CN106884441B - 一种可视化敞口双壁模型管桩试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于建筑用试验设备技术领域，涉及一种可视化敞口双壁模型管桩试验装置，内管嵌套在外管内，内管的下部作为端头板，内管的上部通过弧形拐角与端头板连接，外管和内管之间形成内外管间隙，外管和内管的顶端通过顶板刚性连接，硅胶填充在外管和内管的底端空隙内，外管和内管的顶部两侧预留导线孔，外管和内管之间距离顶板400mm和800mm处沿圆周方向分别等距安装四个的球形结构的滑动垫块，滑动垫块放置在滑动垫块底部托板上，内外管间隙中安装有微型摄像头，光纤传感器安装在外管内壁和内管外壁上，电阻式微型土压力计安装在模型管桩桩体底部；其结构简单，操作方便，便于维护，成本低，试验结果直观精确。
Description
技术领域：
本发明属于建筑用试验设备技术领域，涉及一种可视化敞口双壁模型管桩试验装置。
背景技术：
管桩作为一种地基处理及桩基础形式因其承载能力高、稳定性好、挤土有限、对周边影响少、施工速度快等优点在道路工程、离岸工程和桥梁工程中得到越来越广泛的应用，并发挥着巨大的作用。当敞口管桩贯入地基或是海床时，一部分土体挤入桩孔内形成土塞。管桩的竖向抗压承载力不仅包含桩外侧摩阻力和管壁端阻，土塞的承载力亦是重要的组成部分。土塞的形成对桩外壁和桩侧土的荷载传递也会产生重要影响。因此，明确土塞的形成和荷载传递机理现已成为准确预估管桩承载性能的关键。
现有的管桩模型试验装置采用的大多为不透明单壁模型桩，不能分离桩壁内、外两侧的摩阻力，无法测得桩内侧摩阻力，不能准确评估土塞对桩体承载性能的影响，无法得知开口管桩真实的荷载传递过程，更不能直接观察沉桩过程中土塞形成的真实情况。土塞与管桩动力相互作用存在较大复杂性，现有研究大多选择忽视土塞对管桩承载性能的影响，或是选用尤为简化的方式来考虑土塞对管桩的作用，如将土塞对管桩的作用考虑为简单的分布式模型或动摩擦力，不能很好的揭示土塞对管桩承载性能的影响。因此，有必要开发和研制一种可视化敞口双壁模型管桩试验装置，开展新型室内模型试验研究，更加深入的研究沉桩过程中以及沉桩后土塞对管桩承载特性的影响规律。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，提供一种可视化敞口双壁模型管桩试验装置，采用该装置可直观观察沉桩过程中土塞的形成和变化情况，获取桩侧剪切带的分布特征，分离出桩壁内、外侧的侧摩阻力以及端承阻力，从而深入揭示土塞对管桩承载特性的影响规律。
为了实现上述目的，本发明的主体结构包括外管、内管、内外管间隙、导线孔、光纤传感器、微型摄像头、端头板、顶板、弧形拐角、激光位移测距传感器、投光线、电阻式微型土压力计、滑动垫块、滑动垫块底部托板、硅胶和固定支架；外管、内管、端头板、顶板、弧形拐角和硅胶组成透明双壁管桩桩体，内管嵌套在外管内，内管的下部作为端头板，内管的上部通过弧形拐角与端头板连接，外管和内管之间形成内外管间隙，外管和内管的顶端通过顶板刚性连接，硅胶填充在外管的底端和内管的底端之间留有的5mm空隙内，实现外管和内管的弹性连接，同时防止试验过程中饱和砂土中的水进入内外管间隙中；外管和内管的顶部两侧对称式预留直径30mm的导线孔，导线孔的圆心与顶板的距离为50mm，外管和内管之间距离顶板400mm和800mm处沿圆周方向分别等距安装四个的球形结构的滑动垫块，滑动垫块放置在滑动垫块底部托板上，导线孔的圆心与距其最近的滑动垫块的球心在同一水平面的投影与管桩轴心在此水平面的投影的连线成45度夹角；激光位移测距传感器用固定支架粘接在透明双壁管桩桩体的顶部，激光位移测距传感器发出的激光射线与透明双壁管桩桩体的轴线重合，激光位移测距传感器的绝缘电缆由透明双壁管桩桩体上部侧面处预留的导线孔导出；在“管桩-桩侧土”和“管桩-土塞”界面上的内外管间隙中分别安装有两个微型摄像头(其中“管桩-桩侧土”和“管桩-土塞”界面是指管桩与外侧的土和管桩与内侧土的接触面)，管桩-桩侧土”和“管桩-土塞”界面上的微型摄像头成60°交角，以获取两个界面处的三维数字图像，“管桩-桩侧土”的微型摄像镜头由上到下等距安装在整个透明双壁管桩桩体桩长范围内，“管桩-土塞”界面的微型摄像镜头等距安装在透明双壁管桩桩体下部约2/3处；每个微型摄像头的导线经内外管间隙引到透明双壁管桩桩体的桩顶位置处再经导线孔导出；内管外壁和外管内壁两侧均对称安装有光纤传感器，用于测量透明双壁管桩桩体外侧侧摩阻力和内侧侧摩阻力；外管内壁的光纤传感器由上到下等距安装在整个透明双壁管桩桩体桩长范围内，内管外壁的光纤传感器等距安装在透明双壁管桩桩体下部2/3处，每个光纤传感器的导线经内外管间隙引到透明双壁管桩桩体的桩顶位置处再经导线孔导出，电阻式微型土压力计安装在透明双壁管桩桩体底部，用以测量沉桩过程中以及沉桩后桩体的端承阻力；光纤传感器和电阻式微型土压力计的导线分别与外部的光纤光栅解调仪和3816采集箱相连后再分别连接电脑，实现试验过程中数据的实时采集；微型摄像头的导线与外部的另一台电脑相连，以便实时获取“管桩-桩侧土”和“管桩-土塞”两界面的三维数字图像。
本发明所述内管、外管、顶板和端头板采用钢化玻璃制成，透明双壁管桩桩体的总桩长为1230mm，外管全长1200mm，横截面外径×内径为160mm×146mm的圆环；内管全长1220mm，其上部和下部横截面为不等圆，上部长度为1205mm，横截面外径×内径为128mm×114mm，下部长度为15mm，横截面外径×内径为160mm×114mm，顶板为10mm厚的环形结构。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：一是桩体采用耐磨性好的特质钢化玻璃内、外双管套制而成，可实现内、外侧摩阻力和桩端阻力的分别测量，更加真实的揭示桩-土界面的荷载传递机制；二是采用高精度激光位移测距传感器，可反应土塞高度的实时变化；三是在透明内、外双管的间隙放置微型摄像头，可直观的获取“管桩-桩侧土”和“管桩-土塞”两个界面处的三维数字图像，进一步获得沉桩过程中和桩体贯入后施加不同荷载下，桩孔内土塞以及桩侧土土颗粒的位移、旋转、破碎情况和颗粒间的孔隙特征变化情况；四是透明双壁管桩由内管、外管、顶板组装而成，有利于传感器的安装和拆卸，如有个别传感器的损坏可随时拆除换新，能避免整根桩的更换，节省试验成本；其结构简单，操作方便，便于维护，成本低，试验结果直观精确。
附图说明
图1为本发明的主体结构原理示意图。
图2为本发明所述外管(a)、内管(b)和顶板连接结构示意图。
图3为本发明所述内管底部端头板横截面结构示意图。
图4为本发明所述激光位移测距传感器安装位置示意图。
图5为本发明所述电阻式微型土压力计安装位置示意图。
图6为本发明所述滑动垫块位置示意图。
图7为本发明所述光纤传感器安装位置示意图。
图8为本发明所述微型摄像头安装位置示意图，其中(a)为主视图，(b)为俯视图。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明。
实施例：
本实施例的主体结构包括外管1、内管2、内外管间隙3、导线孔4、光纤传感器5、微型摄像头6、端头板7、顶板8、弧形拐角9、激光位移测距传感器10、投光线11、电阻式微型土压力计12、滑动垫块13、滑动垫块底部托板14、硅胶15和固定支架16；外管1、内管2、端头板7、顶板8、弧形拐角9和硅胶15组成透明双壁管桩桩体，内管2嵌套在外管1内，内管2的下部作为端头板7，内管2的上部通过弧形拐角9与端头板7连接，外管1和内管2的顶端通过顶板8刚性连接，硅胶15填充在外管1的底端和内管2的底端之间留有的5mm空隙内，实现外管1和内管2的弹性连接，同时防止试验过程中饱和砂土中的水进入内外管间隙3中；外管1和内管2的顶部两侧对称式预留直径30mm的导线孔4，导线孔4的圆心与顶板8的距离为50mm，外管1和内管2之间距离顶板8400mm和800mm处沿圆周方向分别等距安装四个的球形结构的滑动垫块13，滑动垫块13放置在滑动垫块底部托板14上，导线孔4的圆心与距其最近的滑动垫块13的球心在同一水平面的投影与管桩轴心在此水平面的投影的连线成45度夹角；激光位移测距传感器10用固定支架16粘接在透明双壁管桩桩体的顶部，激光位移测距传感器10发出的激光射线与透明双壁管桩桩体的轴线重合，激光位移测距传感器10的绝缘电缆由透明双壁管桩桩体上部侧面处预留的导线孔4导出；在“管桩-桩侧土”和“管桩-土塞”界面上的内外管间隙3中分别安装有两个微型摄像头6(其中“管桩-桩侧土”和“管桩-土塞”界面是指管桩与外侧的土和管桩与内侧土的接触面)，管桩-桩侧土”和“管桩-土塞”界面上的微型摄像头6成60°交角，以获取两个界面处的三维数字图像，“管桩-桩侧土”的微型摄像镜头6由上到下等距安装在整个透明双壁管桩桩体桩长范围内，“管桩-土塞”界面的微型摄像镜头6等距安装在透明双壁管桩桩体下部约2/3处；每个微型摄像头6的导线经内外管间隙3引到透明双壁管桩桩体的桩顶位置处再经导线孔4导出；内管2外壁和外管1内壁两侧均对称安装有光纤传感器5，用于测量透明双壁管桩桩体外侧侧摩阻力和内侧侧摩阻力；外管1内壁的光纤传感器5由上到下等距安装在整个透明双壁管桩桩体桩长范围内，内管2外壁的光纤传感器5等距安装在透明双壁管桩桩体下部2/3处，每个光纤传感器5的导线经内外管间隙3引到透明双壁管桩桩体的桩顶位置处再经导线孔4导出，电阻式微型土压力计12安装在透明双壁管桩桩体底部，用以测量沉桩过程中以及沉桩后桩体的端承阻力；光纤传感器5和电阻式微型土压力计12的导线分别与外部的光纤光栅解调仪和3816采集箱相连后再分别连接电脑，以便实现试验过程中数据的实时采集；微型摄像头6的导线与外部的另一台电脑相连，以便实时获取“管桩-桩侧土”和“管桩-土塞”两界面的三维数字图像。
本实施例所述内管2、外管1、顶板8和端头板7采用钢化玻璃制成，透明双壁管桩桩体的总桩长为1230mm，外管1全长1200mm，横截面外径×内径为160mm×146mm的圆环；内管2全长1220mm，其上部和下部横截面为不等圆，上部长度为1205mm，横截面外径×内径为128mm×114mm，下部长度为15mm，横截面外径×内径为160mm×114mm，顶板8为10mm厚的环形结构。
本实施例所述激光位移测距传感器10的绝缘电缆、微型摄像头6的导线、光纤传感器5的导线和电阻式微型土压力计12的导线均采用常规设计，因此未在图中标出。
本实施例采用敞口可视化双壁模型管桩试验装置进行试验的具体过程包括五个步骤：
(1)双壁透明模型管桩的制作：按照尺寸要求，在工厂分别制作出透明度高、耐磨性好的钢化玻璃内管2、外管1和环形顶板8；在实验室将准备好的光纤传感器5、电阻式微型土压力计12和微型摄像头6安装在模型管桩相应位置；然后将内管2和外管1套在一起，顶部用环形顶板8刚性连接，底部间隙用弹性优良的硅胶15密封；
(2)试验准备工作：采用分层法将砂土填入模型槽内，按照试验要求击实到指定密实度，将模型管桩用导桩孔垂直放置在已装好试验砂土的模型槽的指定位置处；将所有光纤传感器5、电阻式微型土压力计12和微型摄像头6与由光纤光栅解调仪和3816采集箱组成的数据采集系统以及电脑连接好，完成准备工作；
(3)沉桩：启动试验所需设备，将模型管桩桩体按照按照试验要求入到指定深度处，在沉桩过程中实时采集监测数据和数字图像；
(4)载荷试验：沉桩结束后，撤去沉桩设备，模拟管桩桩体不同工况的真实受荷情况，分别给模型管桩施加水平荷载和竖向荷载，同样实时采集再和试验过程中的监测数据和数字图像。
Claims (2)
1.一种可视化敞口双壁模型管桩试验装置，其特征在于主体结构包括外管、内管、内外管间隙、导线孔、光纤传感器、微型摄像头、端头板、顶板、弧形拐角、激光位移测距传感器、投光线、电阻式微型土压力计、滑动垫块、滑动垫块底部托板、硅胶和固定支架；外管、内管、端头板、顶板、弧形拐角和硅胶组成透明双壁管桩桩体，内管嵌套在外管内，内管的下部作为端头板，内管的上部通过弧形拐角与端头板连接，外管和内管之间形成内外管间隙，外管和内管的顶端通过顶板刚性连接，硅胶填充在外管的底端和内管的底端之间留有的5mm空隙内，实现外管和内管的弹性连接，同时防止试验过程中饱和砂土中的水进入内外管间隙中；外管和内管的顶部两侧对称式预留直径30mm的导线孔，导线孔的圆心与顶板的距离为50mm，外管和内管之间距离顶板400mm和800mm处沿圆周方向分别等距安装四个的球形结构的滑动垫块，滑动垫块放置在滑动垫块底部托板上，导线孔的圆心与距其最近的滑动垫块的球心在同一水平面的投影与管桩轴心在此水平面的投影的连线成45度夹角；激光位移测距传感器用固定支架粘接在透明双壁管桩桩体的顶部，激光位移测距传感器发出的激光射线与透明双壁管桩桩体的轴线重合，激光位移测距传感器的绝缘电缆由透明双壁管桩桩体上部侧面处预留的导线孔导出；在“管桩-桩侧土”和“管桩-土塞”界面上的内外管间隙中分别安装有两个微型摄像头，管桩-桩侧土”和“管桩-土塞”界面上的微型摄像头成60°交角，以获取两个界面处的三维数字图像，“管桩-桩侧土”的微型摄像镜头由上到下等距安装在整个透明双壁管桩桩体桩长范围内，“管桩-土塞”界面的微型摄像镜头等距安装在透明双壁管桩桩体下部2/3处；每个微型摄像头的导线经内外管间隙引到透明双壁管桩桩体的桩顶位置处再经导线孔导出；内管外壁和外管内壁两侧均对称安装有光纤传感器，用于测量透明双壁管桩桩体外侧侧摩阻力和内侧侧摩阻力；外管内壁的光纤传感器由上到下等距安装在整个透明双壁管桩桩体桩长范围内，内管外壁的光纤传感器等距安装在透明双壁管桩桩体下部2/3处，每个光纤传感器的导线经内外管间隙引到透明双壁管桩桩体的桩顶位置处再经导线孔导出，电阻式微型土压力计安装在透明双壁管桩桩体底部，用以测量沉桩过程中以及沉桩后桩体的端承阻力；光纤传感器和电阻式微型土压力计的导线分别与外部的光纤光栅解调仪和3816采集箱相连后再分别连接电脑，实现试验过程中数据的实时采集；微型摄像头的导线与外部的另一台电脑相连，以便实时获取“管桩-桩侧土”和“管桩-土塞”两界面的三维数字图像；
采用该装置进行试验的具体过程包括以下步骤：
(1)双壁透明模型管桩的制作：按照尺寸要求，在工厂分别制作出钢化玻璃内管、外管和环形顶板；在实验室将准备好的光纤传感器、电阻式微型土压力计和微型摄像头安装在模型管桩相应位置；然后将内管和外管套在一起，顶部用环形顶板刚性连接，底部间隙用硅胶密封；
(2)试验准备工作：采用分层法将砂土填入模型槽内，按照试验要求击实到指定密实度，将模型管桩用导桩孔垂直放置在已装好试验砂土的模型槽的指定位置处；将所有光纤传感器、电阻式微型土压力计和微型摄像头与由光纤光栅解调仪和3816采集箱组成的数据采集系统以及电脑连接好，完成准备工作；
(3)沉桩：启动沉桩设备，将模型管桩桩体按照试验要求入到指定深度处，在沉桩过程中实时采集监测数据和数字图像；
(4)载荷试验：沉桩结束后，撤去沉桩设备，模拟管桩桩体不同工况的真实受荷情况，分别给模型管桩施加水平荷载和竖向荷载，同样实时采集试验过程中的监测数据和数字图像。
2.根据权利要求1所述可视化敞口双壁模型管桩试验装置，其特征在于所述内管、外管、顶板和端头板采用钢化玻璃制成，透明双壁管桩桩体的总桩长为1230mm，外管全长1200mm，横截面外径×内径为160mm×146mm的圆环；内管全长1220mm，其上部和下部横截面为不等圆，上部长度为1205mm，横截面外径×内径为128mm×114mm，下部长度为15mm，横截面外径×内径为160mm×114mm，顶板为10mm厚的环形结构。
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