CN105699289A - 一种pcc桩内摩擦力的测试装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种PCC桩内摩擦力的测试装置及其使用方法，测试装置包括承台、模型桩、模型槽、激光源以及数码摄像装置；模型槽设置在承台上，PCC模型桩设置模型槽内，透明土充当桩侧土和桩芯土，模型桩与透明土的接触面设有土压力盒，传力杆上部内嵌于模型桩的底部、下部固定在传力板上，传力板底部通过压力传感器与加载系统连接，模型槽上方和侧面均设有激光源和数码相机。本发明的测试装置实现可视化观测全比例尺PCC桩在竖直位移作用下内摩擦系数的大小，对比分析内、外摩擦特性的差异性，对于研究全比例尺模型桩接触面摩擦具有重要的意义，同时，本发明的试验装置结构简单，操作方便，易于实现。

Description

一种PCC桩内摩擦力的测试装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种PCC桩内摩擦力的测试装置及其使用方法，主要适用于PCC桩与土体之间内接触面的可视化观测，属于岩土工程中桩-土接触面摩擦力测试技术领域。

背景技术

构建物与土体之间的相互作用问题，一直是岩土工程研究的重要课题。运用数值模拟方法分析建筑物构件与土体相互作用时，接触问题的设置对计算结果的准确性和可靠性影响尤为重要。目前，国内外构建物与土体接触面摩擦的研究大多数针对的是平面的情况，然而，实际的岩土工程领域中例如桩基与土体之间，摩擦问题是三维的环状接触问题，平面接触不能如实反映接触形式。而环状接触面，尤其是PCC桩桩-土接触面，桩芯土与桩侧壁的摩擦特性，与桩周土与桩侧壁的摩擦特性并不相同，针对PCC桩桩芯土与桩侧壁的摩擦特性的研究相对较少。

中国发明专利“一种土工合成材料接触面摩擦强度测试方法”（专利号：ZL201510361824.6）公开了一种土工合成材料接触面摩擦强度测试装置；该技术装置通过获取土工合成材料与地质体之间的正应力和剪切应力，获得接触面强度参数；但是该技术方案，无法可视化观测摩擦过程，也不能解决三维接触面的摩擦强度问题。中国发明专利“一种测定土-筋界面摩擦系数的直剪仪及测定方法”（专利号：ZL201410811116.3）公开了一种测定土-筋界面摩擦系数的直剪装置；该技术装置可以对土-筋二维界面摩擦系数进行测量；但是无法测量桩-土之间三维界面的摩擦系数，并且也不能可视化观测摩擦过程。

传统的变形测量方法测量结果往往不够准确，同时不能给出土体内部连续变形的整个位移场。现代数字图像技术也只局限于测量土体的宏观或边界变形，不能实现实际土体内部变形的可视化观测。利用X-射线、计算机层析扫描（CAT扫描）等方法虽然可以用来测量土体内部的连续变形，但是费用昂贵，限制了这些技术的广泛应用。基于透明土材料的试验技术，以其适中的试验成本以及可以较为精确地连续观测土体内部变形的优点正得到逐步推广应用。然而，目前基于透明土材料开展的可视化模型试验研究，往往是针对整体模型的位移场、渗流场或者温度场，而尚未有针对构建物与土体接触面的相关应用研究。因此，基于透明土试验技术，可视化研究实际PCC桩与土体之间内接触面与外接触面摩擦特性，对三维接触面摩擦特性的研究显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种PCC桩内摩擦力的测试装置及其使用方法，实现PCC桩内摩擦系数的测量，解决桩芯土与桩内侧壁的摩擦特性、桩周土与桩外侧壁的摩擦特性的测试问题，以及三维可视化观测问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种PCC桩内摩擦力的测试装置，其特征在于，包括承台、模型桩、模型槽、激光源以及数码摄像装置；

所述模型槽为透明装置，且设置在承台上，所述模型桩为全比例尺的PCC桩，设置在所述模型槽内且两者之间留有间隙，模型桩的桩芯部分填充透明土，所述模型桩与透明土的接触面上设有若干枚用于测试土体的侧压力的土压力盒，所述模型槽的底部和承台对应模型桩的位置开设有若干个通孔，每个通孔内均设有传力杆，所述传力杆带动模型桩竖直方向移动，所述传力杆底部设有用于控制其竖直位移的加载系统，且两者之间设有压力传感器和传力板；所述传力杆上部内嵌于模型桩的底部、下部固定在传力板上，所述传力板为圆形板，底部通过所述压力传感器与加载系统连接，所述压力传感器通过数据线与采集系统相连，用于记录传力板上的压力；

所述激光源包括第一激光源、第二激光源、第三激光源和第四激光源，所述第一激光源和第二激光源设置在模型槽的上方，第三激光源和第四激光源对称设置在模型槽的侧面，且位于模型桩对称轴的两侧；

所述数码摄像装置包括第一数相机和第二数码相机，所述第一数相机的上方，且位于第一激光源和第二激光源的中间，所述承台上还设有环形滑轨，所述环形滑轨绕模型槽设置，所述第二数码相机与环形滑轨活动连接，可沿环形滑轨移动，滑轨上设置有卡槽和刻度，用于固定第二数码相机。

前述的一种PCC桩内摩擦力的测试装置，其特征在于，所述通孔和传力杆的数量均为四个，所述通孔沿模型桩的圆周均匀分布，所述传力杆为空心圆柱形钢管，模型槽与传力杆之间设有环形密封垫，所述环形密封垫为橡胶材料制成。

前述的一种PCC桩内摩擦力的测试装置，其特征在于，所述若干枚土压力盒沿模型桩的内壁圆周对称布置，且高度方向上，透明土的上部、中部、下部均埋设有土压力盒。

前述的一种PCC桩内摩擦力的测试装置，其特征在于，所述模型槽采用透明有机玻璃或透明钢化玻璃制成。

前述的一种PCC桩内摩擦力的测试装置，其特征在于，所述模型槽的形状为空心圆柱体或长方体，所述空心圆柱体直径为900~1300mm、高度为300~350mm、周围壁厚10~20mm、底面壁厚20~40mm；所述长方体边长为900~1300mm、高度为300~350mm、周围壁厚10~20mm、底面壁厚20~40mm。

前述的一种PCC桩内摩擦力的测试装置，其特征在于，所述透明土由透明固体颗粒与孔隙液体制配而成，透明固体颗粒为粒径为0.25mm~2.0mm的全氟环状聚合物颗粒或粒径为0.1mm~1.0mm的熔融石英砂或粒径为0.01mm~0.075mm的无定形二氧化硅粉末，孔隙液体为糖溶液或氯化钠溶液或酒精溶液或溴化钙溶液。

前述的一种PCC桩内摩擦力的测试装置，其特征在于，所述模型桩由聚碳酸酯或有机玻璃材料制成，内径为600~800mm，外径为800~1100mm，底部内嵌传力杆。

基于前述的一种PCC桩内摩擦力的测试装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

A，根据试验设计要求，制作模型槽、全比例尺的模型桩和透明土；

B，将模型槽置于承台上，将模型桩置于模型槽内，将传力杆穿过模型槽与传力板相连，压力传感器连接传力板与加载系统;

C，开启加载系统，根据设计的位移速率，施加竖直位移，记录压力传感器的示数；

D，在模型桩内填充透明土，在透明土与模型桩的接触面上布置土压力盒，在模型槽周围布置环形滑轨，在模型槽上方和侧面安装激光源和数码摄像装置，数码摄像装置通过数据线与处理装置连接；打开激光源，检查其在透明土体内部形成的颗粒切面明亮度，调整激光角度，分别使激光垂直和水平入射，打开对应的数码摄像装置，调整其镜头，使其能拍摄整个试验画面；

E，开启加载系统，根据设计的位移速率，施加竖直位移，记录土压力盒和压力传感器的示数，在指定位移处，暂停加载；

模型槽侧面的第三激光源和第四激光源的激光入射形成切面，由模型槽上方的第一数码相机记录土体位移规律；

模型槽上方的第一激光源和第二激光源的激光入射形成切面，由模型槽侧面的第二数码相机围绕滑轨一周，在固定的卡槽位置记录加载过程中接触面和透明土内部的位移规律；

F，重复步骤A~E，通过试验装置测试不同内径的模型桩内摩擦系数的大小，重复制备透明土的过程中保持透明土的高度和密实度不变，以保证全比例尺模型桩周围的围压不变；

G，改变透明土的密实度，重复步骤A~E分析透明土密实度对内摩擦系数大小的影响规律；

H，在模型桩与模型槽之间间隙填充透明土，进行步骤A、B、D、E的操作，对比观测模型桩的桩内、外侧壁与透明土之间的摩擦特性，完成模型桩内摩擦力的测试以及内外侧壁摩擦特性的可视化观测试验。

前述的一种PCC桩内摩擦力的测试装置的使用方法，其特征在于，所述步骤A中模型槽采用透明有机玻璃或透明钢化玻璃制成，模型槽的形状为空心圆柱体或长方体，所述空心圆柱体直径为900~1300mm、高度为300~350mm、周围壁厚10~20mm、底面壁厚20~40mm；所述长方体边长为900~1300mm、高度为300~350mm、周围壁厚10~20mm、底面壁厚20~40mm。

前述的一种PCC桩内摩擦力的测试装置的使用方法，其特征在于，所述步骤A透明土由透明固体颗粒与孔隙液体制配而成，透明固体颗粒为粒径为0.25mm~2.0mm的全氟环状聚合物颗粒或粒径为0.1mm~1.0mm的熔融石英砂或粒径为0.01mm~0.075mm的无定形二氧化硅粉末，孔隙液体为糖溶液或氯化钠溶液或酒精溶液或溴化钙溶液。

与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：

本发明通过利用透明土、全比例尺的PCC桩、加载系统、压力传感器、激光源以及数码相机组成的试验装置，可视化观测全比例尺PCC桩在竖直位移作用下内摩擦系数的大小，对比分析内摩擦特性与外摩擦特性的差异性，对于研究全比例尺模型桩接触面摩擦具有重要的意义，同时，本发明的试验装置结构简单，操作方便，易于实现。

附图说明

图1是本发明的一种PCC桩内摩擦力的测试装置的结构示意图。

图2是本发明的一种PCC桩内摩擦力的测试装置的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1：测试PCC桩桩侧内摩擦力

如图1-2所示，一种PCC桩内摩擦力的测试装置，包括承台19、模型桩2、模型槽1、激光源以及数码摄像装置。

制作模型桩2，模型桩2为模拟现场PCC桩全比例尺的模型桩，桩体制作材料可以是PC（聚碳酸酯）或有机玻璃材料（本实施例为有机玻璃），内径为600~800mm，外径为800~1100mm（本实施例的模型桩内径600mm，外径800mm）。模型桩2表面可以是光滑的、也可以是粗糙的。

制作模型槽1，模型槽1采用透明有机玻璃或透明钢化玻璃制成，模型槽1的形状为空心圆柱体或长方体，空心圆柱体直径为900~1300mm、高度为300~350mm、周围壁厚10~20mm、底面壁厚20~40mm；长方体边长为900~1300mm、高度为300~350mm、周围壁厚10~20mm、底面壁厚20~40mm。（本实施例模型槽为透明有机玻璃制成的空心圆柱体，直径900mm，高300mm，周围壁厚10mm，底面壁厚20mm）。

配制透明土3，透明土3由透明固体颗粒与孔隙液体制配而成，透明固体颗粒为粒径为0.25mm~2.0mm的全氟环状聚合物颗粒或粒径为0.1mm~1.0mm的熔融石英砂或粒径为0.01mm~0.075mm的无定形二氧化硅粉末，孔隙液体为糖溶液或氯化钠溶液或酒精溶液或溴化钙溶液（本实施例透明土由粒径为0.25mm~2.0mm的全氟环状聚合物颗粒与蔗糖溶液混合配制）。

将模型槽1设置在承台19上，承台19制作材料为钢材或者铝材，模型桩2设置在模型槽1内，且两者之间留有间隙，模型桩2的桩芯部分填充透明土3，模型桩2与透明土3的接触面上设有若干枚用于测试土体的侧压力的土压力盒9，土压力盒9沿模型桩2的内壁圆周对称布置，且高度方向上，透明土3的上部、中部、下部均埋设有土压力盒。模型槽1的底部和承台19对应模型桩2的位置开设有4个通孔，直径40~80mm（本实施例中通孔直径60mm），通孔沿模型桩2的圆周均匀分布，每个通孔内均设有传力杆4，传力杆4带动模型桩2竖直方向移动，传力杆4由直径40~80mm（本实施例为60mm）圆柱体钢管制成，模型槽1与传力杆4之间设有橡胶材料制成的环形密封垫8。

传力杆4底部还设有用于控制其竖直位移的加载系统7，且两者之间设有压力传感器6和传力板5；传力杆4上部内嵌于模型桩2的底部、下部固定在传力板5上，传力板5为圆形光滑钢板制成，底部通过压力传感器6与加载系统7连接，压力传感器6通过数据线与采集系统相连，用于记录传力板5上的压力。加载系统7可以施加设计速率的竖直位移，设计速率为1-2mm/s。

激光源均由激光器和线性转换器组成，包括第一激光源10、第二激光源11、第三激光源13和第四激光源14，第一激光源10和第二激光源11设置在模型槽1的上方，通过支架18与承台19固定，第三激光源13和第四激光源14设置在模型槽1的侧面，位于模型桩对称轴的两侧，通过激光源支座17固定在承台19上。

数码摄像装置包括第一数相机12和第二数码相机15，第一数相机12与支架18固定连接，设置在模型槽1的上方，且位于第一激光源10和第二激光源11的中间，用于从垂直方向上拍摄试验画面。承台19上还设有环形滑轨16，环形滑轨16绕水浴槽4设置，第二数码相机15与环形滑轨16活动连接，可沿环形滑轨16移动，滑轨19上设置有卡槽和刻度，用于固定第二数码相机15，便于拍摄。

利用上述的测试装置测试PCC桩内摩擦力的方法，包括如下步骤：

A，制作模型槽、全比例尺的异形桩和透明土，尺寸、参数如前述。

B，将模型槽置于承台上，将模型桩置于模型槽内，将传力杆穿过模型槽与传力板相连，压力传感器连接传力板与加载系统，开启加载系统，根据设计的位移速率，施加竖直位移，记录压力传感器的示数；

C，在模型桩内填充透明土，在透明土与模型桩的接触面上布置土压力盒，在模型槽周围布置环形滑轨，在模型槽上方和侧面安装激光源和数码摄像装置，数码摄像装置通过数据线与处理装置连接；打开激光源，检查其在透明土体内部形成的颗粒切面明亮度，调整激光角度，分别使激光垂直和水平入射，打开对应的数码摄像装置，调整其镜头，使其能拍摄整个试验画面；

D，开启加载系统，根据设计的位移速率（本实施例为1mm/s），施加竖直位移，记录土压力盒和压力传感器的示数，在指定位移处，暂停加载；

模型槽侧面的第三激光源和第四激光源的激光入射形成切面，由模型槽上方的第一数码相机记录土体位移规律；

模型槽上方的第一激光源和第二激光源的激光入射形成切面，由模型槽侧面的第二数码相机围绕滑轨一周，在固定的卡槽位置记录加载过程中接触面和透明土内部的位移规律；

E，重复步骤A~D，通过试验装置分析不同内径的模型桩内摩擦系数的大小，重复制备透明土的过程中保持透明土的高度和密实度不变，以保证全比例尺模型桩周围的围压不变。

实施例2：观测PCC桩桩内、外侧接触面摩擦特性

利用本发明的测试装置的观测PCC桩桩内、外侧接触面摩擦特性的方法，包括如下步骤：

A，制作模型槽、全比例尺的异形桩和透明土，尺寸、参数如实施例1所述；

B，将模型槽置于承台上，将模型桩置于模型槽内，将传力杆穿过模型槽与传力板相连，压力传感器连接传力板与加载系统；

C，在模型桩桩芯、模型桩外侧与模型槽内壁之间预留空间部分均填充透明土，保持内外透明土高度与密实度一致，在透明土与模型桩的接触面上布置土压力盒，在模型槽周围布置环形滑轨，在模型槽上方和侧面安装激光源和数码摄像装置，数码摄像装置通过数据线与处理装置连接；打开激光源，检查其在透明土体内部形成的颗粒切面明亮度，调整激光角度，分别使激光垂直和水平入射，打开对应的数码摄像装置，调整其镜头，使其能拍摄整个试验画面；

D，开启加载系统，根据设计的位移速率（本实施例为1mm/s），施加竖直位移，记录土压力盒和压力传感器的示数，在指定位移处，暂停加载；

模型槽侧面的第三激光源和第四激光源的激光入射形成切面，由模型槽上方的第一数码相机记录土体位移规律；

模型槽上方的第一激光源和第二激光源的激光入射形成切面，由模型槽侧面的第二数码相机围绕滑轨一周，在固定的卡槽位置记录加载过程中接触面和透明土内部的位移规律；

E，重复步骤A~D，对比观测模型桩内、外侧壁与透明土接触部分的摩擦特性，完成内外侧壁摩擦特性的可视化观测试验，重复制备透明土的过程中保持透明土的高度和密实度不变，以保证全比例尺模型桩周围的围压不变。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种PCC桩内摩擦力的测试装置，其特征在于，包括承台（19）、模型桩（2）、模型槽（1）、激光源以及数码摄像装置；

所述模型槽（1）为透明装置，且设置在承台（19）上，所述模型桩（2）为全比例尺的PCC桩，设置在所述模型槽（1）内且两者之间留有间隙，模型桩（2）的桩芯部分填充透明土（3），所述模型桩（2）与透明土（3）的接触面上设有若干枚用于测试土体的侧压力的土压力盒（9），所述模型槽（1）的底部和承台（19）对应模型桩（2）的位置开设有若干个通孔，每个通孔内均设有传力杆（4），所述传力杆（4）带动模型桩（2）竖直方向移动，所述传力杆（4）底部设有用于控制其竖直位移的加载系统（7），且两者之间设有压力传感器（6）和传力板（5）；所述传力杆（4）上部内嵌于模型桩（2）的底部、下部固定在传力板（5）上，所述传力板（5）为圆形板，底部通过所述压力传感器（6）与加载系统（7）连接，所述压力传感器（6）通过数据线与采集系统相连，用于记录传力板（5）上的压力；

所述激光源包括第一激光源（10）、第二激光源（11）、第三激光源（13）和第四激光源（14），所述第一激光源（10）和第二激光源（11）设置在模型槽（1）的上方，第三激光源（13）和第四激光源（14）对称设置在模型槽（1）的侧面，且位于模型桩（2）对称轴的两侧；

所述数码摄像装置包括第一数相机（12）和第二数码相机（15），所述第一数相机（12设置在模型槽（1）的上方，且位于第一激光源（10）和第二激光源（11）的中间，所述承台（19）上还设有环形滑轨（16），所述环形滑轨（16）绕模型槽（1）设置，所述第二数码相机（15）与环形滑轨（16）活动连接，可沿环形滑轨（16）移动，滑轨（16）上设置有卡槽和刻度，用于固定第二数码相机（15）。

2.根据权利要求1所述的一种PCC桩内摩擦力的测试装置，其特征在于，所述通孔和传力杆（4）的数量均为四个，所述通孔沿模型桩的圆周均匀分布，所述传力杆（4）为空心圆柱形钢管，模型槽（1）与传力杆（4）之间设有环形密封垫（8），所述环形密封垫（8）为橡胶材料制成。

3.根据权利要求1所述的一种PCC桩内摩擦力的测试装置，其特征在于，所述若干枚土压力盒（9）沿模型桩（2）的内壁圆周对称布置，且高度方向上，透明土（3）的上部、中部、下部均埋设有土压力盒（9）。

4.根据权利要求1所述的一种PCC桩内摩擦力的测试装置，其特征在于，所述模型槽（1）采用透明有机玻璃或透明钢化玻璃制成。

5.根据权利要求1所述的一种PCC桩内摩擦力的测试装置，其特征在于，所述模型槽（1）的形状为空心圆柱体或长方体，所述空心圆柱体直径为900~1300mm、高度为300~350mm、周围壁厚10~20mm、底面壁厚20~40mm；所述长方体边长为900~1300mm、高度为300~350mm、周围壁厚10~20mm、底面壁厚20~40mm。

6.根据权利要求1所述的一种PCC桩内摩擦力的测试装置，其特征在于，所述透明土（3）由透明固体颗粒与孔隙液体制配而成，透明固体颗粒为粒径为0.25mm~2.0mm的全氟环状聚合物颗粒或粒径为0.1mm~1.0mm的熔融石英砂或粒径为0.01mm~0.075mm的无定形二氧化硅粉末，孔隙液体为糖溶液或氯化钠溶液或酒精溶液或溴化钙溶液。

7.根据权利要求1所述的一种PCC桩内摩擦力的测试装置，其特征在于，所述模型桩（2）由聚碳酸酯或有机玻璃材料制成，内径为600~800mm，外径为800~1100mm，底部内嵌传力杆（4）。

8.基于权利要求1-7任意一项所述的一种PCC桩内摩擦力的测试装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

A，根据试验设计要求，制作模型槽、全比例尺的模型桩和透明土；

B，将模型槽置于承台上，将模型桩置于模型槽内，将传力杆穿过模型槽与传力板相连，压力传感器连接传力板与加载系统；

C，开启加载系统，根据设计的位移速率，施加竖直位移，记录压力传感器的示数；

D，在模型桩内填充透明土，在透明土与模型桩的接触面上布置土压力盒，在模型槽周围布置环形滑轨，在模型槽上方和侧面安装激光源和数码摄像装置，数码摄像装置通过数据线与处理装置连接；打开激光源，检查其在透明土体内部形成的颗粒切面明亮度，调整激光角度，分别使激光垂直和水平入射，打开对应的数码摄像装置，调整其镜头，使其能拍摄整个试验画面；

E，开启加载系统，根据设计的位移速率，施加竖直位移，记录土压力盒和压力传感器的示数，在指定位移处，暂停加载；

模型槽侧面的第三激光源和第四激光源的激光入射形成切面，由模型槽上方的第一数码相机记录土体位移规律；

模型槽上方的第一激光源和第二激光源的激光入射形成切面，由模型槽侧面的第二数码相机围绕滑轨一周，在固定的卡槽位置记录加载过程中接触面和透明土内部的位移规律；

F，重复步骤A~E，通过试验装置测试不同内径的模型桩内摩擦系数的大小，重复制备透明土的过程中保持透明土的高度和密实度不变，以保证全比例尺模型桩周围的围压不变；

G，改变透明土的密实度，重复步骤A~E分析透明土密实度对内摩擦系数大小的影响规律；

H，在模型桩与模型槽之间间隙填充透明土，进行步骤A、B、D、E的操作，对比观测模型桩的桩内、外侧壁与透明土之间的摩擦特性，完成模型桩内摩擦力的测试以及内外侧壁摩擦特性的可视化观测试验。

9.根据权利要求8所述的一种PCC桩内摩擦力的测试装置的使用方法，其特征在于，所述步骤A中模型槽采用透明有机玻璃或透明钢化玻璃制成，模型槽的形状为空心圆柱体或长方体，所述空心圆柱体直径为900~1300mm、高度为300~350mm、周围壁厚10~20mm、底面壁厚20~40mm；所述长方体边长为900~1300mm、高度为300~350mm、周围壁厚10~20mm、底面壁厚20~40mm。

10.根据权利要求8所述的一种PCC桩内摩擦力的测试装置的使用方法，其特征在于，所述步骤A透明土由透明固体颗粒与孔隙液体制配而成，透明固体颗粒为粒径为0.25mm~2.0mm的全氟环状聚合物颗粒或粒径为0.1mm~1.0mm的熔融石英砂或粒径为0.01mm~0.075mm的无定形二氧化硅粉末，孔隙液体为糖溶液或氯化钠溶液或酒精溶液或溴化钙溶液。