CN105067511A - 一种透明土模型桩试验测试装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种透明土模型桩试验测试装置及其使用方法。整个系统包括实验台和模型实验装置。实验台可通过设置可调式桌脚进行调平，台面上设置支架和支架固定板以安置工程漫射体、相机和激光器，并设置滑模固定板和纵横向滑动限位板定位和固定模型试验槽；在模型试验槽上方设置反力架，以可调式螺杆和固定螺帽调节并固定于台面，反力架上设置小型油压千斤顶和压力计，模型试验槽内设置人工合成透明土，并设置有模型桩和模型桩加载头，以进行后期模型试验。整个系统设置合理，方便对人工合成透明土内的模型桩进行加载测试、观测位移和变形情况。

Description

一种透明土模型桩试验测试装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种透明土模型桩试验测试系统及其使用方法，主要适用于实验室内微型模型桩加载沉桩过程、土体破坏模式等领域的研究。

背景技术

桩基础广泛应用于高层建筑、铁路、公路、桥梁、海洋平台和港口码头等众多工程领域中。随着技术的进步和发展，各种桩型应运而生，在各类工程中都有所应用，且已经占据了重要地位。为了更好的研究各类桩基础的承载力特性，进行更多的技术革新，针对各类模型桩的室内实验逐渐增多，但由于桩周土的存在，无论是何种桩型，室内试验还是现场实验，对桩基的受力变形和土体的沉降变形都只能通过埋设仪器进行数据监测，对桩基在地下的受力变形情况只能进行“看不到”的分析，并且土体中的传感器不能提供桩基和土体的连续变形特征，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内部的连续变形。例如X射线、磁共振成像技术以及计算机三维层析成像已经应用于模型桩试验用来研究桩基的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。在本发明专利前，已经有一种人工合成透明土材料的制配方法(201410178910.9)和一种取土过程中土体内部位移测量模型试验装置及其使用方法(201410178638.4)，两项发明均在审，但都未针对模型桩在人工合成透明土内部的加载沉桩、受力变形及桩周土体的沉降变形情况进行试验装置系统的详细开发研究。因此，基于数字图像技术和人工合成透明土材料，开发一种可以测量沉桩过程中桩基受力变形、桩周土体沉降和变形位移场的试验测试系统及其使用方法成为一个刻不容缓的工作。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种透明土模型桩试验测试系统及其使用方法，可以较好的观察测量沉桩过程中桩基受力变形、桩周土体沉降和变形位移场。

这种透明土模型桩试验测试装置，包括实验台，所述实验台的台面上设置有工程漫射体支架、激光器支架和相机支架以分别安置工程漫射体、设置激光器和相机，并设置有滑模固定板、纵向滑动限位板和横向滑动限位板以定位和固定模型试验槽；在模型试验槽上方设置有反力架，所述反力架以可调式螺杆和固定螺帽调节并固定于实验台的台面上，反力架上设置有小型油压千斤顶和压力计。

作为优选：所述的实验台包括设置有螺杆预留孔的台面板，在台面板下部是设置有螺孔的平台支脚，平台支脚底部设置有调平螺栓的可调式桌脚。

作为优选：所述的工程漫射体支架、激光器支架和相机支架都分别与支架固定板连接，辅以螺钉固定在实验台的台面上。

作为优选：所述滑模固定板以滑模固定板固定螺丝固定于实验台的台面上，纵向滑动限位板和横向滑动限位板以螺栓在螺栓滑槽内滑动并锚固以固定模型试验槽。

作为优选：所述的模型试验槽采用透明材料制成，内部设置有人工合成透明土，模型桩上设置模型桩加载头。

这种透明土模型桩试验测试装置的使用方法，主要包括以下步骤：

1)实验台调平：通过可调式桌脚对实验台进行调平，辅以水准器校核；

2)安装试验槽固定系统：先将滑模固定板以滑模固定板固定螺丝固定于台面上，纵向滑动限位板和横向滑动限位板以螺栓在螺栓滑槽内锚固；

3)安置模型试验槽：按试验参数要求配制人工合成透明土，置入模型试验槽内，并将模型试验槽通过试验槽固定系统固定在台面上；

4)安装反力架：将反力架以可调式螺杆穿过螺杆预留孔，以固定螺帽固定于实验台上，通过拧动固定螺帽调整可调式螺杆高度；

5)设置器材：根据模型试验槽的位置，以螺钉和支架固定板将各个支架固定在台面上，并将各个器材安置好；其中相机镜头所在平面平行于模型试验槽某一外立面，激光器和工程漫射体置于相交的另一侧面，且工程漫射体设置在激光器和模型试验槽之间；

6)设置模型桩：将模型桩和模型桩加载头设置好，放置于小型油压千斤顶下，启动千斤顶，将模型桩压入透明土内少许，保持其竖直；

7)启动器材：打开激光器，待功率稳定后，调整激光切面的角度，使其垂直打入透明土中，形成散斑场；调整相机视场，使其涵括整个模型桩，并设置为自动连续拍摄模式；

8)压桩：开启小型油压千斤顶，使其下端缓慢匀速下降，将模型桩静压入土；

9)后处理：以油压表和压力计记录桩顶压力，以相机记录模型桩入土后桩体位移和土体变形。

本发明的有益效果是：

(1)设计的模型槽固定系统可针对不同尺寸的模型槽进行自主调整，很好的适应实验的多样性。

(2)试验装置采用反力架上设置小型油压千斤顶的方式，可满足绝大部分微型桩的沉桩加载要求，方便对加载力的控制和观测记录。

(3)采用激光器和相机在黑暗环境下对透明土内模型桩的沉桩过程进行观测记录，可较好的对桩体在土体内的沉桩过程进行模拟，测试得到的数据和图像有很好的参考价值。

附图说明

图1是整套透明土模型桩试验测试系统的立体示意图

图2是试验槽固定系统示意图

图3是可调式桌脚示意图；

附图标记说明：1-实验台；2-平台支脚；3-螺孔；4-可调式桌脚；5-工程漫射体；6-工程漫射体支架；7-激光器；8-激光器支架；9-激光器电源线；10-相机；11-相机支架；12-支架固定板；13-透明土；14-模型桩；15-千斤顶；16-油管；17-油压表；18-压力计；19-模型桩加载头；20-反力架；21-模型试验槽；22-滑模固定板；23-滑模固定板固定螺丝；24-纵向滑动限位板；25-横向滑动限位板；26-螺栓滑槽；27-可调式螺杆；28-螺杆预留孔；29-固定螺帽。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

本实施方式中的透明土、模型槽、反力架等技术参数要求，在本实施例中不再累述，重点阐述本发明涉及的发明结构特点及功效，并配合附图详细说明如下：

如图1，实验台1由长1200mm宽900mm厚20mm的木质台面、四根直径30mm的平台支脚2和四个可调式桌脚4组成，其中平台上预设螺杆预留孔28，平台支脚2底部设置螺孔3，可由对应可调式桌脚4拧入并进行调平。其中螺杆预留孔直径10mm；平台支脚2底部螺孔直径5mm，与可调式桌脚4上的螺栓对应。

台面上设置有工程漫射体5和工程漫射体支架6、激光器7和激光器支架8、相机10和相机支架11，每个支架底部都设置有支架固定板，上面有孔洞，以备后期用螺钉固定支架。其中工程漫射体5是ED1-L4100(英寸0.4°x100°)直线型漫射体，可将直线光源变为光面；激光器7是波长532nm，功率2W，以激光器电源线9进行插电工作，相机10自带镜头，可调节焦距，。

人工合成透明土13可根据模型桩14和模型试验槽21的尺寸大小进行配制，此本实施例中，模型桩14为直径4.8mm，长270mm的圆桩，以硬质塑料制成；模型试验槽21为长160mm宽60mm高410mm的有机玻璃制成，壁厚5mm。

如图2，所述的试验槽固定系统，包括滑模固定板22、纵向滑动限位板24和横向滑动限位板25；其中滑模固定板22以滑模固定板固定螺丝23固定于台面上，纵向滑动限位板24和横向滑动限位板25以螺栓在螺栓滑槽26内滑动并锚固，以固定模型试验槽21。其中滑模固定板22是长200mm、宽10mm、厚2mm的槽钢与长200mm、宽20mm、厚2mm的钢板焊接而成，槽钢底部设置有螺栓滑槽26，槽长180mm，宽3mm，而钢板右侧设置有滑模固定板固定螺丝23对应的螺孔3mm；纵向滑动限位板24是长500mm、宽10mm、厚2mm的钢板打孔制成，孔槽长400mm、宽3mm；横向滑动限位板25是长130mm、宽10mm、厚2mm的钢板与两块10mm*10mm、3mm厚的小钢板焊接而成，小钢板上设置3mm的螺孔，以设置螺栓在螺栓滑槽26内滑动并固定。

将制作好的反力架20设置在台面上，先将固定螺帽29拧在可调式螺杆27上，将后者插入螺杆预留孔28内，拧动固定螺帽29以调节可调式螺杆27伸入螺杆预留孔28的长度，根据模型试验槽21的高度进行调整。其中反力架20上设置配有油管16和油压表17的小型油压千斤顶15，并在千斤顶顶部设置压力计18。其中反力架20下可调式螺杆27长700mm，直径10mm，底端250mm长度内都设置有螺纹，以便固定螺帽29对其固定；

根据模型桩14的尺寸设置模型桩加载头19，以聚乳酸为原料制作而成，内径4.8mm，可使模型桩14卡在模型桩加载头19内。

如图1，所述透明土模型桩试验测试系统的使用方法，主要包括以下步骤：

1)实验台1调平：通过可调式桌脚4对实验台1进行调平，辅以水准器校核。

2)安装试验槽固定系统：先将滑模固定板22以滑模固定板固定螺丝23固定于台面上，纵向滑动限位板24和横向滑动限位板25以螺栓在螺栓滑槽26内锚固；

3)安置模型试验槽21：按试验参数要求配制人工合成透明土13，置入模型试验槽21内，并将模型试验槽21通过试验槽固定系统固定在台面上；

4)安装反力架20：按照设计将反力架20制作完毕后，将反力架20以可调式螺杆27穿过螺杆预留孔28，以固定螺帽29固定于实验台上，通过拧动固定螺帽29调整螺杆高度；

5)设置器材：根据模型试验槽21的位置，以螺钉和支架固定板12将各个支架固定在台面上，并将各个器材安置好；其中相机10镜头所在平面平行于模型试验槽21一外立面，激光器7和工程漫射体5置于另一侧面，且工程漫射体5设置在激光器7和模型试验槽21之间；

6)设置模型桩14：将模型桩14和模型桩加载头19设置好，放置于小型油压千斤顶15下，启动千斤顶，将模型桩14压入透明土内少许，保持其竖直；

7)启动器材：打开激光器7，待功率稳定后，调整激光切面的角度，使其垂直打入透明土，形成散斑场；调整相机10视场，使其涵括整个模型桩14，并设置为自动连续拍摄模式；

8)压桩：开启小型油压千斤顶15，使其下端缓慢匀速下降，将模型桩14静压入土；

9)后处理：以油压表17和压力计18记录桩顶压力，以相机10记录模型桩14入土后桩体位移和土体变形，并通过后期计算机图像处理软件对获得的散斑场图像进行分析，获得加载力与桩体变形及土体变形、位移的关系。

Claims (6)

1.一种透明土模型桩试验测试装置，其特征在于，包括实验台(1)，所述实验台(1)的台面上设置有工程漫射体支架(6)、激光器支架(8)和相机支架(11)以分别安置工程漫射体(5)、设置激光器(7)和相机(10)，并设置有滑模固定板(22)、纵向滑动限位板(24)和横向滑动限位板(25)以定位和固定模型试验槽(21)；在模型试验槽(21)上方设置有反力架(20)，所述反力架(20)以可调式螺杆(27)和固定螺帽(29)调节并固定于实验台(1)的台面上，反力架(20)上设置有小型油压千斤顶(15)和压力计(18)。

2.根据权利要求1所述一种透明土模型桩试验测试装置，其特征在于，所述的实验台(1)包括设置有螺杆预留孔(28)的台面板，在台面板下部是设置有螺孔(3)的平台支脚(2)，平台支脚(2)底部设置有调平螺栓的可调式桌脚(4)。

3.根据权利要求2所述一种透明土模型桩试验测试装置，其特征在于，所述的工程漫射体支架(6)、激光器支架(8)和相机支架(11)都分别与支架固定板(12)连接，辅以螺钉固定在实验台(1)的台面上。

4.根据权利要求3所述一种透明土模型桩试验测试装置，其特征在于，所述滑模固定板(22)以滑模固定板固定螺丝(23)固定于实验台(1)的台面上，纵向滑动限位板(24)和横向滑动限位板(25)以螺栓在螺栓滑槽(26)内滑动并锚固以固定模型试验槽(21)。

5.根据权利要求4所述一种透明土模型桩试验测试装置，其特征在于，所述的模型试验槽(21)采用透明材料制成，内部设置有人工合成透明土(13)，模型桩(14)上设置模型桩加载头(19)。

6.一种如权利要求5所述透明土模型桩试验测试装置的使用方法，主要包括以下步骤：

1)实验台(1)调平：通过可调式桌脚(4)对实验台(1)进行调平，辅以水准器校核；

2)安装试验槽固定系统：先将滑模固定板(22)以滑模固定板固定螺丝(23)固定于台面上，纵向滑动限位板(24)和横向滑动限位板(25)以螺栓在螺栓滑槽(26)内锚固；

3)安置模型试验槽(21)：按试验参数要求配制人工合成透明土(13)，置入模型试验槽(21)内，并将模型试验槽(21)通过试验槽固定系统固定在台面上；

4)安装反力架(20)：将反力架(20)以可调式螺杆(27)穿过螺杆预留孔(28)，以固定螺帽(29)固定于实验台(1)上，通过拧动固定螺帽(29)调整可调式螺杆(27)高度；

5)设置器材：根据模型试验槽(21)的位置，以螺钉和支架固定板(12)将各个支架固定在台面上，并将各个器材安置好；其中相机(10)镜头所在平面平行于模型试验槽(21)某一外立面，激光器(7)和工程漫射体(5)置于相交的另一侧面，且工程漫射体(5)设置在激光器(7)和模型试验槽(21)之间；

6)设置模型桩(14)：将模型桩(14)和模型桩加载头(19)设置好，放置于小型油压千斤顶(15)下，启动千斤顶(15)，将模型桩(14)压入透明土(13)内少许，保持其竖直；

7)启动器材：打开激光器(7)，待功率稳定后，调整激光切面的角度，使其垂直打入透明土(13)中，形成散斑场；调整相机(10)视场，使其涵括整个模型桩(14)，并设置为自动连续拍摄模式；

8)压桩：开启小型油压千斤顶(15)，使其下端缓慢匀速下降，将模型桩(14)静压入土；

9)后处理：以油压表(17)和压力计(18)记录桩顶压力，以相机(10)记录模型桩(14)入土后桩体位移和土体变形。