CN103967057A - 一种沉桩过程中土体位移场可视化试验装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

一种沉桩过程中土体位移场可视化试验装置及使用方法，利用正十二烷、十五号白油的混合液与烘烤石英砂合成透明土，沉桩试验过程中，通过激光切割桩周围土体，形成一个明亮的土体内部颗粒切面，利用CCD相机正对该切面连续拍摄，获得该切面的一系列图像，并结合粒子图像处理技术获得土体内部的连续变形特征，从而实现对沉桩过程中引起的桩周土体内部连续变形的非嵌入式可视化测量。本发明技术方法，利用透明土材料和粒子图像处理技术，解决了沉桩过程中桩周土体内部连续变形测量的难题；且可操作性强，简单便捷，经济可行，测量精度高。

Description

一种沉桩过程中土体位移场可视化试验装置及使用方法

技术领域

本发明属于岩土工程可视化试验技术领域，尤其涉及一种沉桩过程中土体位移场可视化试验装置及使用方法。

背景技术

岩土工程涉及建筑、交通、水利、能源等众多行业，与人们的日常生活息息相关。岩土工程试验一直以来都是研究岩土力学特性，检验岩土材料本构模型的必要手段，同时也为地基处理、隧道开挖、基坑支护、边坡稳定和道路施工等具体工程的设计施工提供重要的参考依据，科学地评价工程的可靠性、稳定性，从而保证工程的顺利进行，达到技术上安全，经济上合理。测量土体在各种应力状态下的变形，尤其是沉桩过程中土体内部的连续变形和位移场，一直是试验工作者长期面临的问题。传统方法是在桩身周围的土体中预埋一些离散的传感器，但土体中的传感器不能提供土体内部的连续变形特征，而且易受到周围环境的影响，结果往往不准确。随着科技的发展，越来越多的方法可以用来测量土体中的连续变形。例如X射线、磁共振成像技术（MRI）以及计算机三维层析成像（CAT扫描）已经应用于岩土工程模型试验用来研究土体的连续变形及流动。但是高昂的试验设备费用和技术上的难点大大限制了这些技术的广泛应用。因此，探讨从既经济又技术可行的沉桩过程中土体位移场测量可视化试验的技术方案显得尤为迫切。随着计算机数字图像技术的发展，一些更为简单的空间测量技术在岩土工程模型试验中得到迅速的发展，数字图像技术越来越多地被用来研究岩土问题。

在本发明专利前，中国申请发明专利“一种模拟静压桩沉桩过程的模型试验装置”（申请号：201110221445.9），公布了一种由手动链条式静力触探仪、模型箱、山形板、垫压板、铁棒、压力传感器、模型桩、定位导向组件等组成的静压桩沉桩过程模型试验装置。该技术方案具有可连续贯入土体，沉桩速率可控等技术优点；但是，桩身周围的土体变形及位移场只能通过预埋一些离散的传感器来进行测量，测量元器件容易受到周围环境的影响，导致测量结果不够精确。

相关学者利用数字图像技术进行了一系列的岩土工程模型试验研究，主要集中在砂土模型表面变形场的测量，但是如何利用数字图像技术来获得土体内部连续变形特征的问题目前尚未有学者提出较好的解决办法。因此，基于数字图像技术和透明土材料，开发一种可以测量沉桩过程中土体内部变形和位移场的试验装置及其使用方法成为一个刻不容缓的工作。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足和缺陷，解决沉桩过程中土体内部变形和位移场测量不连续和不可见问题，提出一种沉桩过程中土体位移场可视化试验装置及使用方法，以达到可视化沉桩过程模型试验的目的。

一种沉桩过程中土体位移场可视化试验装置，包括人工合成透明土，光学平台，透明模型槽，激光发生器，CCD相机，沉桩加载仪，压力传感器，位移传感器，试验模型桩，其特征在于：沉桩加载仪固定在光学平台上，人工合成透明土填筑在透明模型槽内，装有透明土的透明模型槽放置在沉桩加载仪下方用螺丝固定在光学平台上；透明模型槽的左侧面或者右侧面设置激光器并固定在光学平台上；透明模型槽的正前方或者正后方设置CCD相机并固定在光学平台上；透明模型桩安装在沉桩加载仪下方，并利用沉桩加载仪将其静压入透明土中。

本发明采用的技术方案为：利用正十二烷、十五号白油的混合液与烘烤石英砂颗粒合成透明土，正十二烷、十五号白油的混合液的折射率与烘烤石英砂颗粒折射率一致，沉桩模型试验过程中，通过激光面切割桩周土体，形成一个明亮的土体内部颗粒切面，利用CCD相机连续拍摄，获得该切面的一系列图像，结合粒子图像处理技术分析土体内部的连续变形特征，从而实现了对沉桩过程中引起的周围土体连续变形的可视化测量。

所述的透明土，由正十二烷与十五号白油在一定温度下按质量比组成混合液与烘烤石英砂颗粒混合搅拌直至均匀透明所制成。

所述的光学平台，采用阻尼材料，铁磁不锈钢表面，蜂窝状支撑内芯结构，台面平整度高。台面布置阵列的标准孔距（25 mm×25 mm）的螺纹孔（M 6），可方便固定加载系统和图像摄录系统。

所述的透明模型槽，由树脂玻璃制作，形状为上部开口的长方体，长、宽100 mm-130 mm，高度为300 mm- 400 mm，壁厚5 mm-10 mm，底部对称突出，尺寸为170 mm × 170 mm，预留M 6螺孔，用于将其固定在光学平台；其中一侧面由精密机床标有一系列参考点，并漆成红色，用于测量系统的标定和校正，同时可进行像素坐标与物理坐标之间的转化。

所述的激光器，采用内腔式氦氖激光器，功率为50 mW-500 mW，并配有线性转换器，用于将点光源转化为线性光源。

所述的CCD相机，分辨率为50 w-500 w，帧曝光，帧数15，曝光时间100 μs - 30 s；CCD相机通过螺栓固定在测试台架上，通过调节支架高度和角度，可得到理想的相机视场，整个测试台架固定在光学平台上。

所述的沉桩加载仪，采用静压方法，整体框架由高强钢材和螺栓组成，起着稳定和传递反力的作用；同时可以通过光学平台表面螺孔来固定加载仪，提高整个系统的稳定性；加载仪由电机提供稳定的沉桩速率，范围为0.1 mm/s - 10 mm/s，并带有位移传感器和压力传感器，用于测量沉桩深度和沉桩贯入阻力。

所述的粒子图像处理软件，采用PIVview2软件，可分析沉桩过程中拍摄的一系列图片，得到桩周土体内部连续变形的位移场。

一种沉桩过程中土体位移场可视化试验装置的使用方法，包括以下技术步骤：

（1）按试验需求配制好不同参数的透明土，倒入透明模型槽内，并将透明模型槽固定在光学平台上；

（2）调整并保证光学平台台面的水平，确定透明模型槽、激光器、CCD相机、沉桩加载仪在光学平台上的位置；CCD相机镜头所在平面平行于透明模型槽外表面，调整相机视场，使其能涵括整个沉桩试验画面；

（3）将透明模型桩固定在沉桩加载仪的预留孔道处，并保证其垂直度；

（4）打开激光器，检验其在透明土体内部形成的颗粒切面明亮度，并调整激光角度，使切面垂直入射通过模型桩中心线；

（5）打开CCD相机，使其镜头所在平面平行于透明模型槽外表面，并调整相机视场，使其能涵括整个沉桩画面；

（6）将沉桩加载仪的静压沉桩速率调至试验需要的速率，同时通过图像采集系统控制CCD相机连续拍摄沉桩过程；

（7）沉桩完成后，通过粒子图像处理软件分析获得的沉桩过程图片，得到沉桩过程中不同时刻的桩周土体变形位移场。

本发明的优点和效果在于：利用正十二烷、十五号白油的混合液与烘烤石英砂颗粒合成透明土，在沉桩模型试验过程中，通过激光切割桩周土体，形成一个明亮的土体内部颗粒切面，利用CCD相机连续拍摄，获得该切面在沉桩过程中的一系列图像，并结合粒子图像处理技术获得土体内部的连续变形特征，从而实现了对沉桩过程中引起的桩周土体内部连续变形的可视化测量。与其他土体变形测量方法相比具有以下显著优点：

（1）结构小巧，拆装方便，可广泛用于岩土工程试验；

（2）能够展现内部土体连续变形过程；

（3）为进行土体的三维图像测量奠定基础；

（4）费用低廉。

本发明有效地解决了沉桩过程中桩周土体内部连续变形的可视化问题，且操作简便，有效地节省了资源，避免了不合理的浪费；适用性广，可根据需要模拟砂土或者黏土地基，不同直径、不同桩型以及提供不同沉桩速率；使用上大大节约了时间，试验效果明显。

附图说明

图1为本发明的试验装置的立面示意图；

图2为本发明的试验装置的平面示意图；

图3为本发明的透明模型槽结构示意图；

其中，1为人工合成透明土，2为光学平台，3为透明模型槽，4为激光发生器，5为CCD相机，6为沉桩加载仪，7为压力传感器，8为位移传感器，9为试验模型桩。

具体实施方式

以下结合附图详细叙述本发明的具体实施方式。本发明的保护范围并不仅仅局限于本实施方式的描述。

首先，利用正十二烷与十五号白油在一定温度（本实施例为24 °C）下按质量比（本实施例为1:4）组成混合液与烘烤石英砂搅拌，直至均匀透明，制成人工合成透明土1，制配人工合成透明土1的过程，保持温度恒定，过程连续；在一个平整的场地内，安放光学平台2，场地内的光线保持均匀，本实施例子光学平台2尺寸为1800（长）×1200（宽）×800（高）（单位：mm），台面厚度200 mm，采用四支撑，支架高度600 mm，调整支架使台面保持平整，通过光学平台2台面的螺孔固定沉桩加载仪6；将人工合成透明土1填入透明模型槽3，上部开口，本实施例子透明模型槽3尺寸为130（长）×130 （宽）×300（高）（单位：mm），壁厚5 mm，底部对称突出，尺寸为170 mm × 170 mm，预留M 6螺孔，填入透明模型槽3中的人工合成透明土1高度为200 mm，将透明模型槽3通过螺栓固定在光学平台2台面，同时透明模型槽3中心轴对准自动沉桩加载仪6中心；将模型桩9安装在沉桩加载仪6的预留孔道处，并用螺栓固定，保证其垂直度，确保斜率不大于0.5 %，本实施例子模型桩9直径10 mm，长度200 mm，不锈钢材质；将量程0-50 MPa压力传感器7和量程0-300 mm位移传感器8通过螺杆固定在沉桩加载仪6上；将激光发生器4安放在光学平台2台面上，本实施例子激光发生器4采用内腔式氦氖激光器，功率为375 mW，并配有线性转换器，用于将点光源转化为线性光源，调整线性转换器使其光源中心线形成的切面垂直，并对准模型槽3的中心轴，激光发生器4与透明模型槽3相距400 mm；将CCD相机5固定在光学平台2台面上，并调整其具体位置，使其对准模型槽3的观察面，并获得较好的视场，CCD相机5分辨率为50 w-500 w，帧曝光，帧数15，曝光时间100 μs - 30 s，本实施例子CCD相机5采用的分辨率为200 w， 曝光时间为1 s，与透明模型槽相距200 mm；沉桩加载仪6提供的沉桩速率范围为0.1 mm/s - 10 mm/s，本实施例子沉桩加载仪6采用的沉桩速率为5 mm/s，同时通过计算机控制CCD相机5同步拍摄沉桩过程，整个沉桩过程持续40 s，图像拍摄的速度大约每秒1张，共获得沉桩过程变形图像40张；通过粒子图像处理软件分析获得的沉桩过程图片，得到沉桩过程中不同时刻的土体内部连续变形位移场，本实施例子采用的图像处理软件为PIVview2，可批量处理沉桩过程中获得的变形图像；最后完成沉桩过程中土体内部连续变形特征的测量。

Claims (9)

1.一种沉桩过程中土体位移场可视化试验装置，包括人工合成透明土，光学平台，透明模型槽，激光发生器，CCD相机，沉桩加载仪，压力传感器，位移传感器，试验模型桩，其特征在于：沉桩加载仪固定在光学平台上，人工合成透明土填筑在透明模型槽内，装有透明土的透明模型槽放置在沉桩加载仪下方用螺丝固定在光学平台上；透明模型槽的左侧面或者右侧面设置激光器并固定在光学平台上；透明模型槽的正前方或者正后方设置CCD相机并固定在光学平台上；透明模型桩安装在沉桩加载仪下方，并利用沉桩加载仪将其静压入透明土中。

2.根据权利要求1 所述的一种沉桩过程中土体位移场可视化试验装置，其特征在于：所述的人工合成透明土由正十二烷与十五号白油在一定温度下按质量比组成混合液与烘烤石英砂颗粒混合组成，烘烤石英砂颗粒粒径为0.01 mm-5 mm。

3.根据权利要求1所述的一种沉桩过程中土体位移场可视化试验装置，其特征在于：所述的透明模型槽由树脂玻璃制作，形状为上部开口的长方体，长、宽100 mm-130 mm，高度为300 mm-400 mm，壁厚5 mm-10 mm，底部对称突出，尺寸为170 mm × 170 mm，预留螺孔，用于将其固定在光学平台上；其中一侧面由精密机床标有一系列参考点，并漆成红色，用于测量系统的标定和校正，同时可进行像素坐标与物理坐标之间的转化。

4.根据权利要求1所述的一种沉桩过程中土体位移场可视化试验装置，其特征在于：所述的光学平台尺寸长1000 mm-2000 mm、宽1000 mm-1500 mm、高800 mm-1000 mm，台面厚度200 mm-400 mm，桌腿截面200 mm × 200 mm。

5.根据权利要求1所述的一种沉桩过程中土体位移场可视化试验装置，其特征在于：所述的激光器采用内腔式氦氖激光器，功率为50 mW-500 mW，并配有线性转换器。

6.根据权利要求1所述的一种沉桩过程中土体位移场可视化试验装置，其特征在于：所述的CCD相机分辨率50 w-500 w，帧数15，帧曝光，曝光时间100 μs - 30 s；CCD相机通过螺栓固定在测试台架上，通过调节支架高度和角度，可得到理想的相机视场，整个测试台架固定在光学平台上。

7.根据权利要求1所述的一种沉桩过程中土体位移场可视化试验装置，其特征在于：所述的沉桩加载仪整体框架由高强钢材和螺栓组成，起着稳定和传递反力的作用；同时可以通过光学平台表面螺孔来固定加载仪，提高整个系统的稳定性；加载仪由电机提供稳定的沉桩速率，范围为0.1 mm/s - 10 mm/s，并带有位移传感器和压力传感器，用于测量沉桩深度和沉桩贯入阻力。

8.根据权利要求1所述的一种沉桩过程中土体位移场可视化试验装置，其特征在于：所述的粒子图像处理软件采用PIVview2软件，可分析沉桩过程中拍摄的一系列图片，得到桩周土体内部连续变形的位移场。

9.基于权利要求1所述的一种沉桩过程中土体位移场可视化试验装置的使用方法，包括以下技术步骤：

（1）按试验需求配制好不同参数的透明土，倒入透明模型槽内，并将透明模型槽固定在光学平台上；

（2）调整并保证光学平台台面的水平，确定透明模型槽、激光器、CCD相机、沉桩加载仪在光学平台上的位置；CCD相机镜头所在平面平行于透明模型槽外表面，调整相机视场，使其能涵括整个沉桩试验画面；

（3）将透明模型桩固定在沉桩加载仪的预留孔道处，并保证其垂直度；

（4）打开激光器，检验其在透明土体内部形成的颗粒切面明亮度，并调整激光角度，使切面垂直入射通过模型桩中心线；

（5）打开CCD相机，使其镜头所在平面平行于透明模型槽外表面，并调整相机视场，使其能涵括整个沉桩画面；

（6）将沉桩加载仪的静压沉桩速率调至试验需要的速率，同时通过图像采集系统控制CCD相机连续拍摄沉桩过程；

（7）沉桩完成后，通过粒子图像处理软件分析获得的沉桩过程图片，得到沉桩过程中不同时刻的桩周土体变形位移场。