CN108318665A - 离心条件下群桩透明土模型实验装置及其实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种离心条件下群桩透明土模型实验装置，包括离心机、吊篮、实验槽和观察及检测装置；所述离心机包括平衡配重、旋转主轴、机座和转臂，所述旋转主轴衔接于机座，平衡配重设置在旋转主轴左侧，转臂设置在旋转主轴右侧；所述吊篮通过关节轴承与转臂相连接；所述实验槽内置于吊篮中。本发明的有益效果是：本发明摒弃透明土实验技术常用的风机式激光器，采用体积更加紧凑的、功率可调的小型固态激光模块，并将激光模块靠近离心机的旋转主轴的方位安装，最大程度地减小离心力对激光模块的影响，确保激光模块正常工作，产生稳定激光束。
Description
技术领域
本发明涉及一种土体内部三维变形可视化领域，特别涉及一种离心条件下群桩透明土模型实验装置及其实验方法。
背景技术
传统的室内模拟实验测量只能获得土体宏观的变形和边界区域的变形。为了能够直观的观测到土体内部变形、渗流等现象，在20世纪90年一种具有与天然土体相似性质的透明土壤被人工合成出来。之后透明土迅速在岩土工程物理模拟实验中得到广泛的应用，使得非侵入连续观测土体内部任意点的变形成为可能，并可以有效避免传统的观测方法对实验结果的干扰。在传统土工离心机透明土非侵入可视化实验中，它是通过观察窗以半空间对称的方式进行土-结构变形观测的，并使用数码相机和数字图像处理技术，测量土体变形。然而，该实验技术仍旧存在一定的局限性，在该实验中激光束由风机式激光器发射出来，但是风机式激光器体积大，容易对离心机造成较大的负担，比如离心机需要采用大功率才能将风机式激光器和群桩实验装置一同旋转起来，在这个过程中对离心机造成较大的负荷，其次在离心机的作用下，风机式激光器无法产生稳定的激光束，这将会导致实验数据产生误差，从而影响实验的进行；另一个方面，在平面应变模型实验技术中产生的激光束覆盖面积太小，无法在透明土上形成理想的散斑面，从而无法获取精确的实验数据；另外传统的土工离心机群桩实验中只能通过数码相机和数字图像处理技术得到土体的二维变形场，但是无法得到群桩的三维变形场。
因此，目前亟需寻求一种体积小且能够产生稳定激光束的激光器、激光束在土体中形成大面积散斑面及采用相应技术获得群桩的三维变形场的群桩透明土模型实验装置显得极为重要。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种离心条件下群桩透明土模型实验装置及其实验方法。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
这种离心条件下群桩透明土模型实验装置，包括离心机、吊篮、实验槽和观察及检测装置；所述离心机包括平衡配重、旋转主轴、机座和转臂，所述旋转主轴衔接于机座，平衡配重设置在旋转主轴左侧，转臂设置在旋转主轴右侧；所述吊篮通过关节轴承与转臂相连接；所述实验槽内置于吊篮中；
所述观察及检测装置包括固态激光模块、光学组件、相机和位移计；所述固态激光模块、光学组件通过光纤连接在一起，固态激光模块内置于转臂左端，所述光学组件设置在实验槽外侧，且每个光学组件都对应一个固态激光模块；
所述实验槽内置透明土和群桩模型，实验槽上部衔接支架、机械手和位移计，实验槽左侧、正侧相应位置设置有观察窗，实验槽右侧相应位置处设置有进光窗；所述观察窗的相应位置处设置有相机；所述群桩模型内置反光镜。
作为优选：所述相机由固定架固定。
这种离心条件下群桩透明土模型实验装置的实验方法：包括以下步骤：
1)配置实验用的透明土；待配置好后，将透明土放置在真空中，去除透明土中的空气；然后采用20～35kPa以上的不排水剪切强度对透明土进行固结；最后在透明土配制过程中撒入2％～3％体积的荧光颗粒；
2)将配置好的饱和透明土均匀地放入实验槽中；
3)制作群桩模型，群桩模型有两组：一组是模拟单排群桩，另一组模拟多排群桩；将群桩模型插入透明土中；
4)将支架放置在实验槽上部，然后放置机械手，机械手上端与支架相连接且位于支架中央，机械手下端与群桩模型的承台相连接；
5)放置位移计，其上端与支架相连接，下端与群桩模型的承台相连接；
6)根据观测点的位置调节并记录相机的高度、拍摄的转角以及相机几何坐标等重要参数；
7)开启固态激光模块，产生稳定激光束，激光束沿着光纤传递到光学组件，通过光学组件后，形成较大的激光面照射到透明土中，并形成全面覆盖的散斑面；
8)开启离心机，当离心机转动后，吊篮及其内部的透明土、群桩模型绕着关节轴承旋转，最后与转臂平行；
9)使用GeoPIV分别分析来自相机的图像以获得从每个相机观察到的二维位移，然后使用立体三角测量法合并相应的二维位移以产生样本的三维变形。
作为优选：所述步骤1)中，采用水晶硅骨料和孔隙流体制作透明土，孔隙流体由白油和石蜡溶剂混合，其体积比例为2.5～3.5。
本发明的有益效果是：
1)本发明摒弃透明土实验技术常用的风机式激光器(体积大、离心力下激光不稳定等缺点)，采用体积更加紧凑的、功率可调的小型固态激光模块，并将激光模块靠近离心机的旋转主轴的方位安装，最大程度地减小离心力对激光模块的影响，确保激光模块正常工作，产生稳定激光束；然后在离心机中进行调试，研究不同功率、不同转速、不同位置对激光束稳定性的影响。
2)本发明使用多模光纤的传输方式将激光束传输至测试部位，并利用准直器安装转接器、透镜安装转接器、45°线发生器透镜、透镜安装环和透镜管装备成新型的光学组件，并依次类推形成多组光学组件，每个光学组件都对应一个小型固态激光模块，激光束通过几组光学组件后形成较大的激光面照射到透明土中，并形成全面覆盖的散斑面；然后在离心机中进行测试，研究能够得到最佳散斑面的各类技术参数及其影响因素。
3)本发明中的群桩内嵌反光镜，形成两个垂直双面的散斑场，结合立体摄影测量法可获取群桩两个垂直双面的三维变形场。
附图说明
图1是离心机转动前的群桩透明土实验装置侧面图。
图2是离心机转动后的群桩透明土实验装置侧面图。
图3是单排群桩透明土模型实验装置平面图。
图4是单排群桩模型侧面图。
图5是多排群桩透明土模型实验装置平面图。
图6是多排群桩模型侧面图。
附图标记说明：1—平衡配重；2—旋转主轴；3—机座；4—离心机；5—固态激光模块；6—转臂；7—光纤；8—关节轴承；9—支架；10—群桩模型；11—透明土；12—实验槽；13—相机；14—固定架；15—吊篮；16—机械手；17—位移计；18—光学组件；19—观察窗；20—承台；21—反光镜；22—激光面；23—进光窗。
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。
所述离心条件下群桩透明土模型实验装置，包括离心机4、吊篮15、实验槽12、观察及检测装置。所述离心机4包括平衡配重1、旋转主轴2、机座3、转臂6，所述旋转主轴2衔接于机座3，平衡配重1设置在旋转主轴2左侧，转臂6设置在旋转主轴2右侧。所述吊篮15通过关节轴承8与转臂6相连接。所述实验槽12内置于吊篮15中。所述观察及检测装置包括固态激光模块5、光学组件18、相机13、位移计17。
所述固态激光模块5、光学组件18通过光纤7连接在一起，固态激光模块5内置于转臂6左端，所述光学组件18设置在实验槽12外侧，且每个光学组件18都对应一个固态激光模块5。
所述实验槽12内置透明土11、群桩模型10，实验槽12上部衔接支架9、机械手16、位移计17，实验槽12左侧、正侧相应位置设置了有机玻璃观察窗19，实验槽12右侧相应位置处设置有机玻璃进光窗23。采用4台单反相机13从实验槽12左侧和正测同时对群桩模型10的实验过程进行拍摄，采用专用固定架14将相机13固定。
所述群桩模型10内置反光镜21，并在实验槽12内壁相应位置阳极化处理成黑色，以吸收激光。
实施例一：
所述离心条件下群桩透明土模型实验装置的实验方法，包括以下步骤：
1)配置实验用的透明土11。采用透明性与净度较好、折射率为1.467的水晶硅骨料和孔隙流体制作尺寸较大的透明土11，孔隙流体由白油和石蜡溶剂混合，并且他们的体积比例为77:23。待配置好后，将透明土11放置在真空中，去除透明土11中的空气。然后采用30kPa以上的不排水剪切强度对透明土11进行固结。最后为了增强散斑场密度，在透明土11配制过程中撒入2％体积的荧光颗粒。
2)将配置好的饱和透明土11均匀地放入实验槽12中。
3)制作单排群桩模型10。单排群桩模型10严格按照以下尺寸制作：本模型采用了三根完全相同的桩，如图3所示。桩径d＝5cm，与承台20边缘相邻的桩的形心到承台20边缘的间距为5cm；相邻桩之间的距离为25cm；承台20边缘到实验槽12的间距应大于25cm，取25cm；承台20长60cm，宽10cm，高10cm；桩长L应满足50～100cm，取80cm。另外，在承台20最左端的桩需内嵌反光镜21，如图3所示。待群桩模型10制作完成后，将其插入透明土11中。
4)将支架9放置在实验槽12上部，然后放置机械手16，机械手16上端与支架9相连接且位于支架9中央，机械手16下端与群桩模型10的承台20相连接。
5)放置位移计17，其上端与支架9相连接，下端与群桩模型10的承台20相连接。
6)根据观测点的位置调节并记录相机13的高度、拍摄的转角以及相机13几何坐标等重要参数。
7)开启固态激光模块5，产生稳定激光束，激光束将会沿着光纤7传递到光学组件18，当通过几组光学组件18后，形成较大的激光面22照射到透明土11中，并形成全面覆盖的散斑面。
8)开启离心机4，当离心机4转动后，吊篮15及其内部的透明土11、群桩模型10等在向心力的作用下，将会绕着关节轴承8旋转，最后与转臂6平行，如图2所示。
9)使用GeoPIV分别分析来自两个相机13的图像以获得从每个相机13观察到的二维(2D)位移，然后使用立体三角测量法合并相应的2D位移以产生样本的3D变形。
实施例二：
1)配置实验用的透明土11。采用透明性与净度较好、折射率为1.467的水晶硅骨料和孔隙流体制作尺寸较大的透明土11，孔隙流体由白油和石蜡溶剂混合，并且他们的体积比例为77:23。待配置好后，将透明土放置在真空中，去除透明土中的空气。然后采用30kPa以上的不排水剪切强度对透明土11进行固结。最后为了增强散斑场密度，在透明土11配制过程中撒入2％体积的荧光颗粒。
2)将配置好的饱和透明土11均匀地放入实验槽12中。
3)制作多排群桩模型10。本模型采用了九根完全相同的桩，如图5所示。取桩径为5cm，与承台20边缘相邻的桩的形心到承台20边缘的间距为5cm；在承台20纵向，相邻桩之间的距离为25cm；在承台20横向，相邻桩之间的距离为15cm；承台20边缘到实验槽12的间距应大于25cm，取25cm；承台长60cm，宽40cm，高10cm；桩长L应在50～100cm之间，取80cm。另外，如图5所示，第二排桩从左往右的第一第二两根桩及第三排第二根桩需内嵌反光镜21。待群桩模型10制作完成后，将其插入透明土11中。
4)将支架9放置在实验槽12上部，然后放置机械手16，机械手16上端与支架9相连接且位于支架9中央，机械手16下端与群桩模型10的承台20相连接。
5)放置位移计17，其上端与支架9相连接，下端与群桩模型10的承台20相连接。
6)根据观测点的位置调节并记录相机13的高度、拍摄的转角以及相机13几何坐标等重要参数。
7)开启固态激光模块5，产生稳定激光束，激光束将会沿着光纤7传递到光学组件18，当通过几组光学组件18后，形成较大的激光面22照射到透明土11中，并形成全面覆盖的散斑面。
8)开启离心机4，当离心机4转动后，吊篮15及其内部的透明土11、群桩模型10等在向心力的作用下，将会绕着关节轴承8旋转，最后与转臂6平行，如图2所示。
9)使用GeoPIV分别分析来自两个相机13的图像以获得从每个相机13观察到的二维(2D)位移，然后使用立体三角测量法合并相应的2D位移以产生样本的3D变形。
实验的有效性：土体的性质与土颗粒的受力状态有关。而研究群桩的模拟实验中，由于实验装置是按比例缩小了的，导致桩周围土体的竖向深度减小。土体竖向深度减小，将会导致应力相应的减小，比如在10m深的土体，它的重度为20kN/m3,则它受到的竖向自重应力为200kN,而在模拟实验中，土体深度按模型比例缩小，例如缩小10倍，则在该实验中土的深度相应的也缩小了10倍，10m深的土在模型实验中变成了1m，则它受到的竖向自重应力为20kN；由此可见一般的模拟实验与实际存在很大的偏差。因为土的重度γ＝ρ*g，竖向自重应力σ＝γ*z，在模拟实验中，深度z与土的密度ρ无法改变，但是可以改变重力加速度g。因此本发明在离心机条件下进行，控制离心机的转速，可以增大重力加速度g，在本例中可以控制离心机的转速，使其达到g′＝10g，最后得出的竖向自重应力与实际相同。另外本发明采用透明土，可以实现在不扰动土体的前提下观测模型实验土体的变形情况。因此本发明的实验装置在模拟实际土体的变形情况中是有效的。
Claims (4)
1.一种离心条件下群桩透明土模型实验装置，其特征在于，包括离心机(4)、吊篮(15)、实验槽(12)和观察及检测装置；所述离心机(4)包括平衡配重(1)、旋转主轴(2)、机座(3)和转臂(6)，所述旋转主轴(2)衔接于机座(3)，平衡配重(1)设置在旋转主轴(2)左侧，转臂(6)设置在旋转主轴(2)右侧；所述吊篮(15)通过关节轴承(8)与转臂(6)相连接；所述实验槽(12)内置于吊篮(15)中；
所述观察及检测装置包括固态激光模块(5)、光学组件(18)、相机(13)和位移计(17)；所述固态激光模块(5)、光学组件(18)通过光纤(7)连接在一起，固态激光模块(5)内置于转臂(6)左端，所述光学组件(18)设置在实验槽(12)外侧，且每个光学组件(18)都对应一个固态激光模块(5)；
所述实验槽(12)内置透明土(11)和群桩模型(10)，实验槽(12)上部衔接支架(9)、机械手(16)和位移计(17)，实验槽(12)左侧、正侧相应位置设置有观察窗(19)，实验槽(12)右侧相应位置处设置有进光窗(23)；所述观察窗(19)的相应位置处设置有相机(13)；所述群桩模型(10)内置反光镜(21)。
2.根据权利要求1所述的离心条件下群桩透明土模型实验装置，其特征在于，所述相机(13)由固定架(14)固定。
3.一种如权利要求1所述的离心条件下群桩透明土模型实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)配置实验用的透明土(11)；待配置好后，将透明土(11)放置在真空中，去除透明土(11)中的空气；然后采用20～35kPa以上的不排水剪切强度对透明土(11)进行固结；最后在透明土(11)配制过程中撒入2％～3％体积的荧光颗粒；
2)将配置好的饱和透明土(11)均匀地放入实验槽(12)中；
3)制作群桩模型(10)，群桩模型(10)有两组：一组是模拟单排群桩，另一组模拟多排群桩；将群桩模型(10)插入透明土(11)中；
4)将支架(9)放置在实验槽(12)上部，然后放置机械手(16)，机械手(16)上端与支架(9)相连接且位于支架(9)中央，机械手(16)下端与群桩模型(10)的承台(20)相连接；
5)放置位移计(17)，其上端与支架(9)相连接，下端与群桩模型(10)的承台(20)相连接；
6)根据观测点的位置调节并记录相机(13)的高度、拍摄的转角以及相机(13)几何坐标等重要参数；
7)开启固态激光模块(5)，产生稳定激光束，激光束沿着光纤(7)传递到光学组件(18)，通过光学组件(18)后，形成较大的激光面(22)照射到透明土(11)中，并形成全面覆盖的散斑面；
8)开启离心机(4)，当离心机(4)转动后，吊篮(15)及其内部的透明土(11)、群桩模型(10)绕着关节轴承(8)旋转，最后与转臂(6)平行；
9)使用GeoPIV分别分析来自相机(13)的图像以获得从每个相机(13)观察到的二维位移，然后使用立体三角测量法合并相应的二维位移以产生样本的三维变形。
4.根据权利要求3所述的离心条件下群桩透明土模型实验装置的实验方法，其特征在于，所述步骤1)中，采用水晶硅骨料和孔隙流体制作透明土(11)，孔隙流体由白油和石蜡溶剂混合，其体积比例为2.5～3.5。
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