CN106872269A - 能量桩模型试验中透明黏土的制配方法、应用和试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了能量桩模型试验中透明黏土的制配方法、应用和试验装置，利用Carbopol Ultrez 10聚合物和作为透明黏土散斑场的纳米材料制配透明黏土，并与透明砂土分层填筑在透明模型槽内形成试验土层，以透明模型槽为圆心设置若干个CCD相机，CCD相机与计算机相连并将CCD相机拍摄的图像传送至计算机进行图像处理与分析，用于探究能量桩在冷热循环和桩顶荷载作用下土体的扰动、能量桩承载力的变化及桩周土体温度的变化规律。本发明提供的能量桩模型试验中透明黏土的制配方法、应用和试验装置，有效解决无法可视化研究软黏土中能量桩‑土传热机理及荷载传递机理的问题，操作简单，经济可行，试验效果明显，应用前景广阔。

Description

能量桩模型试验中透明黏土的制配方法、应用和试验装置

技术领域

本发明涉及岩土工程模型试验技术领域，具体涉及能量桩模型试验中透明黏土的制配方法、应用和试验装置。

背景技术

地源热泵技术是一种有效利用地下可再生能源的新技术，对国家节能减排战略具有重要意义。地热能源作为一种清洁、可持续发展的新能源，具有储量大、无污染和无碳排放的优点，值得大力开发与利用。近年来，工程技术人员创新性地将传统桩基础与地源热泵传热管埋设结合在一起形成能量桩，该新型结构形式兼具支撑上部荷载和浅层地热能传热器双重功能。工程中使用能量桩不仅减少建筑物周围钻孔的数量，节约建筑用地，还可以缩短工期，降低成本，提高施工效率并避免后期扩建工程对地下换热器造成损坏。由于岩土体都是不可见物质，传统的岩土体内部变形和应力等测量方法是在岩土体内部埋设离散的一系列传感器，但是该方法不仅扰动了岩土体本身内部特性且往往由于测试元器件精度问题造成误差，因此，寻求可视化研究岩土体内部变形及渗透等规律与机理的试验方法对岩土工程学科具有重要意义。基于人工合成透明土材料和数字图像处理技术的可视化模型试验技术可以实现土体内部变形的可视化，操作简便，费用低廉，可以广泛应用于堤防和挡土墙、隧道变形、沉桩等岩土工程方面的模型试验中，对于探索岩土工程问题本质具有极其重要的意义。而应用的前提是获得与天然土体性质相似的人工合成透明土，且该透明土应具备相对较高的透明度。

在本发明之前，文献1《能量桩换热管不同埋设方式储热模拟研究》（赵嵩颖，等.建筑节能，2012，40(11): 66-67，74.）、文献2《地源热泵桩基与钻孔埋管换热器换热性能比较》（桂树强，等. 土木建筑与环境工程，2013，35(3): 151-156.）基于数值模拟软件，分析了能量桩桩-土之间能量传递规律。该方法可以揭示桩基温度变化情况下，桩周土体温度场的变化规律，但是基于数值模拟软件的分析方法往往由于受限于土体参数及材料本构模型的选择、桩-土接触面形式的设置以及数值模型准确性与可靠性验证等因素而无法真实可靠地分析温度变化对桩基承载力的影响规律。中国发明专利：“能量桩-土荷载、温度传递机理模型试验装置和试验方法”（专利号：ZL201410177624.0），提出了一种包括透明模型槽、透明砂土、能量桩、光纤光栅、土压力盒、激光源和数码相机的试验装置和试验方法，配制的透明土与天然砂土性质较为相似，用于探索能量桩-土传热机理及荷载传递机理，操作简便，可重复性强。中国发明专利申请：“一种人工合成透明土材料的制配方法”（申请号：201410178910.9），提出利用烘烤石英砂颗粒和具有相同折射率的无色孔隙液体（正12烷与15号白油的混合液）制配一种更易于实现且价格低廉、无毒害的人工合成透明砂土，该方法制配的透明砂土有良好的透明效果，可有效地用于模型试验，实现土体内部变形的非嵌入式可视化观测。但以上试验装置或方法均只能模拟能量桩在单层天然砂土中的能量桩-土传热机理及荷载传递机理，而能量桩作为桩基础，常用于加固软土地基，所以无法真实、可靠地分析能量桩-土传热机理及荷载传递机理。因此，寻找能模拟天然黏土基本特性的新型透明黏土具有非常重要的意义，且天然土体通常为多层土体结构，故对多层土体结构的能量桩研究更加符合现实工程土体情况。在部分研究成果中，也提出采用无定形二氧化硅、LAPONITE RD以及Gelita材料等制配人工合成透明土，模拟天然黏土的物理力学特性，但是，这些材料的物理力学特性与天然黏土特性差异较大，且制配工艺复杂、成本相对较高。

发明内容

为解决现有技术中存在的无法真实、可靠地分析能量桩-土传热机理及荷载传递机理的问题，本发明提供一种能量桩模型试验中透明黏土的制配方法、应用和试验装置。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

能量桩模型试验中透明黏土的制配方法，包括以下步骤：

步骤一：确定所需透明黏土的浓度，根据透明黏土的浓度计算Carbopol Ultrez 10 聚合物与NaOH固体的质量、分别用于溶解Carbopol Ultrez 10 聚合物与NaOH固体的蒸馏水质量及纳米材料的质量；

步骤二：将按步骤一称量的用于溶解Carbopol Ultrez 10 聚合物的蒸馏水倒入密封桶，并将其加热至50-70℃，恒温静置3-4 h；

步骤三：将按步骤一称量的Carbopol Ultrez 10 聚合物加入步骤二得到的密封桶内，在常温下密封静置8-10 h；

步骤四：对步骤三得到的密封桶内的溶液搅拌30-40 min，搅拌完成后在常温下密封静置8-10 h；

步骤五：将按步骤一称量的NaOH固体和用于溶解NaOH固体的蒸馏水制配NaOH溶液并倒入步骤四得到的密封桶内，搅拌10-15 min；

步骤六：将按步骤一称量的纳米材料加入步骤五得到的密封桶内并对其进行搅拌和去除气泡，制得透明黏土。

进一步的，所述纳米材料的粒径为20-30 nm，纯度为98%，所述纳米材料为碳纳米管、碳化硅、纳米硅粉、纳米氧化铝、纳米氧化钙中的一种或多种的组合。

进一步的，所述密封桶内设有温度传感器和加热器，温度传感器为引线热电阻式传感器，加热器为悬浮加热器，所述步骤二中采用恒温箱进行恒温保温，恒温箱为可程式恒温恒湿试验机，所述步骤四采用功率搅拌器进行搅拌，功率搅拌器为电动机械搅拌机，所述步骤五采用搅拌器，搅拌器为手持式搅拌器，所述步骤六采用螺旋搅拌器搅拌并采用真空泵去除气泡。

进一步的，所述制配好的透明黏土与透明砂土分层填筑在预制好的透明模型槽内，透明砂土放置于透明模型槽底部，形成持力层，透明砂土中埋设土压力盒，透明黏土放置于透明砂土上方，形成上部为黏土层、下部为砂土层的试验土层，将预制好的能量桩压入持力层内，能量桩桩底与土压力盒相接，能量桩内插入传热管，传热管与冷热循环机构相连，能量桩桩顶设有加载板，能量桩桩侧埋设光纤光栅，透明模型槽正上方移动式安装激光器，以透明模型槽为圆心设置若干个与计算机相连的CCD相机，每个CCD相机镜头所在平面平行于透明模型槽对应角度的外立面；

随后调整若干个CCD相机的视场，使其涵括整个试验画面，根据试验要求分别对能量桩进行冷热循环和桩顶加载，调整激光器的激光入射方向使其打入试验土层，形成散斑场，利用CCD相机进行拍照并将其拍摄的桩周土体散斑场和透明度的变化情况传送至计算机，同时记录光纤光栅的变形读数和温度读数及土压力盒的读数，重复上述过程直至结束，通过计算机进行图像处理与结果分析。

进一步的，所述透明砂土为在22-24℃温度下将正十二烷和十五号白油按1：4质量比的混合液与熔融石英砂颗粒混合制得。

进一步的，所述透明模型槽为顶部开口、底部封闭的长方体，采用有机玻璃制备而成，所述能量桩为圆柱体、长方体、楔形桩体中的任一种。

进一步的，所述冷热循环机构包括冷热循环水槽、恒温水、水泵和温度计，传热管一端伸入能量桩内，传热管另一端通过水泵与冷热循环水槽相连，冷热循环水槽内盛有恒温水，恒温水在传热管与冷热循环水槽之间循环流动。

进一步的，以所述透明模型槽为圆心设置三个CCD相机，透明模型槽与每个CCD相机相距200-800 mm，相邻的两个CCD相机与圆心连线之间的夹角分别为30°、60°和270°。

进一步的，所述透明模型槽通过螺栓固定于光学平台上，所述激光器通过固定支架安装于透明模型槽正上方，固定支架底座通过螺栓固定于光学平台上，固定支架底座上设有用于安装激光器的竖向主杆和支撑杆，竖向主杆与支撑杆相垂直，竖向主杆上设置用于调节支撑杆高度的旋钮。

进一步的，所述透明模型槽高度大于能量桩桩长，透明模型槽内由上至下分层填筑制配好的透明黏土和透明砂土，能量桩桩顶设有加载板，透明模型槽正上方移动式安装激光器，以透明模型槽为圆心设置若干个与计算机相连的CCD相机，CCD相机镜头所在平面平行于透明模型槽对应角度的外立面，用于涵括整个试验画面。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明公开了一种能量桩模型试验中透明黏土的制配方法、应用和试验装置，能量桩-模型试验装置包括透明模型槽、真空泵、能量桩、传热管、冷热循环水槽、恒温水、水泵、温度计、光纤光栅、土压力盒、加载板、激光器、固定支架、CCD相机和计算机，利用CarbopolUltrez 10聚合物和作为透明黏土散斑场的纳米材料制配新型透明黏土，并与透明砂土分层填筑在透明模型槽内形成试验土层，以透明模型槽为圆心设置若干个不同镜头角度的CCD相机，CCD相机与计算机相连并将CCD相机拍摄的图像传送至计算机进行图像处理与分析。本发明公开的能量桩模型试验中透明黏土的制配方法、应用和试验装置，从不同角度观测同一温度下加载过程中桩周土体扰动，得到加载过程中桩周土体内部的三维位移场，实现同一温度下加载过程中土体扰动的可视化，通过光纤光栅及土压力盒的读数观测在冷热循环作用和桩顶加载作用下能量桩承载力的变化，通过对土体切面照片像素强度分析，可以量化温度变化与像素强度变化之间的关系，不同镜头角度的CCD相机对同一荷载下能量桩温度变化的桩周土体进行拍照，对温度变化分析进行三维重建，获得能量桩桩周土体的三维温度场，得到桩周土体的温度变化规律，有效解决无法可视化研究软黏土中能量桩-土传热机理及荷载传递机理的问题，且新型透明黏土的配制过程简单、便捷，经济可行，试验操作简单，效果明显，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明透明黏土制配装置的结构示意图；

图2是本发明能量桩模型试验装置的结构示意图；

图3是本发明能量桩模型试验装置的俯视图；

其中：1-密封桶；2-温度传感器；3-加热器；4-恒温箱；5-功率搅拌器；6-搅拌器；7-透明黏土；8-纳米材料；9-螺旋搅拌器；10-透明砂土；11-透明模型槽；12-真空泵；13-能量桩；14-传热管；15-冷热循环水槽；16-恒温水；17-水泵；18-温度计；19-光纤光栅；20-土压力盒；21-加载板；22-激光器；23-固定支架；24-CCD相机；25-计算机。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作更进一步的说明。

名词解释：

Carbopol Ultrez 10聚合物，中文名为卡波树脂，是一种交联聚丙烯酸聚合物，常温下处于粉末状态；

透明黏土的浓度为30 L溶液中所含Carbopol Ultrez 10 聚合物的质量。

如图1所示，能量桩-土荷载模型试验中透明黏土的制配装置包括密封桶1、温度传感器2、加热器3、恒温箱4、功率搅拌器5、搅拌器6和螺旋搅拌器9。

能量桩-土荷载模型试验中透明黏土的制配方法，包括以下步骤：

步骤一：确定所需透明黏土的浓度，根据透明黏土的浓度计算Carbopol Ultrez 10 聚合物与NaOH固体的质量、分别用于溶解Carbopol Ultrez 10 聚合物与NaOH固体的蒸馏水质量及纳米材料8的质量，其中Carbopol Ultrez 10 聚合物的质量通过公式一获得，NaOH固体的质量通过公式二获得：

m_{Carbopol Ultrez 10}=ρ_水*V_水* C_{透明黏土浓度} 公式一

m_NaOH=0.415*m_{Carbopol Ultrez 10} 公式二

步骤二：选择容积10-50 L的密封桶1，洗净干燥，将按步骤一称量的用于溶解CarbopolUltrez 10 聚合物的蒸馏水倒入密封桶1，密封桶1内安装有用于监测水温的温度传感器2和加热器3，利用加热器3将蒸馏水加热至50-70℃，在恒温箱4中恒温静置3-4 h；

步骤三：佩戴防雾口罩、橡胶手套和护目镜，以防止细颗粒材料对人体健康的影响，将按步骤一称量的Carbopol Ultrez 10 聚合物加入步骤二的密封桶1中，在常温状态下密封静置8-10 h；

步骤四：采用功率搅拌器5对步骤三得到的密封桶1内的溶液搅拌30-40 min，搅拌完成后在常温状态下密封静置8-10 h；

步骤五：将按步骤一称量的NaOH固体和用于溶解NaOH固体的蒸馏水制配NaOH溶液并倒入步骤四得到的密封桶1内并采用搅拌器6搅拌10-15 min；

步骤六：将按步骤一称量的作为透明黏土7的散斑场的纳米材料8加入步骤五得到的密封桶1内并并通过螺旋搅拌器9进行均匀搅拌，通过真空泵12去除透明黏土7与纳米材料8之间的气泡，完成透明黏土7的制配，备用。

Carbopol Ultrez 10聚合物的粒径为纳米级，NaOH固体为固体粉末，纯度等级为分析纯（AR），温度传感器2为引线热电阻式传感器，探头直径为4-5 mm，长度为30-40 mm，引线长度为1-2 m，测量范围为-50-200℃，测量精度为±0.3℃，加热器3为悬浮加热器，功率3kW，恒温箱4为大型可程式恒温恒湿试验机，包括内箱和外箱，内箱尺寸为宽400 mm，高500mm，深400 mm，外箱尺寸为宽970 mm，高1360 mm，深度970 mm，其可控温度为-20-150℃，湿度可保证在20-98%，温控精度温度±0.2℃，湿度精度为±2.5%，功率搅拌器5为实验室电动机械搅拌机，功率300-400 W，转速范围为0-2000 r/min，使用常规220 V的交流市电，搅拌器6为手持式搅拌器，功率1.5-2 kW，转速最高可达800 r/min，有3-4个固定转速档位，使用常规220 V的交流市电，纳米材料8为碳纳米管、碳化硅、纳米硅粉、纳米氧化铝、纳米氧化钙中的一种或多种的组合，粒径为20-30 nm，纯度为98%，真空泵12的功率为320 W，一级真空度为-0.089 MPa。

如图2所示，能量桩-土荷载模型试验装置包括光学平台、透明模型槽11、能量桩13、传热管14、冷热循环机构、光纤光栅19、土压力盒20、加载板21、激光器22、固定支架23、CCD相机24和计算机25，计算机25控制CCD相机24拍照，图3为能量桩-土荷载模型试验装置的俯视图。透明模型槽11采用有机玻璃制成，透明模型槽11为顶部开口、底部封闭的空心长方体，透明模型槽11的高度大于能量桩13桩长，透明模型槽11通过螺栓固定于光学平台上，光学平台上设有若干个螺孔，能量桩13为空心，桩顶开口、桩底封闭，能量桩13内插入传热管14，传热管14与冷热循环机构联接，冷热循环机构包括冷热循环水槽15、恒温水16、水泵17和温度计18，水泵17用于控制恒温水16流入或流出冷热循环水槽15，恒温水16在传热管14与冷热循环水槽15之间循环流动，加载板21的直径为40-60 mm，加载板21的厚度为5 mm，激光器22为半导体片光源，可提供0-3 W内的任一稳定功率，固定支架23底座通过螺栓固定于光学平台上，固定支架23底座上设有用于安装激光器22的竖向主杆和支撑杆，竖向主杆与支撑杆相垂直，竖向主杆上设置用于调节支撑杆高度以改变激光器22视场的旋钮，CCD相机24的分辨率为50-1000 W，帧数为15，帧曝光，曝光时间为100 µs-30 s，计算机25的图像处理软件为PIV软件，用于处理冷热循环和加载过程中CCD相机24拍摄的一系列散斑场图片，得到土体内部的三维位移场。

本发明不限定能量桩13的形状，能量桩13为圆柱体、长方体、楔形桩体中的任一种，桩长为250-300 mm，能量桩13为圆柱体时，桩体直径为40-60 mm，能量桩13为横截面为正方形的长方体时，桩宽和桩高相等且均为40-60mm，能量桩13为楔形桩体时，桩体顶面直径为40-60mm，底面直径为20-40mm，能量桩13桩顶尺寸大小与加载板21相适配。

能量桩-土荷载模型试验中透明黏土的应用，包括以下步骤：

制配透明砂土：在22-24°C温度下，将正十二烷和十五号白油按一定质量比混合而成的溶液与熔融石英砂颗粒混匀，制配透明砂土10，然后将制配的高度为30-80mm的透明砂土10放置于透明模型槽11底部作为能量桩13的持力层；

制配试验土层：取制配好的透明黏土7放入透明模型槽11内，覆盖在透明砂土10上方，透明黏土7与透明砂土10分层填筑在透明模型槽11内，利用真空泵12去除透明黏土7与透明砂土10内的气泡，形成上部为黏土层、下部为砂土层的试验土层结构，并将透明模型槽11通过螺栓固定在光学平台上；

沉桩：调整能量桩13的位置，将预制好的能量桩13静压入持力层，能量桩13桩侧埋设有用于测量能量桩13桩体轴力变形和温度变化的光纤光栅19，能量桩13桩底埋设有用于测量能量桩13桩底应力的土压力盒20，土压力盒20埋设在透明砂土10中，传热管14一端插入能量桩13，传热管14另一端通过水泵17连接冷热循环水槽15，冷热循环水槽15内盛有恒温水16；

根据透明模型槽11的位置确定加载板21、激光器22、CCD相机24的相对位置：加载板21固定于能量桩13顶部，激光器22通过固定支架23可移动式安装于透明模型槽11的正上方，以透明模型槽11为圆心设置若干个不同镜头角度的CCD相机24，透明模型槽11与每个CCD相机24相距200-800 mm，每个CCD相机24镜头所在平面平行于透明模型槽11对应角度的外立面，CCD相机24与计算机25相连并将CCD相机24拍摄的图像传送至计算机25，计算机25控制CCD相机24拍照；

试验准备：打开激光器22，待功率稳定后，调整激光切面的角度，使其垂直打入试验土层，形成散斑场，通过调整CCD相机24的焦距和/或CCD相机24与透明模型槽11的间距等方式调整CCD相机24的视场，使其涵括整个试验画面；

冷热循环和加载过程：分别对能量桩13进行冷热循环和桩顶加载，激光器22的激光打入试验土层，形成散斑场，改变激光器22的激光不同角度入射方向使其打入试验土层，利用该方向切面对应的若干个不同镜头角度的CCD相机24进行拍照并将CCD相机24记录的桩周土体散斑场和透明度的变化情况传送至计算机25，并记录光纤光栅19的变形读数和温度读数以及土压力盒20的读数，重复上述过程直至结束；

图像处理与结果分析：通过计算机25内的图像处理软件对CCD相机24拍摄的图像序列进行分析，从不同角度观测同一温度下加载过程中土体扰动，得到加载过程中土体内部的三维位移场，实现同一温度下加载过程中土体扰动的可视化；通过光纤光栅19及土压力盒20的读数观测在温度冷热循环作用和桩顶加载作用下能量桩13承载力的变化；通过对土体切面照片像素强度分析，可以量化温度变化与像素强度变化之间的关系，不同镜头角度的CCD相机24对同一荷载下能量桩13温度变化的桩周土体进行拍照，对温度变化分析进行三维重建，获得能量桩13桩周土体的三维温度场，得到桩周土体的温度变化规律。

实施例1

如图1-2所示，能量桩-土荷载模型试验中透明黏土的制配装置及能量桩-土荷载模型试验装置包括光学平台、密封桶1、温度传感器2、加热器3、恒温箱4、功率搅拌器5、搅拌器6、螺旋搅拌器9、透明模型槽11、真空泵12、能量桩13、冷热循环机构、光纤光栅19、土压力盒20、加载板21、激光器22、固定支架23、CCD相机24和计算机25，计算机25控制CCD相机24拍照，冷热循环机构包括冷热循环水槽15、恒温水16、水泵17和温度计18，透明模型槽11采用厚度为8 mm的有机玻璃制成，透明模型槽11为顶部开口、底部封闭的空心长方体，厚度为8mm，长宽均为150 mm，高度为300 mm，光学平台的长度为2000 mm，宽为1500 mm，高为800mm，台面厚度为300 mm，桌腿截面为200*200 mm，光学平台上设有用于固定试验仪器的螺孔，能量桩13为桩顶开口、桩底封闭的空心圆柱体，桩长为250 mm，桩体直径为50 mm，加载板21的直径为50 mm，厚度为5 mm。

浓度为0.25%的透明黏土制配方法，具体实施步骤包括：

步骤一：所需透明黏土7的浓度为0.25%，根据透明黏土7的浓度计算用于溶解CarbopolUltrez 10 聚合物的蒸馏水体积为29.4 L，Carbopol Ultrez 10 聚合物的质量为75 g，NaOH固体的质量为31.1 g，用于溶解NaOH固体的蒸馏水体积为500 L，纳米材料8的质量为30 g，其中Carbopol Ultrez 10 聚合物的质量通过公式一获得，NaOH固体的质量通过公式二获得：

m_{Carbopol Ultrez 10}=ρ_水*V_水* C_{透明黏土浓度} 公式一

m_NaOH=0.415*m_{Carbopol Ultrez 10} 公式二

步骤二：选取容量为30L的密封桶1，洗净干燥，用量筒称取29.4 L用于溶解CarbopolUltrez 10 聚合物的蒸馏水并加入密封桶1内，蒸馏水中放置用于实时监测蒸馏水温度的温度传感器2和加热器3，采用加热器3将蒸馏水加热至60℃，并在恒温箱4静置3 h；

步骤三：佩戴防雾口罩、橡胶手套和护目镜，以防止细颗粒材料对人体健康的影响，使用电子天平称量75 g Carbopol Ultrez 10聚合物并加入步骤一得到的密封桶1中，在常温状态下将密封桶1密封静置8h；

步骤四：采用功率搅拌器5对步骤三得到的密封桶1内的溶液搅拌30 min，搅拌完成后在常温状态下密封静置10 h；

步骤五：1 L蒸馏水最多溶解200 g NaOH固体，使用电子天平称量31.1 g NaOH固体并加入盛有500 mL蒸馏水的烧杯中使其充分溶解，并倒入步骤四得到的密封桶1中，采用搅拌器6对步骤五得到的密封桶1内的溶液快速搅拌10 min；

步骤六：使用电子天平称量30g碳纳米管8并加入步骤五的密封桶1内，碳纳米管8作为透明黏土7的散斑场，通过螺旋搅拌器9进行均匀搅拌，通过真空泵12去除该混合物内的气泡，完成透明黏土7的制配，备用。

能量桩-土荷载模型试验中透明黏土的应用，具体实施步骤包括：

首先将透明模型槽11通过螺栓固定在光学平台上，将正十二烷和十五号白油在24℃温度下按1：4质量比混合而成的溶液与烘烤石英砂颗粒混匀，制配透明砂土10，然后将高30mm的透明砂土10进行固结并放置于透明模型槽11底部作为持力层，取高度为270 mm的透明黏土7放入透明模型槽11内，覆盖在透明砂土10上方，再利用真空泵12去除透明黏土7及透明砂土10内的气泡，形成上部为黏土层、下部为砂土层的试验土层，随后将预制好的能量桩13静压入持力层，调整能量桩13的位置，能量桩13桩侧埋设有用于测量能量桩13桩体轴力变形和温度变化的光纤光栅19，能量桩13桩底埋设有用于测量能量桩13桩底应力的土压力盒20， 土压力盒20埋设在透明砂土10中，传热管14一端插入能量桩13，传热管14另一端通过水泵17连接冷热循环水槽15，冷热循环水槽15内盛有恒温水16，水泵17用于控制恒温水16流入或流出冷热循环水槽15，恒温水16在传热管14与冷热循环水槽15之间循环流动。

根据透明模型槽11的位置确定加载板21、激光器22和CCD相机24的位置：能量桩13顶部设置有加载板21，激光器22通过固定支架23可移动式安装于透明模型槽11的正上方，固定支架23底座通过螺栓固定于光学平台上，固定支架23底座上设有用于安装激光器22的竖向主杆和支撑杆，竖向主杆与支撑杆相垂直，竖向主杆上设置用于调节支撑杆高度以改变激光器22视场的旋钮。

图3为能量桩-土荷载模型试验装置的俯视图，以透明模型槽11为圆心设置三个CCD相机24，对应激光器22的不同激光切面方向，透明模型槽11与每个CCD相机24之间的初始相距为200 mm，相邻的两个CCD相机24与圆心连线之间的夹角分别为30°、60°和270°，其中α角为90°，β角为30°，每个CCD相机24镜头所在平面平行于透明模型槽11对应角度的外立面，三个CCD相机24均与计算机25相连接，并由计算机25控制拍摄。

试验准备阶段中，先打开激光器22，待其功率稳定至2.5 W后，调整激光切面的角度，使其垂直打入试验土层中，形成散斑场，通过调整CCD相机24的焦距和/或CCD相机24与透明模型槽11之间的距离等调整CCD相机24的视场，使其涵括整个试验画面，待试验校对完成后，分别对能量桩13进行冷热循环和桩顶加载试验，在每级温度变化或应力加载稳定期间，利用激光器22的激光切面打入试验土层，形成散斑场，改变激光器22的激光不同角度入射方向使其打入试验土层，并用该方向切面对应的三个CCD相机24进行拍照，记录能量桩13桩周土体的散斑场和透明度变化情况并传送至计算机25，并记录桩侧光纤光栅19的变形读数和温度读数以及土压力盒20的读数，重复上述过程直至结束。

最后通过计算机25的图像处理软件对获得的散斑场和透明度图像序列进行分析，从不同角度观测同一温度下加载过程中土体扰动，得到加载过程中土体内部的三维位移场，实现同一温度下加载过程中土体扰动的可视化；通过光纤光栅19及土压力盒20的读数观测冷热循环作用和桩顶加载作用下能量桩13承载力的变化；通过对土体切面照片像素强度分析，可以量化温度变化与像素强度变化之间的关系，三个不同镜头角度的CCD相机24对同一荷载下能量桩13温度变化的桩周土体进行拍照，对温度变化分析进行三维重建，获得能量桩13桩周土体的三维温度场，得到桩周土体的温度变化规律。

在实验操作过程中需要佩戴防雾口罩、橡胶手套和护目镜，用于保护人身安全，NaOH固体的纯度等级为98%以上，分析纯，温度传感器2为引线热电阻式，探头直径为4 mm，长度为30 mm，引线长度为1 m，测量精度为±0.3℃，加热器3为悬浮加热器，功率3 kW，恒温箱4为大型可程式恒温恒湿试验机，包括内箱和外箱，内箱尺寸为宽400 mm，高500 mm，深400 mm，外箱尺寸为宽970 mm，高1360 mm，深度970 mm，其可控温度为-20-150℃，湿度可保证在20-98%，温控精度温度±0.2℃，湿度精度为±2.5%，功率搅拌器5为实验室电动机械搅拌机，功率300 W，转速设置为500 r/min，使用220 V，50 Hz的交流市电，搅拌器6为手持式搅拌器，功率为2000 W，转速设置为800 r/min，有三个用于切换转速的转速档位，使用常规220 V的交流市电，真空泵12的功率320 W，一级真空度为-0.089 mpa，通过一次或多次抽真空的方式用以去除夹杂的气泡，纳米材料8为碳纳米管，粒径为20-30 nm，纯度为98%，激光器22为半导体片光源，稳定功率为2.5W，CCD相机24的曝光时间为100 µs，帧数为15，帧曝光，计算机25通过PIV图像处理软件处理CCD相机24拍摄的桩周土体图片。

实施例2

如图1-2所示，能量桩-土荷载模型试验中透明黏土的制配装置及能量桩-土荷载模型试验装置包括光学平台、密封桶1、温度传感器2、加热器3、恒温箱4、功率搅拌器5、搅拌器6、螺旋搅拌器9、透明模型槽11、真空泵12、能量桩13、冷热循环机构、光纤光栅19、土压力盒20、加载板21、激光器22、固定支架23、CCD相机24和计算机25，冷热循环机构包括冷热循环水槽15、恒温水16、水泵17和温度计18，图3为能量桩-土荷载模型试验装置的俯视图，以透明模型槽11为圆心设置三个CCD相机24，对应激光器22的不同激光切面方向，透明模型槽11与每个CCD相机24之间的初始间距为800 mm，相邻的两个CCD相机24与圆心连线之间的夹角分别为30°、60°和270°，其中α角为90°，β角为30°，每个CCD相机24镜头所在平面平行于透明模型槽11对应角度的外立面，三个CCD相机24均与计算机25相连接，并由计算机25控制拍摄。

透明模型槽11采用厚度为8 mm的有机玻璃制成，长宽均为150 mm，高为300 mm，透明模型槽11为顶部开口、底部封闭的空心长方体，光学平台的长度为2000 mm，宽为1500mm，高为800 mm，台面厚度为300 mm，桌腿截面为200*200 mm，光学平台上设有用于固定试验仪器的螺孔，能量桩13为桩顶开口、桩底封闭的空心长方体，横截面为正方形，桩长为250mm，桩宽和桩高均为40 mm，加载板21的直径为40 mm，厚度为5 mm。

浓度为0.75%的透明黏土制配方法，具体实施步骤包括：

步骤一：所需透明黏土7的浓度为0.75%，根据透明黏土7的浓度计算用于溶解CarbopolUltrez 10 聚合物的蒸馏水体积为29 L，Carbopol Ultrez 10 聚合物的质量为225 g，NaOH固体的质量为93.29 g，用于溶解NaOH固体的蒸馏水体积为700 L，纳米材料8的质量为30 g，其中Carbopol Ultrez 10 聚合物的质量通过公式一获得，NaOH固体的质量通过公式二获得：

m_{Carbopol Ultrez 10}=ρ_水*V_水* C_{透明黏土浓度} 公式一

m_NaOH=0.415*m_{Carbopol Ultrez 10} 公式二

步骤二：选取容量为30L的密封桶1，洗净干燥，用量筒称取29 L蒸馏水，并加入密封桶1内，蒸馏水中放置用于实时监测蒸馏水温度的温度传感器2和加热器3，采用加热器3将蒸馏水加热至60℃，并在恒温箱4静置3 h；

步骤三：佩戴防雾口罩、橡胶手套和护目镜，以防止细颗粒材料对人体健康的影响，使用电子天平称量225 g Carbopol Ultrez 10聚合物并加入步骤一得到的密封桶1中，在常温状态下将密封桶1密封静置8 h；

步骤四：采用功率搅拌器5对步骤三得到的密封桶1内的溶液搅拌30 min，搅拌完成后在常温状态下密封静置10 h；

步骤五：1 L蒸馏水最多溶解200 g NaOH固体，使用电子天平称量93.29g NaOH固体并加入盛有700 mL蒸馏水的烧杯中使其充分溶解，并倒入步骤四的密封桶1中，采用搅拌器6对步骤五得到的密封桶1内的溶液快速搅拌15 min，达到较高的粘稠度；

步骤六：使用电子天平称量30g碳纳米管8并加入步骤五的密封桶1内，碳纳米管8作为透明黏土7的散斑场，通过螺旋搅拌器9进行快速搅拌，通过真空泵12去除该混合物内的气泡，完成透明黏土7的制配，备用。

能量桩-土荷载模型试验中透明黏土的应用，包括以下步骤：将透明模型槽11通过螺栓固定在光学平台上，将正十二烷和十五号白油在24℃温度下按1：4质量比混合而成的溶液与烘烤石英砂颗粒混匀，制配透明砂土10，然后将高30 mm的透明砂土10进行固结并放置于透明模型槽11底部作为持力层，取高度为270 mm的透明黏土7放入透明模型槽11内，覆盖在透明砂土10上方，再利用真空泵12去除透明黏土7及透明砂土10内的气泡，形成上部为黏土层、下部为砂土层的试验土层。

余同实施例1。

在实验操作过程中需要佩戴防雾口罩、橡胶手套和护目镜，用于保护人身安全，NaOH固体的纯度等级为98%以上，分析纯，温度传感器2为引线热电阻式，探头直径为4 mm，长度为30 mm，引线长度为1 m，测量精度为±0.3℃，加热器3为悬浮加热器，功率3 kW，恒温箱4为大型可程式恒温恒湿试验机，包括内箱和外箱，内箱尺寸为宽400 mm，高500 mm，深400 mm，外箱尺寸为宽970 mm，高1360 mm，深度970 mm，其可控温度为-20-150℃，湿度可保证在20-98%，温控精度温度±0.2℃，湿度精度为±2.5%，功率搅拌器5为实验室电动机械搅拌机，功率300 W，转速设置为500 r/min，使用220 V、50 Hz的交流市电，搅拌器6为手持式搅拌器，功率为2000 W，转速设置为800 r/min，有四个转速档位，用于切换不同转速，使用常规220 V的交流市电，真空泵12的功率320 W，一级真空度为-0.089 mpa，纳米材料8为碳纳米管，粒径为20-30 nm，纯度为98%，激光器22为半导体片光源，稳定功率为2.5W，CCD相机24的曝光时间为100 µs，帧数为15，帧曝光，计算机25通过PIV图像处理软件处理CCD相机24拍摄的桩周土体图片。

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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.能量桩模型试验中透明黏土的制配方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：确定所需透明黏土（7）的浓度，根据透明黏土（7）的浓度计算Carbopol Ultrez10 聚合物与NaOH固体的质量、分别用于溶解Carbopol Ultrez 10 聚合物与NaOH固体的蒸馏水质量及纳米材料（8）的质量；

步骤二：将按步骤一称量的用于溶解Carbopol Ultrez 10 聚合物的蒸馏水倒入密封桶（1），并将其加热至50-70℃，恒温静置3-4 h；

步骤三：将按步骤一称量的Carbopol Ultrez 10 聚合物加入步骤二得到的密封桶（1）内，在常温下密封静置8-10 h；

步骤四：对步骤三得到的密封桶（1）内的溶液搅拌30-40 min，搅拌完成后在常温下密封静置8-10 h；

步骤五：将按步骤一称量的NaOH固体和用于溶解NaOH固体的蒸馏水制配NaOH溶液并倒入步骤四得到的密封桶（1）内，搅拌10-15 min；

步骤六：将按步骤一称量的纳米材料（8）加入步骤五得到的密封桶（1）内并对其进行搅拌和去除气泡，制得透明黏土（7）。

2.根据权利要求1所述的能量桩模型试验中透明黏土的制配方法，其特征在于，所述纳米材料（8）的粒径为20-30 nm，纯度为98%，所述纳米材料（8）为碳纳米管、碳化硅、纳米硅粉、纳米氧化铝、纳米氧化钙中的一种或多种的组合。

3.根据权利要求1所述的能量桩模型试验中透明黏土的制配方法，其特征在于，所述密封桶（1）内设有温度传感器（2）和加热器（3），温度传感器（2）为引线热电阻式传感器，加热器（3）为悬浮加热器，所述步骤二中采用恒温箱（4）进行恒温保温，恒温箱（4）为可程式恒温恒湿试验机，所述步骤四采用功率搅拌器（5）进行搅拌，功率搅拌器（5）为电动机械搅拌机，所述步骤五采用搅拌器（6），搅拌器（6）为手持式搅拌器，所述步骤六采用螺旋搅拌器（9）搅拌并采用真空泵（12）去除气泡。

4.根据权利要求1-3任一所述的方法制备的透明黏土在能量桩模型试验中的应用，其特征在于，所述制配好的透明黏土（7）与透明砂土（10）分层填筑在预制好的透明模型槽（11）内，透明砂土（10）放置于透明模型槽（11）底部，形成持力层，透明砂土（10）中埋设土压力盒（20），透明黏土（7）放置于透明砂土（10）上方，形成上部为黏土层、下部为砂土层的试验土层，将预制好的能量桩（13）压入持力层内，能量桩（13）桩底与土压力盒（20）相接，能量桩（13）内插入传热管（14），传热管（14）与冷热循环机构相连，能量桩（13）桩顶设有加载板（21），能量桩（13）桩侧埋设光纤光栅（19），透明模型槽（11）正上方移动式安装激光器（22），以透明模型槽（11）为圆心设置若干个与计算机（25）相连的CCD相机（24），每个CCD相机（24）镜头所在平面平行于透明模型槽（11）对应角度的外立面；

随后调整若干个CCD相机（24）的视场，使其涵括整个试验画面，根据试验要求分别对能量桩（13）进行冷热循环和桩顶加载，改变激光器（22）的激光入射方向使其打入试验土层，形成散斑场，并利用CCD相机（24）进行拍照并将其拍摄的桩周土体散斑场和透明度的变化情况传送至计算机（25），同时记录光纤光栅（19）的变形读数和温度读数及土压力盒（20）的读数，重复上述过程直至结束，通过计算机（25）进行图像处理与结果分析。

5.根据权利要求4所述的透明黏土在能量桩模型试验中的应用，其特征在于，所述透明砂土（10）为在22-24℃温度下将正十二烷和十五号白油按1：4质量比的混合液与熔融石英砂颗粒混合制得。

6.根据权利要求4所述的透明黏土在能量桩模型试验中的应用，其特征在于，所述透明模型槽（11）为顶部开口、底部封闭的长方体，采用有机玻璃制备而成，所述能量桩（13）为圆柱体、长方体、楔形桩体中的任一种。

7.根据权利要求4所述的透明黏土在能量桩模型试验中的应用，其特征在于，所述冷热循环机构包括冷热循环水槽（15）、恒温水（16）、水泵（17）和温度计（18），传热管（14）一端伸入能量桩（13）内，传热管（14）另一端通过水泵（17）与冷热循环水槽（15）相连，冷热循环水槽（15）内盛有恒温水（16），恒温水（16）在传热管（14）与冷热循环水槽（15）之间循环流动。

8.根据权利要求4所述的透明黏土在能量桩模型试验中的应用，其特征在于，以所述透明模型槽（11）为圆心设置三个CCD相机（24），透明模型槽（11）与每个CCD相机（24）相距200-800 mm，相邻的两个CCD相机（24）与圆心连线之间的夹角分别为30°、60°和270°。

9.根据权利要求4所述的透明黏土在能量桩模型试验中的应用，其特征在于，所述透明模型槽（11）通过螺栓固定于光学平台上，所述激光器（22）通过固定支架（23）安装于透明模型槽（11）正上方，固定支架（23）底座通过螺栓固定于光学平台上，固定支架（23）底座上设有用于安装激光器（22）的竖向主杆和支撑杆，竖向主杆与支撑杆相垂直，竖向主杆上设置用于调节支撑杆高度的旋钮。

10.能量桩模型试验装置，包括顶部开口、底部封闭的空心透明模型槽（11）和能量桩（13），透明模型槽（11）内埋设能量桩（13），能量桩（13）内插入传热管（14），传热管（14）与冷热循环机构相连，能量桩（13）桩侧埋设有用于测量能量桩（13）桩体轴力变形和温度变化的光纤光栅（19），能量桩（13）桩底与用于测量能量桩（13）桩底应力的土压力盒（20）相接，其特征在于，所述透明模型槽（11）高度大于能量桩（13）桩长，透明模型槽（11）内由上至下分层填筑制配好的透明黏土（7）和透明砂土（10），能量桩（13）桩顶设有加载板（21），透明模型槽（11）正上方移动式安装激光器（22），以透明模型槽（11）为圆心设置若干个与计算机（25）相连的CCD相机（24），CCD相机（24）镜头所在平面平行于透明模型槽（11）对应角度的外立面，用于涵括整个试验画面。