CN105696632B - 一种采动区桩基承载力透明土模型试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采动区桩基承载力透明土模型试验装置，它包括底座、砂箱、透明土模型箱、电子秤、桩体、加载装置、CCD工业相机和激光线性发生器，砂箱安置在底座上，砂箱底部设有开孔；电子秤放置于开孔下面，用于测量流出砂子重量；透明土模型箱嵌坐于砂箱之上，透明土箱底面为一层乳胶薄膜，用于隔离透明土与砂土；所述的桩体置于透明土中，桩顶设有桩帽，桩帽上施加荷载，桩身上设有监测桩体位移的标记点；所述的激光线性发生器布置在试验装置一侧。本发明通过漏砂法模拟因煤矿开采引起采动塌陷，从而模拟采动区地表土体沉陷过程；同时该方法还可通过改变漏砂位置和孔径大小还可用于类似的人类工程活动引发的地表土体水平或者垂直运动。

Description

一种采动区桩基承载力透明土模型试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种采动区桩基承载力透明土模型试验装置及方法，主要应用于采动区桩基础承载力学研究技术领域。

背景技术

煤炭的大规模开采，许多地区形成了大面积、大规模的采动区，随着煤炭资源的进一步开发，采动区面积不断增加。“三下”(水体下、铁路下、建筑物下)采煤尤其是建筑物下采煤，对采动区上方已建建筑的稳定性和安全性产生严峻威胁。采动过程中经常会引起地表土体水平移动、下沉甚至塌陷，地表土体水平位移会使邻近建筑物的桩基础产生附加内力和变形，地表土体下沉量大于桩的下沉量将会产生桩侧负摩阻力，很可能造成桩端地基的屈服或破坏、桩身破坏、结构物不均匀沉降及结构安全。

目前对于采动区桩基础承载力学特性的研究包括理论分析、数值模拟和试验分析。模型试验一直是岩土工程中很常用的研究手段，然而本发明以前的采动区地表土体运动特性一般通过升降千斤顶的方法模拟沉陷，不能不间断的模拟实际工程中采动区土体的变形；通过预先设置在模型槽下部砂箱开孔，采用漏砂法，可直接模拟因采动引起的地表土体运动；通过架设位移计测量桩基与土体的位移，不能连续、直观地测量桩周土体内部的变形和桩-土之间的相互作用，通过该实验装置还可模拟类似人类工程活动(如隧洞开挖、修建地铁、基坑开挖)引起的地表土体运动及其对桩基的影响。

透明土的基本原理是利用透明颗粒材料和具有相同折射率的孔隙液体混合，排出空气得到的透明的饱和土，该土体与天然土体具有相似的岩土工程性质。利用激光器可以在透明土中形成散斑场，可以用工业相机拍出高精度的图片。PIV技术(又称粒子图像测速法)是基于图像匹配技术发展起来的一种流体速度测量技术，通过对比不同时刻的图片灰度值，利用关联函数可以得到不同时刻的相对位移，从而得到采动区桩周土体内部的细观变形过程。

《岩土工程学报》第36卷第2期(2014.2)公开了“一种基于透明土材料的沉桩过程土体三维变形模型试验研究”一文，在该文中它利用正十二烷、十五号白油混合液和玻璃砂合成透明土,并在此基础上设计了沉桩模型试验系统；该系统包括激光器、线性发生器、CCD(charge-coupled device)相机、沉桩加载仪和计算机等，该文公开的试验方法仅能用于模拟传统的天然地基土的沉桩过程，该技术不能模拟对于因为煤矿开采引起的地表沉陷和因人类工程其他活动(如隧洞开挖、修建地铁、基坑开挖)引起的地表运动，更不能模拟因此类工程活动造成的地表运动对桩基力学特性的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服传统采动区桩基承载力模型试验不能很好模拟采动区土体沉陷过程且不能直接观测桩周土土体内部变形的缺陷，提出一种采动区桩基承载力透明土模型试验装置，该装置能实现多种工况，包括不同桩型，不同尺寸，不同埋深，单桩和群桩等实际工程中常见工况；该模型试验使用PIV技术观测透明土体内部位移，精度高；装置尺寸小，试验准备时间短，试验操作方便，不仅提高了科研效率，还可以作为教学仪器使用。另外，本发明还提出了与采动区桩基承载力模型试验装置配套的试验方法。

本发明采用以下技术方案实现：

一种采动区桩基承载力透明土模型试验装置，其特征在于，它包括底座、砂箱、透明土模型箱、电子秤、桩体、加载装置、CCD工业相机和激光线性发生器，所述的砂箱安置在底座上，砂箱底部设有开孔，通过调节孔径控制砂箱中砂的流速；所述的电子秤放置于开孔下面，用于测量流出砂子重量，控制沉降量；所述的透明土模型箱嵌坐于砂箱之上，透明土箱底面为一层乳胶薄膜，用于隔离透明土与砂土；所述的桩体置于透明土中，桩顶设有桩帽，桩帽上施加荷载，桩身上设有监测桩体位移的标记点；所述的激光线性发生器布置在试验装置一侧，要求激光线性发生器发射的激光经过桩身穿透透明土，形成均匀的散斑场；所述的工业相机拍摄方向位于激光平面的法线方向，实时记录散斑场的变化。

上述透明土模型箱材料优选有机玻璃；

上述桩体材料优选有机玻璃，允许激光穿透，根据研究需要制作成不同桩型；

所述桩身上的标记点可以采用细铜线缠绕桩端，激光照射铜线产生的亮斑作为桩身标记点；

为了便于调节开孔的孔径，所说的开孔为多个钻取不同孔径和不同孔型的有机玻璃开孔板，使用时，在砂箱底部设有开口槽，根据研究需要选择合适开孔板固定于砂箱底部开口槽内。

本发明还涉及一种采动区桩基承载力透明土模型试验的试验方法，包括以下步骤：

(1)清洗透明土模型箱框架、桩和桩帽，并用干毛巾擦净；

(2)将乳胶薄膜安装在透明土模型箱底部，进行不透水性检测；

(3)选择合适的开孔类型及开孔尺寸，安装在砂箱底部；

(4)将普通河砂烘干，并用孔径为0.6mm的筛子进行筛分，采用砂雨法将筛分过的砂子装填砂箱内，装填高度与砂箱内壁齐平；

(5)将透明土箱嵌放在砂箱上面，乳胶薄膜与砂面相贴；

(6)将配好的白油和正十二烷混合溶液沿着透明土模型箱壁缓缓倒入透明土模型箱中，液面高度达到模型箱高度的3/5；这个混合液作用是置换出空气，孔隙液折射率与玻璃砂相同，保证整体透明度，避免光线因折射率不同发散减弱

(7)缓慢均匀地在透明土模型箱中配置透明土至混合溶液液面以下1cm处；

(8)将带有桩帽的桩体匀速笔直地插入指定位置，在桩帽上加载砝码模拟建筑荷载；

(9)布置激光线性发生器，使激光经过桩身穿透透明土，形成均匀的散斑场；

(10)布置相机使相机拍摄方向垂直于激光平面，并调节焦距使画面中散斑场清晰，将相机设置为自动连续拍照模式，时间间隔设定为2秒；

(11)打开砂箱底部开口孔，采用漏砂法模拟采动区地表沉陷，透明土在重力作用下压迫乳胶薄膜跟随砂土一同沉陷，同时打开相机进行实时拍摄；

(12)用电子秤称量漏砂的重量，可换算出砂子减少的体积，以便控制沉降程度；

(13)平行试验过程中，调整激光线性发生器位置，从不同角度形成激光切面，获得不同位置散斑场照片；

(14)采用PIV技术处理照片获得试验数据，并通过图像处理软件进行处理得到土体内部三维位移场。

本发明的优点和效果在于：

1、本发明试验装置下面设置一个带孔的玻璃箱，通过下面的漏砂形成地表运动，即通过漏砂法模拟因煤矿开采引起采动塌陷，从而模拟采动区地表土体沉陷过程；同时该方法还可通过改变漏砂位置和孔径大小还可用于类似的人类工程活动(如隧洞开挖、修建地铁、基坑开挖等)引发的地表土体水平或者垂直运动。

2、由于本发明在漏砂法基础上进一步采用CCD相机自动连续拍照，使得可以连续完整地模拟采动区地表沉陷过程；

3、由于透明土体与天然土体具有相似的岩土工程性质，又采用PIV技术实现了土体内部变形的可视化及非插入式实时高精度测量，可更直观地研究采动引起的地表土体移动对桩基的影响；

4、由于本发明的桩体根据研究需要可以制作成不同桩型，使得试验装置可以模拟多种工况，包括不同桩型，不同尺寸，不同埋深，单桩和群桩等实际工程中常见工况；

5、本发明试验操作方便，不但提高了科研效率，而且还为研究采动区桩基础承载力学提供了教学试验仪器。

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。本发明的保护范围并不以具体实施方式为限，而是由权利要求加以限定。

附图说明

图1是本发明试验设备布置图；

图2是本发明透明土模型箱示意图；

图3是本发明砂箱和开孔板示意图；

图4是本发明底座示意图。

图中：1-透明土模型箱，2-有机玻璃砂箱，3-底座，4-高精度工业相机，5-线性激光发生器，6-透明土散斑场，7-桩体，8-桩帽，9-砝码，10-支架，11-电子秤，12-烧杯，13-光学平台，14-乳胶薄膜，15-固定框，16-螺栓，17-砂箱外壁，18-砂箱内壁，19-开口槽，20-单孔开孔板，21-多孔开孔板，22-条形开孔板。

具体实施方式

如图1-4所示，本发明的采动区桩基承载力透明土模型试验装置结构是：包括底座3、有机玻璃砂箱2、透明土模型箱1，电子秤11、桩体7、砝码9、高精度工业相机4和线性激光发生器5；所述的有机玻璃砂箱2安置在底座3上，有机玻璃砂箱2底部设有开孔，通过调节孔径控制有机玻璃砂箱2中砂的流速，砂箱内壁18略低于砂箱外壁17；所述的电子秤11放置于开孔下面，电子秤11放置有烧杯12，用于测量流出砂子重量，控制沉降量；所述的透明土模型箱1嵌坐于砂箱之上，透明土模型箱1底面为一层乳胶薄膜14，用于隔离透明土与砂土；所述的桩体7置于透明土中，桩体7顶设有桩帽8，桩帽8上施加荷载砝码9，桩身上设有监测桩体位移的标记点；所述的线性激光发生器5布置在试验装置一侧，要求线性激光发生器5发射的激光经过桩身穿透透明土，形成均匀的散斑场；所述的高精度工业相机4拍摄方向位于激光平面的法线方向，实时记录透明土散斑场6的变化。为了确保试验的准确性，实验装置置于光学平台13上。

从图3可以看出，实施例中有机玻璃砂箱2底部加工有开口槽19，通过开口槽嵌入不同孔径和不同孔型的有机玻璃开孔板，图中显示了单孔开孔板20、多孔开孔板21和条形开孔板22三种形式。

利用上述装置对采动区桩基承载力进行试验的步骤如下：

(1)明确研究目的，选择桩型和长细比制作模型桩。可选桩型包括方桩、圆桩、楔形桩、支盘桩等，通过对有机玻璃棒加工完成。

(2)清洗透明土模型箱1、固定框15、有机玻璃砂箱2、桩体7和桩帽8，并用干毛巾擦净；清除上述部件表面的灰尘和水，免得灰尘影响透明土散斑场6，表面有水会影响混合液体的折射率，影响透明度。

(3)结合实际工况选择开孔板模拟不同沉陷方式，将开孔板安装到砂箱底部开口槽19上，结合砂雨法将经过烘干、筛分处理的干净细砂填入有机玻璃砂箱2内，保证各部分密实度均匀，填砂高度与有机玻璃砂箱2内壁齐平。

(4)用M4螺栓和钻有4mm均匀孔径的固定框15将高弹性乳胶薄膜14固定在透明土模型箱1底部，并进行透水性检测保证透明土模型箱1的密封性；

(5)在透明土模型箱1中缓慢配土至模型箱设计标高。在往透明土模型箱1中注入混合溶液时，沿箱壁缓慢倾倒，避免对下面平整的砂面造成冲击坑，撒入石英砂时可采用筛子进行操作，保证石英砂填充均匀，避免带入过多气泡，同时配土过程中保证缓慢进行，使带入的气泡有充分时间上浮到表面。如果因操作不当造成透明土中气泡过多，可使用真空饱和器对透明土进行抽真空处理使透明土饱和。

(6)在选用的模型桩体7上部合适位置缠绕细铜线做标记点，以便监测桩体7位移；将模型桩体7笔直缓慢插入透明土中合适位移，插桩过程中避免扰动周围土体；将桩帽9套在桩体7顶端，缓慢将砝码9载荷放在桩帽9上，保证荷载重心在桩体7轴线上，避免产生偏心弯矩。

(7)将线性激光发生器5和高精度工业相机4用螺栓16安置在支架10上，防止试验过程中发生位移。将线性激光发生器5调整到合适高度位置，保证激光面经过桩身穿透透明土，线性激光发生器5功率由小逐渐调大，且经过10-15分钟散斑场稳定后方可进行试验；将高精度工业相机4调整到正对着透明土散斑场6的位置，调节焦距使透明土散斑场6画面清晰，保持自动拍照模式，时间间隔设定为2秒；布置高精度工业相机4时严禁将镜头正对光源，避免高精度工业相机4受损。

(8)将电子秤11和烧杯12放在有机玻璃砂箱2开口槽19正下方，试验开始时打开漏沙孔，通过漏砂模拟采动区地面沉陷过程，通过对漏砂的重量进行称量并进行体积换算，以便控制沉陷程度，避免过度沉陷引起乳胶薄膜14失效损坏试验装置。

(9)试验开始时保证实时拍照，试验过程中保持试验环境稳定，避免人为扰动和光线干扰。进行平行试验时调整线性激光发生器5位置，记录沉陷过程中不同位置激光切面的透明土散斑场6变化过程。

(10)用PIV技术相关软件处理图片得到对应的试验数据，利用绘图软件处理试验数据绘出沉陷过程动态等值位移图，分析不同沉陷程度下桩周土体位移，结合多个切面可绘制采动区土体沉陷三维位移场。

Claims (4)

1.一种采动区桩基承载力透明土模型试验方法，其特征在于，该试验方法所用的实验装置包括底座、砂箱、透明土模型箱、电子秤、桩体、加载装置、CCD工业相机和激光线性发生器，所述的砂箱安置在底座上，砂箱底部设有开孔，通过调节孔径控制砂箱中砂的流速；所述的电子秤放置于开孔下面，用于测量流出砂子重量，控制沉降量；所述的透明土模型箱嵌坐于砂箱之上，透明土箱底面为一层乳胶薄膜，用于隔离透明土与砂土；所述的桩体置于透明土中，桩顶设有桩帽，桩帽上施加荷载，桩身上设有监测桩体位移的标记点；所述的激光线性发生器布置在试验装置一侧，要求激光线性发生器发射的激光经过桩身穿透透明土，形成均匀的散斑场；所述的工业相机拍摄方向位于激光平面的法线方向，实时记录散斑场的变化；试验步骤为：

(1)清洗透明土模型箱框架、桩体和桩帽，并用干毛巾擦净；

(2)将乳胶薄膜安装在透明土模型箱底部，进行不透水性检测；

(3)选择合适的开孔类型及开孔尺寸，安装在砂箱底部；

(4)将普通河砂烘干，并用孔径为0.6㎜的筛子进行筛分，采用砂雨法将筛分过的砂子装填砂箱内，装填高度与砂箱内壁齐平；

(5)将透明土箱嵌放在砂箱上面，乳胶薄膜与砂面相贴；

(6)将配好的白油和正十二烷混合溶液沿着透明土模型箱壁缓缓倒入透明土模型箱中，液面高度达到模型箱高度的3/5；

(7)缓慢均匀地在透明土模型箱中配置透明土至混合溶液液面以下1㎝处；

(8)将带有桩帽的桩体匀速笔直地插入指定位置，在桩帽上加载砝码模拟建筑荷载；

(9)布置激光线性发生器，使激光经过桩身穿透透明土，形成均匀的散斑场；

(10)布置相机使相机拍摄方向垂直于激光平面，并调节焦距使画面中散斑场清晰，将相机设置为自动连续拍照模式，时间间隔设定为2秒；

(11)打开砂箱底部开口孔，采用漏砂法模拟采动区地表沉陷，透明土在重力作用下压迫乳胶薄膜跟随砂土一同沉陷，同时打开相机进行实时拍摄；

(12)用电子秤称量漏砂的重量，可换算出砂子减少的体积，以便控制沉降程度；

(13)平行试验过程中，调整激光线性发生器位置，从不同角度形成激光切面，获得不同位置散斑场照片；

(14)采用PIV技术处理照片获得试验数据，并通过图像处理软件进行处理得到土体内部三维位移场。

2.如权利要求1所述的采动区桩基承载力透明土模型试验方法，其特征在于，所述的透明土模型箱和桩体材料为有机玻璃。

3.如权利要求1所述的采动区桩基承载力透明土模型试验方法，其特征在于，所述桩身上的标记点采用细铜线缠绕桩端，激光照射铜线产生的亮斑作为桩身标记点。

4.如权利要求1所述的采动区桩基承载力透明土模型试验方法，其特征在于，所述的开孔为多个钻取不同孔径和不同孔型的有机玻璃开孔板，使用时，在砂箱底部设有开口槽，根据研究需要选择合适开孔板固定于砂箱底部开口槽内。