c）所示。设置试验相关参数，进入试验状态。

图2 试样制样Fig.2 Sample preparation

2 数字图像测量技术在三轴试验中的应用

2.1 仪器标定

选取饱和砂土进行试验，将数字图像测量的体变与传统三轴试验测试试样排水体积对比，进行仪器标定。试验结果如图3所示，由图3可知，两种方法获得体变值较接近，证明采用数字图像测量技术测试的体变具有较高的精度，能够用于试样体变、应变的测试。

图3 体变结果对比Fig.3 Comparison of the volumetric change with two methods

2.2 基于数字图像测量技术的粮食三轴试验结果

利用基于数字图像测量技术的三轴试验仪，进行小麦三轴剪切试验，测试试样强度和体变。采用应变控制的加载方式，进行了围压为25、50、75、100 kPa的试验，加载速率为0.2 mm/min，当轴向应变达到15%时停止试验。试验通过跟踪包裹试样的黑色橡皮膜上的白色角点来获取试样的信息，进而得到试样的变形图和应变场。

（1）剪切强度特性

采用基于数字图像测量技术的三轴试验，应力测试仍然采用荷载传感器，与传统测试方法一致，应变和体变测试采用数字图像测量技术。由图4可知，应力应变关系与传统三轴试验获得的应力应变关系角相似。本文通过莫尔库伦理论由图5得到小麦的内摩擦角为25.13°，黏聚力为0.56 kPa，与王振清等[2，12]研究结果类似，表明小麦强度特性符合实际情况。

图4 小麦的应力-应变曲线Fig.4 Stress-strain curve of wheat

数字图像测量技术对试样变形可全程监控，图 7（a）为同一试样变形过程，图 7（b）为同一试样变形场变化，图7（c）为不同围压试样试验结束变形图。在试验初始阶段，试样表面变形比较均匀，

图5 小麦强度参数的确定Fig.5 Strength parameter of wheat

（2）剪切变形特性

图6 小麦体变-应变曲线Fig.6 Volumetric change-strain curve of wheat

图6 为小麦剪切过程的体变-应变曲线。由图6可知，试验剪切过程经历了由剪切体积缩小到剪切体积增大的过程，即试样先减缩然后发生剪胀现象。随着荷载的增加，试样受到端部的影响，试样的上部和下部应变较小，中部有较大的应变，表现为“大肚子”，称为鼓状破坏，这和文献得到的结果相吻合。

图7 试样变形过程Fig.7 Deformation process of samples

3 结论

本文采用基于数字图像测量技术的三轴试验仪器，对小麦强度及变形特性进行了研究，探索该仪器在粮食体变应变的应用，并对强度和变形特性进行了研究。主要结论如下：

（1）进行了数字图像测量技术的三轴仪的改进及仪器标定。

（2） 选取小麦进行了围压为 25、50、75、100 kPa下的三轴试验，研究其应力应变和体变应变曲线，并由莫尔库伦理论得到小麦的内摩擦角为25.13°，黏聚力为0.56 kPa。体变-应变曲线表明，试验剪切过程经历了由剪切体积缩小到剪切体积增大的过程，即试样首先减缩然后发生剪胀现象。

（3）利用数字图像测量技术，对试验全过程变形进行监控，由试样变形图和应变场图均表明，随着荷载的增加，试样受到端部的影响，试样的上部和下部应变较小，中部有较大的应变，表现为“大肚子”，称为鼓状破坏。

（4）上述试验结果表明，基于数字图像测量技术的三轴试验，适用于小麦等粮食散体的剪切试验，监测的体变应变变形能满足试验精度的需求，试验结果合理。

［1］ DONGGANGUN A,KARACA Z，DURMUS A，et al.Cause of damage and failures in Silo structures［J］.Journal of Performance of Constructed Facilities，2009，23（2）:65-71.

［2］ 王振清.粮仓建筑基本理论与设计［M］.郑州：河南科学技术出版社，2015.

［3］ ZHANG Q，BRITTON M G.A micromechanics model for predicting dynamic loads during discharge in bulk solids storage structures［J］.Canadian Biosystems Engineering，2003，45:21-27.

［4］ 冯伟娜.粮食剪胀性的三轴试验研究［D］.郑州：河南工业大学，2015.

［5］ 曾长女，冯伟娜.小麦强度特性的三轴试验研究［J］.中国粮油学报，2015，30（5）：96-101.

［6］ LI X S， DAFALIAS Y F.Dilatancy for cohesionless soils ［J］.Géotechnique， 2000， 50:449-460.

［7］ 程绪铎，石翠霞，陆琳琳，等.小麦堆体变模量的测定与实验研究［J］.粮食储藏，2010，39（6）：13-15.

［8］ 程绪铎，严晓婕，徐鑫.稻谷堆的压缩密度与体变模量的测定与分析［J］.中国粮油学报，2014，29（8）：101-105.

［9］ 陈家豪，韩阳，任杰,等.小麦堆的压缩模量的三轴试验研究［J］.河南工业大学学报（自然科学版），2016，37（1）：23-28.

［10］ 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.

［11］ GB/T 50123—1999（2008），土工试验方法标准［S］.

［12］ 许启铿，金立兵，王录民，等．粮食力学参数的试验研究［J］.河南工业大学学报（自然科学版），2010，31（1）：18-21.

APPLICATION OF DIGITAL IMAGE PROCESSING TECHNIQUE ON TRIAXIAL TEST OF WHEAT

ZENG Zhangnü，FENG Zhaojian，LI Zhao，ZHANG Qingzhang
（School of Civil Engineering and Architecture，Henan Key Laboratory of Grain and Oil Storage Facility Safety，Henan University of Technology,Zhengzhou 450001，China）

The triaxial test instrument based on the digital image processing technique （DIPT）was applied on the determination of shear strength and deformation characteristics of wheat. A series of triaxial tests were conducted on wheat selected from Henan with cell pressure of 25 kPa to 100 kPa，and the shearing deformation was monitored during the whole test process. The results showed that the triaxial test based on digital image processing technology could be used to test the shear strength and deformation characteristics of wheat expediently. The internal frictional angle was 25.13 degree. The development process of shear deformation was analyzed by volumetric-strain curve and deformation field obtained by DIPT. It was demonstrated that the volume was decreased firstly and then dilatancy phenomenon occurred，until the drum shape deformation was presented. It was concluded that the triaxial tests with DIPT was suitable for the tests of strength and deformation characteristics of wheat. And the afforded results was reasonable，which could satisfied the precision of test result.

digital image processing technique；triaxial test；wheat；deformation characteristics

TS210.1

B

1673-2383(2017)06-0069-05

http://kns.cnki.net/kcms/detail/41.1378.N.20171226.1723.024.html

网络出版时间：2017-12-26 17:24:10

2017-03-24

粮油仓储建筑与安全河南省重点实验室开放课(2016KFB03)；国家自然科学基金项目（51108160）；粮食公益性行业科研专项(201513001)；河南工业大学青年骨干教师资助计划（2015004）

曾长女(1978—)，女，江西南丰人，博士，教授，研究方向为土

动力学特性与地基基础工程、储仓结构设计理论。

＊通信作者