CN102877492A - 一种负摩阻力桩土位移测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种负摩阻力桩土位移测量装置，包括反力装置、模型桩、试验箱、上载荷板、承台板、支撑柱、下载荷板、应变片、千斤顶、应变采集仪、CCD摄像仪、计算机和堆载砝码，下载荷板位于试验箱中土体上表面；模型桩的底端位于试验箱的土体中，模型桩的顶端穿出下载荷板，模型桩与试验箱的一个侧壁贴合，该侧壁为透明材料制成；上千斤顶固定在上载荷板顶面；承台板的底面贴覆在模型桩的顶端；堆载砝码位于承台板的顶面；应变片贴覆在模型桩的表面，且应变片与应变采集仪连接，应变采集仪与计算机相连，CCD摄像仪的摄像头与模型桩相对，CCD摄像仪与计算机相连。该测量装置可实现土体荷载分级加载，保证了桩土位移测量的准确性。

Description

一种负摩阻力桩土位移测量装置

技术领域

本发明涉及一种测量含桩土体性能的装置，具体来说，涉及一种负摩阻力桩土位移测量装置。

背景技术

目前国内外桩基负摩阻力室内试验中桩土位移的测量一直没有较好的解决，已有的研究多一味采用在土中埋设沉降标的方法测定土体位移，通过测定桩顶或桩底位移得到桩体位移，这种方式获得的桩土位移具有明显的缺陷。首先，在室内试验中由于空间限制，设置沉降标的数量一般有限，只能在土体内部选取特定几处放置沉降标，沉降值采样的点较少，无法获得连续的位移场。其次，沉降标通过较大的底座伴随埋设位置处土共同沉降而获得位移值，该方法难免会产生一定的误差。再者，土中设置沉降标必定会一定程度干扰土体内部位移的正常发展，影响试验结果。最后，通过上述方法得到某处的桩土位移是分别对桩位移以及土位移测定后，二次推算得到的近似值，并非直接实测值。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种负摩阻力桩土位移测量装置，该测量装置可实现土体荷载分级加载，并利用PIV技术测量不同负摩阻力值作用下的桩土位移场，保证了桩土位移测量的准确性。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种负摩阻力桩土位移测量装置，该测量装置包括反力装置、模型桩、盛有土体的试验箱、上载荷板、承台板、支撑柱、下载荷板、应变片、千斤顶、应变采集仪、CCD摄像仪、计算机和堆载砝码，其中，

所述的反力装置包括顶梁、反力柱和底座，顶梁通过反力柱固定连接在底座上方；试验箱位于反力装置内部，且试验箱位于反力装置的底座上，应变采集仪、CCD摄像仪和计算机位于反力装置的外侧；

下载荷板位于试验箱中的土体上表面，下载荷板中设有通孔；模型桩的底端位于试验箱的土体中，模型桩的顶端穿出下载荷板的通孔，模型桩与试验箱的一个侧壁贴合，且该侧壁为透明材料制成；

上载荷板位于下载荷板上方，且上载荷板和下载荷板之间通过支撑柱固定连接，上载荷板和下载荷板均呈水平布置；上千斤顶固定在上载荷板顶面，且反力装置的顶梁位于上千斤顶的上方；

承台板位于模型桩上方，且承台板的底面贴覆在模型桩的顶端；堆载砝码位于承台板的顶面；

应变片贴覆在模型桩的表面，且应变片通过导线与应变采集仪连接，应变采集仪通过USB数据线与计算机相连，CCD摄像仪的摄像头与模型桩相对，且CCD摄像仪通过USB数据线与计算机相连。

进一步，所述的负摩阻力桩土位移测量装置，还包括平衡梁、第一位移传感器、沉降标、第二位移传感器、第三位移传感器和位移采集仪，位移采集仪位于反力装置的外侧，平衡梁通过螺栓固定连接在试验箱的壁面上；沉降标的底端位于试验箱的土体中，沉降标的顶端穿出下载荷板的通孔；第一位移传感器位于沉降标的顶部，且第一位移传感器通过磁性表座固定在平衡梁上；第二位移传感器位于承台板的顶面，且第二位移传感器通过磁性表座固定在平衡梁上；第三位移传感器位于下载荷板的顶面，且第三位移传感器通过磁性表座固定在试验箱的侧壁上；第一位移传感器、第二位移传感器和第三位移传感器分别通过导线与位移采集仪连接。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.可以测定桩土位移场，且区域大小、位置选取自由。本发明的测量装置包含CCD摄像仪，利用CCD摄像仪拍摄桩土位移场，并且位移场区域大小可根据试验精度的要求调整，通过调整CCD摄像仪摆放距离的控制即可实现。所测位移场位置可通过将CCD摄像仪预先设置在任意拍摄区域正前方进行控制。本发明的测量装置克服了传统沉降标测量土体内部位移只能获得某一点位移的缺陷，并且测定区域选择灵活，能够直观反映土体内部位移变化。

2.测试精度高。传统的沉降标的位移测量装置，须将沉降标埋入土中，一定程度上会干扰土内位移场的发展。而本发明的测量装置，基于PIV技术进行桩土位移的测量，无须在土体中埋设测试原件，避免对土体位移场的干扰，且可以直接获取所测区域的桩土位移，从而提高了测量精度。本发明的测量装置采用的无接触测量技术，相对传统测量方法，具备测量精度的优越性。同时，本发明还采用土体荷载分级加载，并利用PIV技术测量不同负摩阻力值作用下的桩土位移场。常规模型试验如采用多次堆载难免会干扰已安装的仪器，往往需要进行多次试验才能获得土体荷载与负摩阻力桩土位移的关系。本发明的装置一次试验即可测定土体荷载与负摩阻力桩土位移场的关系，操作简便、高效，测试过程中不干扰仪器，确保测试结果精确。

3.安装快捷，便于测量。本发明的测量装置包括反力装置、模型桩、试验箱、上载荷板、承台板、支撑柱、下载荷板、应变片、千斤顶、应变采集仪、CCD摄像仪、计算机和堆载砝码。各部件的安装简单快捷，利用CCD摄像仪采集的图像由计算机完成后期数据处理。该测量装置用于负摩阻力桩土位移测量具有省时省力的特点，有利于开展多组数的系列试验研究。

附图说明

图1是本发明的正视图。

图2是本发明的侧视图。

图中有：反力装置1、顶梁101、反力柱102、平衡梁2、第一位移传感器3、螺栓4、模型桩5、有机玻璃板6、环形钢带7、试验箱8、上载荷板9、承台板10、支撑柱11、沉降标12、下载荷板13、应变片14、千斤顶15、应变采集仪16、CCD摄像仪17、计算机18、堆载砝码19、第二位移传感器20、位移采集仪21、第三位移传感器22。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行详细的说明。

如图1和图2所示，本发明的一种负摩阻力桩土位移测量装置，包括反力装置1、模型桩5、盛有土体的试验箱8、上载荷板9、承台板10、支撑柱11、下载荷板13、应变片14、千斤顶15、应变采集仪16、CCD摄像仪17（英文全称是Charge-coupled Device Camera，对应中文是电荷耦合元件数码摄像仪，文中简称CCD摄像仪）、计算机18和堆载砝码19。反力装置1包括顶梁101、反力柱102和底座，顶梁101通过反力柱102固定连接在底座上方。反力装置1内部为空腔。试验箱8位于反力装置1内部，且试验箱8位于反力装置1的底座上。应变采集仪16、CCD摄像仪17和计算机18位于反力装置1的外侧。下载荷板13位于试验箱8中的土体上表面。下载荷板13中设有通孔。模型桩5的底端位于试验箱8的土体中，模型桩5的顶端穿出下载荷板13的通孔，模型桩5与试验箱8的一个侧壁贴合，且该侧壁为透明材料制成。该透明材料可以为玻璃、塑料等。作为优选，试验箱8的侧壁由有机玻璃板6制成。上载荷板9位于下载荷板13上方，且上载荷板9和下载荷板13之间通过支撑柱11固定连接，上载荷板9和下载荷板13均呈水平布置。千斤顶15固定在上载荷板9顶面，且反力装置1的顶梁101位于上千斤顶15的上方。承台板10位于模型桩5上方，且承台板10的底面贴覆在模型桩5的顶端。堆载砝码19位于承台板10的顶面。应变片14贴覆在模型桩5的表面，且应变片14通过导线与应变采集仪16连接，应变采集仪16通过USB数据线与计算机相连，CCD摄像仪17的摄像头与模型桩5相对，且CCD摄像仪17通过USB数据线与计算机18相连。

进一步，所述的负摩阻力桩土位移测量装置，还包括平衡梁2、第一位移传感器3、沉降标12、第二位移传感器20、第三位移传感器22和位移采集仪21。位移采集仪21位于反力装置1的外侧，平衡梁2通过螺栓4固定连接在试验箱8的壁面上。沉降标12的底端位于试验箱8的土体中，沉降标12的顶端穿出下载荷板13的通孔。第一位移传感器3位于沉降标12的顶部，且第一位移传感器3通过磁性表座固定在平衡梁2上。第二位移传感器20位于承台板10的顶面，且第二位移传感器20通过磁性表座固定在平衡梁2上。第三位移传感器22位于下载荷板13的顶面，且第三位移传感器22通过磁性表座固定在试验箱8的侧壁上。第一位移传感器3、第二位移传感器20和第三位移传感器22分别通过导线与位移采集仪21连接。位移采集仪21通过USB数据线与计算机18相连。设置第一位移传感器3、第二位移传感器20、第三位移传感器22和位移采集仪21的目的是分别用于试验过程中的模型桩5顶的位移、试验箱8中的土体内部的位移、试验箱8中的土体表面位移的测量。该部分的测量可以与CCD摄像仪17采集的图像通过计算机18处理分析，获得桩土位移场进行对比验证，判断CCD摄像仪17采集的信息是否准确。

进一步，为了保证试验箱8中土体和模型桩5受力均匀，千斤顶15位于上载荷板9的几何中心，堆载砝码19的重心位于承台板10的几何中心，上载荷板9的几何中心和下载荷板13的几何中心位于同一竖线上，且支撑柱11均匀布置在上载荷板9的几何中心周边。千斤顶15位于上载荷板9的几何中心，上载荷板9的几何中心和下载荷板13的几何中心位于同一竖线上，支撑柱11均匀布置在上载荷板9的几何中心周边。这样可以保证上载荷板9和下载荷板13受力均匀，进而保证土体受力均匀。在上载荷板9和下载荷板13之间设置四根支撑柱11，且四根支撑柱11到上载荷板9中心点的距离相等。上载荷板9和下载荷板13的横截面可以是矩形、圆形等。上载荷板9和下载荷板13之间还可以设置6根、8根或者10根支撑柱11。堆载砝码19位于承台板10的几何中心。模型桩5为一根时，模型桩5位于承台板10的几何中心下方。模型桩5为多根时，模型桩5均匀布置在承台板10的几何中心周边。这样可以保证承台板10受力均匀，进而保证模型桩5受力均匀。

进一步，所述的模型桩5为空心管，应变片14贴覆在模型桩5的内壁面上。将应变片14贴覆在模型桩5的内壁面上，可以避免模型桩5外侧的土体对应变片14的破坏，使得应变片14采集的信息更加准确。

进一步，所述的负摩阻力桩土位移测量装置，还包括环形钢带7，环形钢带7至少为两个，且均匀分布在试验箱8的外壁面上。设置环形钢带7，可以加强试验箱8的稳定性，避免在测试过程中，试验箱8的壁面发生形变，保证测量的准确性。

上述结构的负摩阻力桩土位移测量装置，基于PIV技术（Particle ImageVelocimetry，中文为颗粒图像测速，文中简称PIV），通过对负摩阻力桩土位移变化前后的图像采集，实现桩土位移的测量。该测量装置采用千斤顶配合载荷板，模拟土体堆载，从而实现负摩阻力的模拟，利用CCD摄像仪对试验中指定区域进行采样，运用PIV技术通过计算机后期处理，实现对桩土位移的测量。具体工作过程是：

1．对试验箱8填土，同时将含有应变片14的模型桩5、沉降标12埋入预定位置；然后将应变片14通过导线与应变采集仪16连接，应变采集仪16通过USB数据线与计算机18相连。

2．将带有通孔的下载荷板13放置到土体的上表面，模型桩5的上端和沉降标12的上端分别穿出下载荷板13的通孔，然后将带有支撑柱11的上载荷板9置于下载荷板13上，上载荷板9的平面中心对应下载荷板13的平面中心。

3．将平衡梁2通过螺栓4拴接至试验箱8的壁面上。

4．将千斤顶15放置在上载荷板9的顶面中心处，且在顶梁101下，然后将承台板10放置在模型桩5的顶面上，接着在承台板10上放置第一位移传感器3，第一位移传感器3通过磁性表座吸附在平衡梁2上，在沉降标12上放置第二位移传感器20，第二位移传感器20通过磁性表座吸附在平衡梁2上，第三位移传感器22放置下载荷板13的顶面，且第三位移传感器22通过磁性表座固定在试验箱8的侧壁上；最后将第一位移传感器3、第二位移传感器20和第三位移传感器（22）分别通过导线与位移采集仪21连接。

5．在试验箱8前安装CCD摄像仪17，CCD摄像仪17的摄像头与模型桩5相对，用USB数据线将CCD摄像仪17与计算机18相连。

6．采用千斤顶15对土体加载，用堆载砝码19对模型桩5加载，在加载的过程中，CCD摄像仪17采集图像。

7．将CCD摄像仪17采集的图像通过计算机18处理分析，获得桩土位移场。

Claims (5)

1.一种负摩阻力桩土位移测量装置，其特征在于，该测量装置包括反力装置（1）、模型桩（5）、盛有土体的试验箱（8）、上载荷板（9）、承台板（10）、支撑柱（11）、下载荷板（13）、应变片（14）、千斤顶（15）、应变采集仪（16）、CCD摄像仪（17）、计算机（18）和堆载砝码（19），其中，

所述的反力装置（1）包括顶梁（101）、反力柱（102）和底座，顶梁（101）通过反力柱（102）固定连接在底座上方；试验箱（8）位于反力装置（1）内部，且试验箱（8）位于反力装置（1）的底座上，应变采集仪（16）、CCD摄像仪（17）和计算机（18）位于反力装置（1）的外侧；

下载荷板（13）位于试验箱（8）中的土体上表面，下载荷板（13）中设有通孔；模型桩（5）的底端位于试验箱（8）的土体中，模型桩（5）的顶端穿出下载荷板（13）的通孔，模型桩（5）与试验箱（8）的一个侧壁贴合，且该侧壁为透明材料制成；

上载荷板（9）位于下载荷板（13）上方，且上载荷板（9）和下载荷板（13）之间通过支撑柱（11）固定连接，上载荷板（9）和下载荷板（13）均呈水平布置；上千斤顶（15）固定在上载荷板（9）顶面，且反力装置（1）的顶梁（101）位于上千斤顶（15）的上方；

承台板（10）位于模型桩（5）上方，且承台板（10）的底面贴覆在模型桩（5）的顶端；堆载砝码（19）位于承台板（10）的顶面；

应变片（14）贴覆在模型桩（5）的表面，且应变片（14）通过导线与应变采集仪（16）连接，应变采集仪（16）通过USB数据线与计算机（18）相连，CCD摄像仪（17）的摄像头与模型桩（5）相对，且CCD摄像仪（17）通过USB数据线与计算机（18）相连。

2.按照权利要求1所述的负摩阻力桩土位移测量装置，其特征在于，还包括平衡梁（2）、第一位移传感器（3）、沉降标（12）、第二位移传感器（20）、第三位移传感器（22）和位移采集仪（21），位移采集仪（21）位于反力装置（1）的外侧，平衡梁（2）通过螺栓（4）固定连接在试验箱（8）的壁面上；沉降标（12）的底端位于试验箱（8）的土体中，沉降标（12）的顶端穿出下载荷板（13）的通孔；第一位移传感器（3）位于沉降标（12）的顶部，且第一位移传感器（3）通过磁性表座固定在平衡梁（2）上；第二位移传感器（20）位于承台板（10）的顶面，且第二位移传感器（20）通过磁性表座固定在平衡梁（2）上；第三位移传感器（22）位于下载荷板（13）的顶面，且第三位移传感器（22）通过磁性表座固定在试验箱（8）的侧壁上；第一位移传感器（3）、第二位移传感器（20）和第三位移传感器（22）分别通过导线与位移采集仪（21）连接。

3.按照权利要求1所述的负摩阻力桩土位移测量装置，其特征在于，所述的上千斤顶（15）位于上载荷板（9）的几何中心，堆载砝码（19）的重心位于承台板（10）的几何中心，上载荷板（9）的几何中心和下载荷板（13）的几何中心位于同一竖线上，且支撑柱（11）均匀布置在上载荷板（9）的几何中心周边。

4.按照权利要求1、2或3所述的负摩阻力桩土位移测量装置，其特征在于，所述的模型桩（5）为空心管，应变片（14）贴覆在模型桩（5）的内壁面上。

5.按照权利要求1所述的负摩阻力桩土位移测量装置，其特征在于，还包括环形钢带（7），环形钢带（7）至少为两个，且均匀分布在试验箱（8）的外壁面上。

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