CN108982216B - 利用透明土研究水平荷载下桩土作用的装置及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用透明土研究水平荷载下桩土作用的装置及其测试方法，装置包括支撑框架和模型槽放置板，支撑框架上固定的滑轨固定板上设置有两条滑轨；模型槽放置板的下表面固定安装有与滑轨配合的滑轮，模型槽放置板的上表面设置有模型槽和限位装置；模型槽上方的支撑框架上连接有模型桩固定板，模型桩固定板上开设有安装孔；模型桩与滑轨大致垂直的侧面上安装有振弦式传感器；滑轨固定板上安装有推动模型槽沿滑轨滑动的千斤顶；千斤顶的对面侧放置有激光光源系统与激光光源系统垂直侧设置有用于采集模型槽内图像的图像采集装置；图像采集装置、氦氖激光器、千斤顶和振弦式传感器均与控制器连接。

Description

利用透明土研究水平荷载下桩土作用的装置及其测试方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种利用透明土研究水平荷载下桩土作用的装置及其测试方法。

背景技术

随着20世纪90年透明土的出现及其在岩土工程物理模拟试验中的应用，使得非侵入测量土体内部变形成为可能。透明土是由透明的固体颗粒和折射率相匹配的孔隙溶液组成，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。工技术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，从而得到抗滑桩与土相互作用时土体的变形过程。

目前，透明土已被用来研究一些岩土工程中的机制问题，如桩土相互作用、隧道围岩变形和渗流等。在边坡稳定性处理的问题上，抗滑桩是一种常见的工程处理措施，在目前而言，桩间土拱、桩后土拱、不同桩深处承受的荷载、桩间距、群桩效应等土体的相互作用问题已得到了大量的研究，然而，由于传统土体的非透明性，使得无法连续观测和记录到桩和土相互作用而引起的土体内部中任意点的变形情况。

现在，大多数利用透明土来分析桩土相互作用的装置都是对桩施加竖向荷载，使桩灌入透明土中，然后记录分析桩的灌入引起周围土体的变形情况，从而总结桩土相互作用的规律。由于实际工程中，抗滑桩与土相互作用时，力是通过土传递给抗滑桩的，而现有技术中的装置主要研究抗滑桩对图的作用，之后再总结桩土相互作用的规律，使得现有装置难以准确模拟现有的桩土之间的作用关系。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的利用透明土研究水平荷载下桩土作用的装置及其测试方法解决了现有的装置难以模拟实际工程中水平荷载下的桩土相互作用规律的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

第一方面，提供一种利用透明土研究水平荷载下桩土作用的装置，其包括支撑框架和模型槽放置板，支撑框架的中下部固定安装有滑轨固定板，滑轨固定板上至少固定有两条滑轨；模型槽放置板的下表面固定安装有与滑轨配合的滑轮，模型槽放置板的上表面设置有透明的模型槽及用于对模型槽进行限位的限位装置；

模型槽上方的支撑框架沿高度方向可拆卸连接有至少两块模型桩固定板，正对模型槽的模型桩固定板上开设有多个用于放置模型桩的安装孔；模型桩与滑轨大致垂直的侧面上安装有振弦式传感器；滑轨固定板上安装有推动模型槽沿滑轨滑动的千斤顶；

千斤顶的对面侧放置有激光光源系统，激光光源系统包括激光器支架，激光器支架上固定安装有用于给模型槽提供照射光源的氦氖激光器，氦氖激光器的前面安装有将线光源转换为面光源的工程漫射体；与激光光源系统垂直侧设置有用于采集模型槽内图像的图像采集装置；图像采集装置、氦氖激光器、千斤顶和振弦式传感器均与控制器连接。

进一步地，限位装置包括两块横向限位板、两块纵向限位板及两块滑模固定板；两块滑模固定板分别固定安装于模型槽放置板的两侧，且相互平行；

两块滑模固定板相对的侧面上开设有一条滑槽，两块横向限位板的两端均通过固定件各安装在一条滑槽内；两块横向限位板的长度方向均开设有条形槽，两块纵向限位板的两端均通过固定件各安装在一条条形槽内。

进一步地，横向限位板和纵向限位板均包括板体，板体的两端固定安装有与板体垂直的连接板，连接板上开设有固定孔；横向限位板的板体上开设有条形槽。

进一步地，滑轨固定板上固定安装有反力架，反力架的高为20cm、宽为30cm；千斤顶通过螺栓固定安装在反力架上，千斤顶的活动量程为15cm。

进一步地，模型槽采用超白钢化玻璃密封组装而成。

进一步地，激光光源系统和图像采集装置均独立设置于支撑框架外；图像采集装置为PIV摄像系统。

第二方面，提供一种利用透明土研究水平荷载下桩土作用的装置的测试方法，其包括以下步骤：

将模型槽放置在模型槽放置板上，沿着滑槽移动横向限位板，直至横向限位板与模型槽接触，并采用螺栓将横向限位板固定于滑模固定板上；

沿着条形槽移动纵向限位板，直至纵向限位板与模型槽接触，并采用螺栓将纵向限位板固定于横向限位板上；

根据模型槽的高度，调整千斤顶与模型槽的设定位置接触，之后将千斤顶固定安装在滑轨固定板上；

清洗模型槽和模型桩，并用毛巾擦净模型槽和模型桩表面的水，之后根据模型桩的尺寸、相邻模型桩间的间距选择相应的模型桩固定板固定在支撑框架；

将模型桩穿过模型桩固定板上的安装孔延伸至模型槽内，并与模型槽底壁形成一间隙；

在模型槽的底部倒入孔隙液体，之后加入透明土颗粒，充分搅拌，并每隔3cm分层夯实，直至模型槽内的透明土达到预设高度；

调节激光器支架与模型槽之间及氦氖激光器与工程漫射体之间的间距，直至氦氖激光器发射的光源全部覆盖模型槽；调整氦氖激光器的强度至设定强度，并控制图像采集装置每隔0.1秒拍照一次；

在黑暗环境中采用装置进行试验，首先启动氦氖激光器，待其功率稳定后，调整激光切面的角度，使其垂直打入透明土形成散斑场，之后调节图像采集装置的视场覆盖所有模型桩；

开启千斤顶，使其带着模型槽静匀速水平推动，千斤顶开启后图像采集装置每隔0.1秒拍照一次；

试验完成后，读取给千斤顶供油管路上的油压表和压力计记录的水平推力及振弦式传感器采集的信息。

进一步地，当透明土中存在气泡时，采用真空饱和器使透明土饱和配制完成后，并静置设定时长。

本发明的有益效果为：本方案在模拟实际工程中水平荷载下的桩土相互作用时，将荷载施加在模型槽上，使透明土主动与模型桩相互作用，并通过滑轨和滑轮配合，将力水平的传递到模型桩上，采用该装置模拟与实际工程的相似性更高，得出的规律更符合工程实践。

本方案的限位装置可以根据不同尺寸的试验模型槽，通过调整纵向限位板和横向限位板以达到模型槽的稳定固定，限位装置具体结构的独特设置使得本方案提供的装置功能性强、利用率高。

本方案可以根据模型桩的尺寸、相邻模型桩间的间距选择与模型桩相匹配的模型桩固定板，通过更换模型桩固定板对不同型号的模型桩进行试验，以达到通过对比试验，更好的总结桩土相互作用的一般规律。

本方案的装置使用PIV技术观测透明土体内部位移，具有精度高、试样尺寸可变，试验准备时间短，试验操作方便，不仅可以提高科研效率，还可以作为教学仪器使用。

附图说明

图1为利用透明土研究水平荷载下桩土作用的装置的立体图。

图2为限位装置的立体图。

图3为滑轨固定板上安装上千斤顶及滑轨的立体图。

图4为模型桩在模型桩固定板上的立体图。

其中，1、支撑框架；2、滑轨固定板；21、滑轨；22、反力架；23、千斤顶；3、模型槽放置板；31、滑轮；4、模型槽；5、限位装置；51、横向限位板；511、条形槽；52、纵向限位板；521、板体；522、连接板；53、滑模固定板；531、滑槽；6、模型桩固定板；7、模型桩；71、振弦式传感器；81、激光器支架；82、氦氖激光器；9、图像采集装置；91、工业相机；92、相机支架。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，该利用透明土研究水平荷载下桩土作用的装置包括支撑框架1和模型槽放置板3，支撑框架1的中下部固定安装有滑轨固定板2，滑轨固定板2上至少固定有两条滑轨21。

其中，支撑框架1高为150cm，长和宽均为100cm，其是由宽度10cm，厚度为5cm的空心钢材通过螺丝连接在一起，滑轨固定板2选用100cm×100cm×0.5cm钢板，滑轨21焊接在滑轨固定板2上。

其中滑轨固定板2不与地面接触，也即滑轨固定板2未设置在支撑框架1的最下端，这样可以保证后续试验时方便调节PIV摄像系统的视场及激光光源系统光源的覆盖范围。

为了保证千斤顶23的水平力稳定地传递给模型槽4内的透明土，滑轨21的条数可以根据模型槽4的型号及重量进行自由选择，不过不管怎样选择，所有的滑轨21必须相互平行，且轨距为30cm。

模型槽放置板3的下表面固定安装有与滑轨21配合的滑轮31，滑轮31为四个，且高度为5cm，通过焊接的方式固定在模型槽放置板3的下表面；模型槽放置板3的上表面设置有透明的模型槽4及用于对模型槽4进行限位的限位装置5；模型槽放置板3用90cm×90cm×0.5cm的钢板制成，其上预留螺丝孔。

其中，模型槽4优选采用超白钢化玻璃密封组装而成，这样设置后可以保证模型槽4具有足够大的强度及较高的透明性。

如图2所示，在本发明的一个实施例中，限位装置5包括两块横向限位板51、两块纵向限位板52及两块滑模固定板53；两块滑模固定板53分别固定安装于模型槽放置板3的两侧，且相互平行。

两块滑模固定板53相对的侧面上开设有一条滑槽531，两块横向限位板51的两端均通过固定件各安装在一条滑槽531内；两块横向限位板51的长度方向均开设有条形槽511，两块纵向限位板52的两端均通过固定件各安装在一条条形槽511内。

限位装置5该种结构的独特设置，可以根据模型槽4的尺寸移动横向限位板51和纵向限位板52，当移动横向限位板51和纵向限位板52与模型槽4紧密接触后，通过固定件进行固定。其中的滑槽531和条形槽511均为螺栓滑槽531，固定件选用与螺栓滑槽531配合的螺栓。

实施时，本方案优选滑模固定板53是长80cm、宽2cm、厚0.2cm的槽钢与长80cm、宽2cm、厚0.2的钢板焊接而成，滑槽531长75cm，宽0.3cm，而钢板右侧设置有与滑模固定板53的固定螺丝对应的直径为0.3cm的螺孔，纵向限位板52和横向限位板51均是由长75cm、宽1cm、厚0.2cm的钢板制成。

为了方便纵向限位板52和横向限位板51根据模型槽4的尺寸进行滑动，横向限位板51和纵向限位板52均包括板体521，板体521的两端固定安装有与板体521垂直的连接板522，连接板522上开设有固定孔；横向限位板51的板体521上开设有条形槽511。

如图1和图4所示，模型槽4上方的支撑框架1沿高度方向可拆卸连接有至少两块模型桩固定板6，正对模型槽4的模型桩固定板6上开设有多个用于放置模型桩7的安装孔；模型桩7与滑轨21大致垂直的侧面上安装有振弦式传感器71；滑轨固定板2上安装有带动模型槽4沿滑轨21滑动的千斤顶23。

振弦式传感器71位置的设置，可以保证千斤顶23带着模型槽4运动时，运动的透明土直接与振弦式传感器71接触，使其采集的数据直观地反应透明土与模型桩7之间的作用力。

模型桩固定板6采用长为100cm，宽为20cm，厚度5cm的空心钢板固定于支撑框架1上，为了避免试验时，模型桩7出现晃动，本方案设置有两块模型桩固定板6，其分别固定于支撑框架1高度120cm和110cm处；安装孔可利用焊机在模型桩固定板6上切割而成，模型桩固定板6优选开3个5cm×6cm的孔，试验时，采用三个50cm×6cm×5cm的模型桩7，桩间距为15cm。

实施时，本方案优选滑轨固定板2上固定安装有反力架22，反力架22的高为20cm、宽为30cm；千斤顶23通过螺栓固定安装在反力架22上，千斤顶23的活动量程为15cm。通过设置的反力架22在保证千斤顶23工作时稳定性的同时还能降低千斤顶23工作的反作用力。

如图1和图3所示，千斤顶23的对面侧放置有激光光源系统，激光光源系统包括激光器支架81，激光器支架81上固定安装有用于给模型槽4提供照射光源的氦氖激光器82，氦氖激光器82的波长为532nm，功率2w；氦氖激光器82的前面安装有将线光源转换为面光源的工程漫射体(ED1-L4100)；与激光光源系统垂直侧设置有用于采集模型槽4内图像的图像采集装置9；图像采集装置9、氦氖激光器82、千斤顶23和振弦式传感器71均与控制器连接。

激光光源系统和图像采集装置9均独立设置于支撑框架1外；图像采集装置9为PIV摄像系统，其包括相机支架92和固定安装在相机支架92上的工业相机91。

至此已完成利用透明土研究水平荷载下桩土作用的装置的说明，下面接着对利用透明土研究水平荷载下桩土作用的装置的测试方法100进行详细描述：

该利用透明土研究水平荷载下桩土作用的装置的测试方法100包括以下步骤101至步骤110：

在步骤101中，将模型槽4放置在模型槽放置板3上，沿着滑槽531移动横向限位板51，直至横向限位板51与模型槽4接触，并采用螺栓将横向限位板51固定于滑模固定板53上。

在步骤102中，沿着条形槽511移动纵向限位板52，直至纵向限位板52与模型槽4接触，并采用螺栓将纵向限位板52固定于横向限位板51上。

通过步骤101和步骤102的固定方式将模型槽4稳定地固定在模型槽放置板3上，这样可以避免在推动模型槽4时，模型槽4出现歪斜，从而保证了千斤顶23水平力能够平稳地传递给模型桩7。

在步骤103中，根据模型槽4的高度，调整千斤顶23与模型槽4的设定位置接触，之后将千斤顶23固定安装在滑轨固定板2上。

在步骤104中，清洗模型槽4和模型桩7，并用毛巾擦净模型槽4和模型桩7表面的水，之后根据模型桩7的尺寸、相邻模型桩7间的间距选择相应的模型桩固定板6固定在支撑框架1上。

模型槽4表面的灰尘会影响透明土散斑场，清洗过程在模型槽4和模型桩7表面的水会影响混合液体的孔隙液体，影响透明土的透明度。

孔隙液体可以是蔗糖溶液，溴化钙溶液，白油和正十二烷的混合溶液，本实验装置采用白油和正十二烷混合溶液，作用是配制出和透明土颗粒折射率相同的溶液，模拟天然工况，并确保其透明性。

在步骤105中，将模型桩7穿过模型桩固定板6上的安装孔延伸至模型槽4内，并与模型槽4底壁形成一间隙；这样设置可以避免模型槽4底面与模型桩7接触出现的摩擦力，引起水平力的损耗，造成试验采集的数据的不准确。

在步骤106中，在模型槽4的底部倒入孔隙液体，之后加入透明土颗粒，充分搅拌，排出其中气泡，并每隔3cm分层夯实，直至模型槽4内的透明土达到预设高度。

在装入透明土过程中，如果因操作失误造成透明土中气泡过多，配完土后应该使用真空饱和器使透明土饱和配制完成后，按试验所需的透明土性质，静置设定时长，具体地，除掉气泡后，可以加压固结，固结的时间长短可以按需求而定，一般为三天。

在步骤107中，调节激光器支架81与模型槽4之间及氦氖激光器82与工程漫射体之间的间距，直至氦氖激光器82发射的光源全部覆盖模型槽4；调整氦氖激光器82的强度至设定强度，并控制图像采集装置9每隔0.1秒拍照一次。

在步骤108中，在黑暗环境中采用装置进行试验，首先启动氦氖激光器82，待其功率稳定后，调整激光切面的角度，使其垂直打入透明土形成散斑场，之后调节图像采集装置9的视场覆盖所有模型桩7。

本方案在进行试验时，选择在黑暗环境中进行的主要目的是，方便氦氖激光器82照射在透明土上形成的光斑被图像采集装置9准确采集到，保证后续通过图像准确评价土与桩之间的作用关系。

在步骤109中，开启千斤顶23，使其带着模型槽4静匀速水平推动，千斤顶23开启后图像采集装置9每隔0.1秒拍照一次。

在步骤110中，试验完成后，读取给千斤顶23供油管路上的油压表和压力计记录的水平推力及振弦式传感器71采集的信息。

之后将采集的数据传递给外部的计算机，通过后期计算机图像处理软件对获得的散斑场图像进行分析，获得加载力与土体变形、位移的关系。

在激光光源系统和图像采集装置9调试完成后，进行试验时，激光光源系统和图像采集装置9的所有部件均不能移动，这样可以避免采集视场不一致，出现后续桩土作用的关系的计算不准确。

综上所述，本方案通过将荷载施加于模型槽4上，使透明土主动与桩相互作用，并且通过滑轨21和滑轮31配合，将力水平的传递到桩上，采用该装置模拟与实际工程的相似性更高，得出的规律更符合工程实践。

Claims (6)

1.利用透明土研究水平荷载下桩土作用的装置，其特征在于，包括支撑框架和模型槽放置板，所述支撑框架的中下部固定安装有滑轨固定板，所述滑轨固定板上至少固定有两条滑轨；所述模型槽放置板的下表面固定安装有与所述滑轨配合的滑轮，所述模型槽放置板的上表面设置有透明的模型槽及用于对模型槽进行限位的限位装置；

所述模型槽上方的支撑框架沿高度方向可拆卸连接有至少两块模型桩固定板，正对模型槽的模型桩固定板上开设有多个用于放置模型桩的安装孔；所述模型桩与滑轨大致垂直的侧面上安装有振弦式传感器；所述滑轨固定板上安装有推动所述模型槽沿滑轨滑动的千斤顶；

所述千斤顶的对面侧放置有激光光源系统，所述激光光源系统包括激光器支架，所述激光器支架上固定安装有用于给模型槽提供照射光源的氦氖激光器，所述氦氖激光器的前面安装有将线光源转换为面光源的工程漫射体；与所述激光光源系统垂直侧设置有用于采集模型槽内图像的图像采集装置；所述图像采集装置、氦氖激光器、千斤顶和振弦式传感器均与控制器连接；

所述限位装置包括两块横向限位板、两块纵向限位板及两块滑模固定板；两块滑模固定板分别固定安装于模型槽放置板的两侧，且相互平行；

两块所述滑模固定板相对的侧面上开设有一条滑槽，两块横向限位板的两端均通过固定件各安装在一条滑槽内；两块横向限位板的长度方向均开设有条形槽，两块纵向限位板的两端均通过固定件各安装在一条条形槽内；

所述横向限位板和纵向限位板均包括板体，所述板体的两端固定安装有与板体垂直的连接板，所述连接板上开设有固定孔；所述横向限位板的板体上开设有条形槽。

2.根据权利要求1所述的利用透明土研究水平荷载下桩土作用的装置，其特征在于，所述滑轨固定板上固定安装有反力架，所述反力架的高为20cm、宽为30cm；所述千斤顶通过螺栓固定安装在反力架上，所述千斤顶的活动量程为15cm。

3.根据权利要求1所述的利用透明土研究水平荷载下桩土作用的装置，其特征在于，所述模型槽采用超白钢化玻璃密封组装而成。

4.根据权利要求2所述的利用透明土研究水平荷载下桩土作用的装置，其特征在于，所述激光光源系统和图像采集装置均独立设置于所述支撑框架外；所述图像采集装置为PIV摄像系统。

5.一种采用权利要求1-4任一所述的利用透明土研究水平荷载下桩土作用的装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

将模型槽放置在模型槽放置板上，沿着滑槽移动横向限位板，直至横向限位板与模型槽接触，并采用螺栓将横向限位板固定于滑模固定板上；

沿着条形槽移动纵向限位板，直至纵向限位板与模型槽接触，并采用螺栓将纵向限位板固定于横向限位板上；

根据所述模型槽的高度，调整千斤顶与模型槽的设定位置接触，之后将千斤顶固定安装在滑轨固定板上；

清洗模型槽和模型桩，并用毛巾擦净模型槽和模型桩表面的水，之后根据模型桩的尺寸、相邻模型桩间的间距选择相应的模型桩固定板固定在支撑框架上；

将模型桩穿过模型桩固定板上的安装孔延伸至模型槽内，并与模型槽底壁形成一间隙；

在模型槽的底部倒入孔隙液体，之后加入透明土颗粒，充分搅拌，并每隔3cm分层夯实，直至模型槽内的透明土达到预设高度；

调节激光器支架与模型槽之间及氦氖激光器与工程漫射体之间的间距，直至氦氖激光器发射的光源全部覆盖模型槽；调整氦氖激光器的强度至设定强度，并控制图像采集装置每隔0.1秒拍照一次；

在黑暗环境中采用装置进行试验，首先启动氦氖激光器，待其功率稳定后，调整激光切面的角度，使其垂直打入透明土形成散斑场，之后调节图像采集装置的视场覆盖所有模型桩；

开启千斤顶，使其带着模型槽静匀速水平推动，千斤顶开启后图像采集装置每隔0.1s拍照一次；

试验完成后，读取给千斤顶供油管路上的油压表和压力计记录的水平推力及振弦式传感器采集的信息。

6.根据权利要求5所述的利用透明土研究水平荷载下桩土作用的装置的测试方法，其特征在于，当透明土中存在气泡时，采用真空饱和器使透明土饱和配制完成后，并静置设定时长。

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