CN109342312A - 抗滑桩土拱效应的可视化试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种抗滑桩土拱效应的可视化试验装置及方法，包括模型箱、推板加载板、条形灯、树脂颗粒、数码相机，模型箱钢化玻璃拼接而成的透明立方体，模型箱内部单层满铺树脂颗粒，模型箱内底部设有抗滑桩和桩间挡土板，模型箱内部左右两侧贴有刻度贴纸，推板位于模型箱内部上侧，顶面钢化玻璃上设置利于螺杆穿过的通孔，螺杆下端与推板连接固定，螺杆上端设置与其螺纹配合的螺母，螺母抵靠推板，旋转螺母式螺杆移动带动推板加载位移，条形灯设置在模型箱上方，数码相机放置在模型箱的前侧，用于拍摄试验过程中的清晰图像，数码相机以固定焦距、固定距离获取试验过程中树脂颗粒的变形图片。

Description

抗滑桩土拱效应的可视化试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种抗滑桩土拱效应的可视化试验装置及方法, 属于岩土工程技术领域。

背景技术

土拱效应在岩土工程领域中广泛存在，其实质在于外力作用下的岩土体产生不均匀位移而引起内部主应力的偏转，并将荷载传递到拱脚及周围稳定岩土层中。实践证明，合理利用土拱效应可使岩土体的应力分布向有利于工程的方向发展。尤其是在抗滑桩或桩板式挡土墙加固设计中，合理认识并利用桩间与桩后土体的土拱效应，对土拱拱体的稳定性、抗滑桩合理桩间距的确定以及桩与桩间结构物土压力的分配等具有显著的理论与工程意义。因此，研发能再现抗滑桩或其他加固工程中的土拱效应并能定量评价其发挥程度的试验装置就显得极为重要。

目前，用于研究抗滑桩土拱效应的试验装置与方法主要为：离心试验和室内推力装置试验，并通过直观观测桩间岩土体坍塌情况或借助千分表、土压力盒等仪器测量仪器来确定土拱几何形态及其应力状态。但是，通过上述试验装置，仅能观测试验过程中表层岩土体的变形情况，即使在上述模型试验中埋置多种传感器，也难以获取模型中岩土体内部的全部变形与破坏情况，即无法观测土拱效应的形成和演化发展过程。此时，一些学者也尝试采用人工合成的透明土来替代自然界中的常规砂土或粘性土，进而开展抗滑桩土拱效应的试验研究。但人工合成透明土技术尚不成熟，且模型试验还需配套相应的光学观测系统和数字图像处理技术等，这些无疑增加了试验难度与成本，阻碍了该技术的推广应用。

发明内容

本发明提出一种抗滑桩土拱效应的可视化试验装置及方法。

本发明解决技术问题所采用的方案是，一种抗滑桩土拱效应的可视化试验装置，包括模型箱、推板加载板、条形灯、树脂颗粒、数码相机，所述模型箱为若干块钢化玻璃拼接而成的透明立方体，模型箱内部单层满铺树脂颗粒，模型箱内底部设有抗滑桩和桩间挡土板，模型箱内部左右两侧贴有刻度贴纸，所述推板位于模型箱内部上侧，推板通过螺杆、螺母与模型箱的顶面钢化玻璃连成一体，顶面钢化玻璃上设置利于螺杆穿过的通孔，螺杆下端与推板连接固定，螺杆上端设置与其螺纹配合的螺母，螺母抵靠推板，旋转螺母式螺杆移动带动推板加载位移，条形灯设置在模型箱上方，数码相机放置在模型箱的前侧，用于拍摄试验过程中的清晰图像，数码相机以固定焦距、固定距离获取试验过程中树脂颗粒的变形图片。

进一步的，所述模型箱由底面及前后左右四个侧面，共五块钢化玻璃拼接而成，前后侧面的钢化玻璃与底面及左右侧面的钢化玻璃经螺栓连接锁紧，模型箱顶面盖设顶面钢化玻璃。

进一步的，螺杆设置两个，顶面钢化玻璃上左右对称设有两个的通孔，通过旋转螺母，并对照两边的刻度贴纸，可精确控制推板的加载位移。

进一步的，所述抗滑桩截面为矩形或圆形，桩间挡土板布置于抗滑桩前、桩后或者不予布置，以分别模拟实际工程的桩前置板、桩后置板以及无挡土板三种工况。

进一步的，树脂颗粒为直径8 mm的透明球体，并置入水中经过浸泡处理。可较好地模拟土颗粒的力学性质

进一步的，条形灯放置于模型箱上边界斜上方100 mm处，发射的光束使模型箱内部的树脂颗粒受光均匀。

一种抗滑桩土拱效应的可视化试验装置的使用方法，包括以下步骤：

（1）制作模型箱，按照试验要求尺寸在模型箱底部布设抗滑桩与桩间挡土板，初步用钢化玻璃条固定模型箱底部与其两侧，将充分浸泡后的树脂颗粒从模型箱上方单层填入，务必保证树脂颗粒在模型箱内铺满并紧密排列，将加载板、顶面钢化玻璃、螺杆连成一体，顶面钢化玻璃与模型箱顶面连接固定；

（2）将条形灯设置与模型箱的斜上方，使光束均匀的照射在模型箱上，将数码相机固定在三脚架上，调整位置与焦距确保其成像范围将所有的树脂颗粒包含其中，并能拍摄清晰图像，同时准备一台安装有数字照相量测软件的电脑；

（3）开始试验，顺时针同步转动模型箱上边界的两根螺杆上的螺母，通过两侧的刻度贴纸控制加载板使其两侧产生均匀位移，实现其缓缓地向颗粒移动，加载过程中，打开条形灯，设置数码相机的拍摄时间间隔，并将拍摄图片存入电脑；

（4）试验结束后，借助数字照相量测软件对数码相机所记录的清晰图像予以处理，获得不同时刻模型箱中尤其是抗滑桩、桩间挡土板附近的树脂颗粒的位移场；

（5）重复步骤（1）-（4），通过设置不同的桩间距、改变挡土板布的布置位置、改变挡土板刚度的刚度，来获取不同工况下抗滑桩土拱效应。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：试验装置结构简单，造价低廉，试验操作简便易学。

附图说明

下面结合附图对本发明专利进一步说明。

图1是试验装置的主视结构示意图；

图2是试验装置的侧视结构示意图。

图中：1-模型箱1；101-抗滑桩102-桩间挡土板；103-刻度贴纸；2-顶面钢化玻璃；3-加载板；4-条形灯；5-树脂颗粒；6-螺栓；7-锁紧螺母；8-螺杆；9-螺母；10-数码相机；11-三脚架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1-2所示，一种抗滑桩土拱效应的可视化试验装置，包括模型箱、推板加载板、条形灯、树脂颗粒、数码相机，所述模型箱为若干块钢化玻璃拼接而成的透明立方体，模型箱内部单层满铺树脂颗粒，模型箱内底部设有抗滑桩和桩间挡土板，模型箱内部左右两侧贴有刻度贴纸，所述推板位于模型箱内部上侧，推板通过螺杆、螺母与模型箱的顶面钢化玻璃连成一体，顶面钢化玻璃上设置利于螺杆穿过的通孔，螺杆下端与推板连接固定，螺杆上端设置与其螺纹配合的螺母，螺母抵靠推板，旋转螺母式螺杆移动带动推板加载位移，条形灯设置在模型箱上方，数码相机放置在模型箱的前侧，用于拍摄试验过程中的清晰图像，数码相机以固定焦距、固定距离获取试验过程中树脂颗粒的变形图片。

在本实施例中，所述模型箱由底面及前后左右四个侧面，共五块钢化玻璃拼接而成，前后侧面的钢化玻璃与底面及左右侧面的钢化玻璃经螺栓连接锁紧，模型箱顶面盖设顶面钢化玻璃。模型箱首先由两块尺寸大小一致的透明钢化玻璃（500 mm×800 mm×8 mm）组成，再将两条透明钢化玻璃或PVC板（500×20×8mm）固定在两边形成左右边界，通过前后钢化玻璃两边的三个直径Φ=10mm的圆孔，其间穿过螺栓、拧紧锁紧螺母，将各构件固定在一起。其中各钢化玻璃可随意通过螺栓和锁紧螺母进行固定和拆除。

在本实施例中，螺杆设置两个，顶面钢化玻璃上左右对称设有两个的通孔，通过旋转螺母，并对照两边的刻度贴纸，可精确控制推板的加载位移。

在本实施例中，所述抗滑桩截面为为矩形或圆形，桩间挡土板布置于抗滑桩前、桩后或者不予布置，以分别模拟实际工程的桩前置板、桩后置板以及无挡土板三种工况。比如，抗滑桩采用PVC板予以模拟，其矩形截面尺寸为40 mm×40 mm×8mm，桩间距统一设置为5倍的桩截面宽度，桩间挡土板布置于桩前，模拟实际工程中的桩前置板工况。

在本实施例中，树脂颗粒为直径8 mm的透明球体，并置入水中经过浸泡处理，树脂颗粒经水充分浸泡后（浸泡时不小于约24 小时）表现为吸水膨胀的树脂颗粒。经水充分浸泡后可较好地模拟土颗粒的力学、物理性质，可较好地模拟土颗粒的力学性质

在本实施例中，条形灯放置于模型箱上边界斜上方100 mm处，发射的光束使模型箱内部的树脂颗粒受光均匀。

一种抗滑桩土拱效应的可视化试验装置的使用方法，包括以下步骤：

（1）制作模型箱，按照试验要求尺寸在模型箱底部布设抗滑桩与桩间挡土板，初步用钢化玻璃条固定模型箱底部与其两侧，将充分浸泡后的树脂颗粒从模型箱上方单层填入，务必保证树脂颗粒在模型箱内铺满并紧密排列，将加载板、顶面钢化玻璃、螺杆连成一体，顶面钢化玻璃与模型箱顶面连接固定；

（2）将条形灯设置与模型箱的斜上方，使光束均匀的照射在模型箱上，将数码相机固定在三脚架上，调整位置与焦距确保其成像范围将所有的树脂颗粒包含其中，并能拍摄清晰图像，同时准备一台安装有数字照相量测软件的电脑；

（3）开始试验，顺时针同步转动模型箱上边界的两根螺杆上的螺母，通过两侧的刻度贴纸控制加载板使其两侧产生均匀位移，实现其缓缓地向颗粒移动，加载过程中，打开条形灯，设置数码相机的拍摄时间间隔，并将拍摄图片存入电脑；比如，数码相机采用高分辨率的数码单反相机，用三脚架将其固定在模型箱的正视方1.0 m处，其焦距为50 mm，图像拍摄间隙为15 s。

（4）试验结束后，借助数字照相量测软件对数码相机所记录的清晰图像予以处理，获得不同时刻模型箱中尤其是抗滑桩、桩间挡土板附近的树脂颗粒的位移场；

（5）重复步骤（1）-（4），通过设置不同的桩间距、改变挡土板布的布置位置、改变挡土板刚度的刚度，来获取不同工况下抗滑桩土拱效应。

本试验装置摈弃了传统的三维土拱试验装置，提供了一种单层平面抗滑桩土拱效应的可视化试验装置与方法，无需预埋传感器即可直接观测和研究土拱效应的形成、演化乃至破坏过程，大大降低了试验成本与试验难度，为土拱效应的物理模型试验提供一种新的试验装置方法和研究思路。

本实验装置采用钢化玻璃与透明的树脂颗粒，并用数码相机记录每一时刻的清晰图像，实验时，装置借助数字照相量测软件而无需在模型中预埋各种传感器，即直观观测数值颗粒试验全过程中位移场的连续变化和颗粒之间的相互作用现象，以及桩间土拱的形成与演化。

上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种抗滑桩土拱效应的可视化试验装置，其特征在于：包括模型箱、推板加载板、条形灯、树脂颗粒、数码相机，所述模型箱为若干块钢化玻璃拼接而成的透明立方体，模型箱内部单层满铺树脂颗粒，模型箱内底部设有抗滑桩和桩间挡土板，模型箱内部左右两侧贴有刻度贴纸，所述推板位于模型箱内部上侧，推板通过螺杆、螺母与模型箱的顶面钢化玻璃连成一体，顶面钢化玻璃上设置利于螺杆穿过的通孔，螺杆下端与推板连接固定，螺杆上端设置与其螺纹配合的螺母，螺母抵靠推板，旋转螺母式螺杆移动带动推板加载位移，条形灯设置在模型箱上方，数码相机放置在模型箱的前侧，用于拍摄试验过程中的清晰图像，数码相机以固定焦距、固定距离获取试验过程中树脂颗粒的变形图片。

2.根据权利要求1所述的抗滑桩土拱效应的可视化试验装置，其特征在于：所述模型箱由底面及前后左右四个侧面，共五块钢化玻璃拼接而成，前后侧面的钢化玻璃与底面及左右侧面的钢化玻璃经螺栓连接锁紧，模型箱顶面盖设顶面钢化玻璃。

3.根据权利要求1所述的抗滑桩土拱效应的可视化试验装置，其特征在于：螺杆设置两个，顶面钢化玻璃上左右对称设有两个的通孔。

4.根据权利要求1所述的抗滑桩土拱效应的可视化试验装置，其特征在于：所述抗滑桩截面为矩形或圆形，桩间挡土板布置于抗滑桩前、桩后或者不予布置，以分别模拟实际工程的桩前置板、桩后置板以及无挡土板三种工况。

5.根据权利要求1所述的抗滑桩土拱效应的可视化试验装置，其特征在于：树脂颗粒为直径8 mm的透明球体，并置入水中经过浸泡处理。

6.根据权利要求1所述的抗滑桩土拱效应的可视化试验装置，其特征在于：条形灯放置于模型箱上边界斜上方100 mm处。

7.一种抗滑桩土拱效应的可视化试验装置的使用方法，采用如权利要求1所述的抗滑桩土拱效应的可视化试验装置，其特征在于，包括以下步骤：

（1）制作模型箱，按照试验要求尺寸在模型箱底部布设抗滑桩与桩间挡土板，初步用钢化玻璃条固定模型箱底部与其两侧，将充分浸泡后的树脂颗粒从模型箱上方单层填入，务必保证树脂颗粒在模型箱内铺满并紧密排列，将加载板、顶面钢化玻璃、螺杆连成一体，顶面钢化玻璃与模型箱顶面连接固定；

（2）将条形灯设置与模型箱的斜上方，使光束均匀的照射在模型箱上，将数码相机固定在三脚架上，调整位置与焦距确保其成像范围将所有的树脂颗粒包含其中，并能拍摄清晰图像，同时准备一台安装有数字照相量测软件的电脑；

（3）开始试验，顺时针同步转动模型箱上边界的两根螺杆上的螺母，通过两侧的刻度贴纸控制加载板使其两侧产生均匀位移，实现其缓缓地向颗粒移动，加载过程中，打开条形灯，设置数码相机的拍摄时间间隔，并将拍摄图片存入电脑；

（4）试验结束后，借助数字照相量测软件对数码相机所记录的清晰图像予以处理，获得不同时刻模型箱中尤其是抗滑桩、桩间挡土板附近的树脂颗粒的位移场；

（5）重复步骤（1）-（4），通过设置不同的桩间距、改变挡土板布的布置位置、改变挡土板刚度的刚度，来获取不同工况下抗滑桩土拱效应。