CN109868849A - 一种桩土相互作用可视化试验装置及其试验方法 - Google Patents
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Abstract
发明提供一种桩土相互作用可视化试验装置及其试验方法。该试验箱装置包括试验箱、桩体限位器、模型桩、可视化系统、桩体加载和测量装置。所述有机玻璃箱体嵌在箱体支撑钢架内腔中，可拆卸桩体限位器位于试验箱上部以保证桩体竖直、紧贴箱内壁。开发出匹配的多种模型半桩进行染色的土颗粒层中的桩土相互作用研究。结合布置的可视化系统及现代图像处理分析技术，实现了桩土相互作用全过程的动态应力、变形、位移、土体孔隙率、土颗粒破碎等土体内部细节信息揭示。该装置实现了试验研究宏观层面上桩‑土层作用及细微观层面上桩‑土颗粒作用的结合，可模拟多种试验研究工况，装置重量轻，部件拆卸性好，结构、部件的作用力明确。
Description
技术领域
本发明涉及地基基础工程技术领域，特别涉及一种桩土相互作用可视化试验装置及其试验方法。
背景技术
土木工程地基处理中，常面临着地基的承载力及稳定性不足、压缩及不均匀沉降和液化等问题。桩基作为一种最为常用的处理不良地基的方法,广泛应用于各种工程建设中。然而，桩基在竖向荷载作用下，桩与桩周土颗粒相互作用，共同承受上部结构的荷载，作用规律较为复杂，一直为地基中桩基研究的难点，分析地基的变形与破坏的保守估计常大幅提高了工程造价。
桩-土相互作用规律主要包含桩基与桩周土两方面，桩基的制作材料一般为相对均匀、强度较大的混凝土材料，应力、变形规律多在稳定、易测的线弹性范围；而桩周土的性质复杂、在大位移下，以难以刻画的塑性变形为主，且其性质受加卸载路径影响，造成了研究桩土相互作用的困难，对于预测桩体的变形、位移、破坏等与设计情况相差极大，甚至造成桩基的失效。例如，在南海工程建筑与结构的修建过程中，桩基往往穿过钙质珊瑚砂地基，在桩基贯入下沉的过程中，钙质砂土颗粒牵引下沉、破碎，桩基的承载能力丧失可达一半以上，甚至导致桩基突然下沉数米失效，地基基础工程项目的失败。研究桩土相互作用，评价其对地基强度、变形及稳定性的影响，对工程实践提够设计依据和评价参数的意义重大。
然而，现有技术中对桩土相互作用的研究方法并不完善，较难准确的研究桩-土相互作用的规律。传统的室内桩基模型试验中，在桩顶荷载作用下，桩周土体中应力、变形、位移、土颗粒破碎等信息掩埋在土体内部，往往难以准确测量。基于上述方法的不足，部分工程技术研究人员采用缩尺试验，在几十厘米尺寸级别的模型箱中，用无定型硅或熔融石英砂混合相应的流体制作透明土来模拟桩周饱和土体，实现了桩-土相互作用的可视化研究。然而，模拟的无定型硅或熔融石英砂与实际工程中的土颗粒性质存在较大差异、实际中的土体常处于非饱和状态、透明土试验中模型缩尺过大，等原因极可能导致桩周土位移与工程实际不符。此外，透明土试验中，桩土相互作用下的土颗粒的破碎目前还难以测量，可视化试验中保持贯入桩体的竖直贴壁状态依然困难、试验中桩体形态也过于简单而本身变形仍然难以测量。所以，在工程真实土颗粒下的较大型模型试验中，反映桩土相互作用的试验方法突破十分必要。
因此，亟需发开一种试验便捷的桩土相互作用可视化试验装置及其试验方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种桩土相互作用可视化试验装置及其试验方法，以解决现有技术中存在的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种桩土相互作用可视化试验装置，包括有机玻璃箱体、若干桩体限位器、箱体支撑钢架、两个活动支座、活动反力梁、模型半桩和可视化系统。
所述箱体支撑钢架整体为一个矩形箱体。这个矩形箱体的上端面设置有顶部钢板加强箍。所述有机玻璃箱体为矩形箱体。所述有机玻璃箱体嵌座在箱体支撑钢架的内腔中。所述箱体支撑钢架的高度大于有机玻璃箱体的高度。所述有机玻璃箱体的内腔填筑土体材料。所述土体材料包括间隔布置的若干层未染色土颗粒层和同级配的彩色土颗粒层。
所述箱体支撑钢架的四侧壁面依次为第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁。所述第一侧壁和第三侧壁板面均设置有若干个限位器固定孔。所述限位器固定孔布置在壁面的上端。所述第二侧壁和第四侧壁的板面上具有镂空部分。所述钢板加强箍在第一侧壁和第三侧壁对应位置处设置有支座固定孔。
所述桩体限位器包括长条状本体和本体两端的固定端。所述长条状本体上设置有若干个桩体预留位。所述桩体预留位为贯穿长条状本体上下表面的孔洞。所述桩体预留位的位置与有机玻璃箱体箱壁厚相匹配。所述固定端上设置有螺栓孔。螺栓依次穿过固定端上的螺栓孔和对应限位器固定孔后旋入螺母，将桩体限位器固定于支撑钢架上。
所述两个活动支座对称布置在钢板加强箍上方，并通过支座固定孔与钢板加强箍固定连接。所述活动反力梁布置在两个活动支座之间，并与活动支座固定连接。所述活动反力梁的长度方向与第二侧壁和第四侧壁的板面平行。所述活动反力梁上设置有贯穿其上下表面的圆柱空心孔。
所述模型半桩包括桩体和桩尖。所述桩体为半圆柱金属空心桩。所述桩体预留位的尺寸与桩体横截面尺寸相匹配。所述桩体的内壁上粘贴有应变片。所述桩体的侧壁上设置有供导线穿过的侧壁孔。试验时，所述模型半桩穿过桩体预留位后贯入土体材料中。所述模型半桩的矩形外壁紧贴有机玻璃箱体的内壁。所述模型半桩的顶部布置平直载荷板或中空载荷板。所述活动反力梁与平直载荷板之间布置有液压千斤顶。所述活动反力梁上方布置有穿心千斤顶。
所述可视化系统包括拍照灯、高清PIV相机和图像处理分析系统。拍照灯对称布置于第二侧壁或第四侧壁前方两侧。高清PIV相机置于第二侧壁或第四侧壁正前方。图像处理分析系统连接高清PIV相机。
试验时，液压千斤顶或穿心千斤顶分级施加荷载，使模型半桩下沉或上拔。高清PIV相机连续拍摄记录随荷载施加桩周土体的变化信息。图像处理分析系统对土体颗粒进行追踪分析。
进一步，所述模型半桩包括受压模型桩和受拉模型桩。
所述受压模型桩的桩体的内腔中焊接有半圆形承压封闭片。所述半圆形承压封闭片将受压模型桩桩体的内腔分隔为上部空腔和下部空腔。所述承压封闭片上设置有导线孔。所述受压模型桩的桩尖为活动桩尖。所述活动桩尖包括连接部和桩尖本体。所述连接部嵌固在下部空腔中。所述承压封闭片的下表面和连接部的上表面之间设置有压力传感器。所述桩尖本体为半圆柱状或半圆锥状。
所述受拉模型桩的桩体上端的侧壁设置有上拔固定孔。所述受拉模型桩的桩尖通过焊接或栓接方式与桩体相连。所述桩尖采用膨大部。试验时，受拉模型桩通过中空拉拔管与穿心千斤顶相连。所述中空拉拔管外壁上设置有拉拔管外凸平台。所述中空载荷板板面上设置有孔洞。所述中空荷载板套设在中空拉拔管外壁上。所述中空载荷板的下板面搭设在拉拔管外凸平台上。所述中空拉拔管的上端穿过圆柱空心孔后与穿心千斤顶相连。所述中空拉拔管的下端通过螺栓与受拉模型桩的上端连接。
本发明还公开一种桩土相互作用可视化试验装置，包括有机玻璃箱体、若干桩体限位器、箱体支撑钢架、两个活动支座、活动反力梁、模型半桩和可视化系统。
所述箱体支撑钢架整体为一个矩形箱体。这个矩形箱体的上端面设置有顶部钢板加强箍。所述有机玻璃箱体为矩形箱体。所述有机玻璃箱体嵌座在箱体支撑钢架的内腔中。所述箱体支撑钢架的高度大于有机玻璃箱体的高度。所述有机玻璃箱体的内腔填筑土体材料。所述土体材料包括间隔布置的若干层未染色土颗粒层和同级配的彩色土颗粒层。
所述箱体支撑钢架的四侧壁面依次为第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁。所述第一侧壁和第三侧壁板面均设置有若干个限位器固定孔。所述限位器固定孔布置在壁面的上端。所述第二侧壁和第四侧壁的板面上具有镂空部分。所述钢板加强箍在第一侧壁和第三侧壁对应位置处设置有支座固定孔。
所述桩体限位器包括长条状本体和本体两端的固定端。所述长条状本体上设置有若干个桩体预留位。所述桩体预留位为贯穿长条状本体上下表面的孔洞。所述桩体预留位的位置与有机玻璃箱体箱壁厚相匹配。所述固定端上设置有螺栓孔。螺栓依次穿过固定端上的螺栓孔和对应限位器固定孔后旋入螺母，将桩体限位器固定于支撑钢架上。
所述两个活动支座对称布置在钢板加强箍上方，并通过支座固定孔与钢板加强箍固定连接。所述活动反力梁布置在两个活动支座之间，并与活动支座固定连接。所述活动反力梁的长度方向与第二侧壁和第四侧壁的板面平行。所述活动反力梁上设置有贯穿其上下表面的圆柱空心孔。
所述模型半桩包括桩体和桩尖。所述模型半桩的桩体包括上部半圆柱金属空心桩和下部变截面桩。所述上部半圆柱金属空心桩的横截面尺寸与桩体预留位的尺寸相匹配。所述上部半圆柱金属空心桩的高度大于模型半桩的贯入下沉深度。所述上部半圆柱金属空心桩的侧壁上设置有供导线穿过的侧壁孔。所述下部变截面桩整体为半圆柱金属空心桩，这个空心管桩的平面内壁上粘贴有应变片。所述下部变截面桩的曲面侧壁上设置有楔形、锯齿或台阶。试验时，所述模型半桩穿过桩体预留位后贯入土体材料中。所述下部变截面桩的矩形外壁紧贴有机玻璃箱体的内壁。所述模型半桩的顶部布置平直载荷板或中空载荷板。所述活动反力梁与平直载荷板之间布置有液压千斤顶。所述活动反力梁上方布置有穿心千斤顶。
所述可视化系统包括拍照灯、高清PIV相机和图像处理分析系统。拍照灯对称布置于第二侧壁或第四侧壁前方两侧。高清PIV相机置于第二侧壁或第四侧壁正前方。图像处理分析系统连接高清PIV相机。
试验时，液压千斤顶或穿心千斤顶分级施加荷载，使模型半桩下沉或上拔。高清PIV相机连续拍摄记录随荷载施加桩周土体的变化信息。图像处理分析系统对土体颗粒进行追踪分析。
进一步，所述箱体支撑钢架与有机玻璃箱体的高度差为25～35cm。
进一步，所述长条状本体由若干桩体限位块和连接钢条拼接而成。所述桩体限位块上设置有贯穿其上下表面的桩体预留位。所述桩体限位块的两侧均具有长条状插芯。所述连接钢条的端部具有供长条状插芯插接的插芯槽。相邻的桩体限位块和连接钢条通过长条状插芯和插芯槽的插接配合连接在一起。
本发明还公开一种上述试验装置的试验方法，包括以下步骤：
1)根据模拟工况选择相应管径的模型半桩，按要求布设压力传感器和应变片。
2)根据模拟工况，选择土颗粒材料和相应的工业染色剂。
3)将土颗粒材料筛分成多个粒径组，不同粒径组的土颗粒材料染为不同颜色进行标定，干燥后得到不同粒径颜色不同的染色土颗粒。
4)将染色后的土颗粒材料按粒径级配比例均匀混合，制备为混合土颗粒材料。
5)清理有机玻璃箱体。结合工况，在有机玻璃箱体的内腔中分层分区填筑彩色土颗粒层和同级配的未染色土颗粒层至设计深度。
6)安装桩体限位器于支撑钢架上。
7)安装模型半桩，在桩周间隔布设彩色土颗粒层和同级配的未染色土颗粒层至设计桩基埋深。
8)布设液压千斤顶加载系统或穿心千斤顶加载系统。
9)布设可视化系统并调试。
10)使用液压千斤顶或穿心千斤顶对模型半桩分级施加荷载。
11)利用图像处理分析系统控制高清PIV相机，拍摄任意时间点的模型半桩下沉或上拔图像，并分析获得彩色土颗粒层各点的位移线，桩周砂层各点的变形速率矢量。
12)采用图像处理分析系统中软件，对桩侧染色砂层下部不同粒径大小的颗粒进行追踪分析，分析大颗粒与小颗粒的位移路径，分析出不同大小土颗粒的迁移差异，采集、拍照操作直至千斤顶加载使半桩位移到设计值或直至破坏。
13)分层开挖土颗粒层，开挖到染色土颗粒层后，沿桩侧设计取样点进行破碎土颗粒取样。
14)采用土壤筛将每个试样分成不同粒径组颗粒，并将各粒径组颗粒放入圆碟中铺展开，拍照、二值化处理获得二值化颗粒，依据各颜色二值化颗粒面积得到初始各粒径大小颗粒的破碎量、试样总的土颗粒破碎情况。
15)分析拍照所得任意时间的图像上，桩周不同粒径颗粒的破碎量、依据各颜色颗粒在图片中的面积百分比，采用图像处理分析系统对桩土相互作用图片进行破碎颗粒的最初来源粒径、定向排列颗粒的主要粒径范围的分析。
16)直接对桩土相互作用图片进行颗粒的二值化处理，分析得到各颜色颗粒破碎数据。与土壤筛法取样所得土颗粒样的二值化处理，分析所得各颜色颗粒破碎情况对比。
17)取出模型半桩，清理出有机玻璃箱体内所有土颗粒。依次开展不同桩型、桩间距、填土颗粒大小、密实度、荷载大小等工况下的试验，直至设计所有工况试验完成。
18)分析模型半桩任意时刻的位移曲线、应力分布曲线，结合本发明所得不同粒径颗粒迁移路径、颗粒定向排列，分析桩-土相互作用，为工程设计、施工提供参数。
本发明的技术效果是毋庸置疑的：
A.实现了采用实际工程相同材料与级配的土颗粒进行大尺寸桩-土相互作用试验的可能，桩体限位器保证了桩体的竖直、紧贴箱壁状态，试验可控性提高；
B.开发出一套桩-土相互作用试验的模型半桩体，实现了不同桩型的桩端贯入应力和桩身变形动态测量；
C.结合可视化技术，实现了桩土相互作用全过程的动态应力、变形、位移、土体孔隙率和土颗粒破碎等土体内部细节信息揭示；
D.实现了试验研究宏观层面上桩-土层作用及细微观层面上桩-土颗粒作用的结合，可模拟多种试验研究工况，装置重量轻，部件拆卸性好，结构、部件的作用力明确。
附图说明
图1为可视化桩土相互作用试验装置图；
图2有机玻璃模型箱结构示意图；
图3为桩体限位器平面布置图；
图4为桩体限位器结构示意图；
图5为受压模型半桩结构示意图；
图6为受拉模型半桩结构示意图；
图7为受拉模型半桩上部连接截面图；
图8为中空载荷板；
图9为变截面模型桩剖面图；
图10为染色砂层位移及位移速度矢量图；
图11为桩周土颗粒破碎、迁移、定向排列示意图；
图12为模型半桩桩周、桩底土颗粒取样位置示意图；
图13为模型半桩周围土颗粒二值化分析示意图；
图14为桩周土孔隙率或颗粒破碎空间分布示意图。
图中：有机玻璃箱体1、桩体限位器2、固定端201、桩体限位块202、连接钢条203、插芯槽204、长条状插芯205、桩体预留位206、受压模型桩3、半圆形承压封闭片301、连接部302、桩尖本体303、受拉模型桩4、平直载荷板5、中空载荷板50、支撑钢架6、钢板加强箍601、限位器固定孔602、支座固定孔603、液压千斤顶7、穿心千斤顶8、活动支座9、活动反力梁10、圆柱空心孔1001、压力传感器23、应变片29、拍照灯31、高清PIV相机32、图像处理分析系统33、彩色土颗粒层35、千分表38、中空拉拔管39、拉拔管外凸平台41、位移线43、变形速率矢量44、等值线45、破碎颗粒49、定向排列颗粒50、取样点位51、二值化颗粒52。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
参见图1，本实施例公开一种桩土相互作用可视化试验装置，包括有机玻璃箱体1、两个桩体限位器2、箱体支撑钢架6、两个活动支座9、活动反力梁10、模型半桩和可视化系统。
参见图2，所述箱体支撑钢架6整体为一个矩形箱体。这个矩形箱体的上端面设置有顶部钢板加强箍601。所述有机玻璃箱体1为矩形箱体。所述有机玻璃箱体1嵌座在箱体支撑钢架6的内腔中。所述箱体支撑钢架6与有机玻璃箱体1的高度差为25～35cm。所述有机玻璃箱体1的内腔填筑土体材料。所述土体材料包括间隔布置的多层未染色土颗粒层和同级配的彩色土颗粒层35。
所述箱体支撑钢架6的四侧壁面依次为第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁。所述第一侧壁和第三侧壁板面均设置有若干个限位器固定孔602。所述限位器固定孔602布置在壁面的上端。所述第二侧壁和第四侧壁的板面上具有镂空部分。所述钢板加强箍601在第一侧壁和第三侧壁对应位置处设置有支座固定孔603。
参见图3、图4，所述桩体限位器2包括长条状本体和本体两端的固定端201。所述长条状本体由多个桩体限位块202和多根连接钢条203拼接而成。所述桩体限位块202上设置有贯穿其上下表面的桩体预留位206。所述桩体预留位206的位置与有机玻璃箱体1箱壁厚相匹配。所述桩体限位块202的两侧均具有长条状插芯205。所述连接钢条203的端部具有供长条状插芯205插接的插芯槽204。相邻的桩体限位块202和连接钢条203通过长条状插芯205和插芯槽204的插接配合连接在一起。所述固定端201上设置有螺栓孔。螺栓依次穿过固定端201上的螺栓孔和对应限位器固定孔602后旋入螺母，将桩体限位器2固定于支撑钢架6上。两个桩体限位器2布设在第二侧壁或第四侧壁上。两个桩体限位器2上下间隔布置。
所述两个活动支座9对称布置在钢板加强箍601上方，并通过支座固定孔603与钢板加强箍601固定连接。所述活动反力梁10布置在两个活动支座9之间，并与活动支座9固定连接。所述活动反力梁10的长度方向与第二侧壁和第四侧壁的板面平行。参见图1，活动反力梁10通过两个活动支座9可以固定在第二侧壁或第四侧壁上方对应位置。所述活动反力梁10上设置有贯穿其上下表面的圆柱空心孔1001。
所述模型半桩包括受压模型桩3和受拉模型桩4。所述模型半桩包括桩体和桩尖。所述桩体为半圆柱金属空心桩。所述桩体预留位206的尺寸与桩体横截面尺寸相匹配。所述桩体的内壁上粘贴有应变片29。所述桩体的侧壁上设置有供导线穿过的侧壁孔。
参见图5，所述受压模型桩3的桩体的内腔中焊接有半圆形承压封闭片301。所述半圆形承压封闭片301将受压模型桩3桩体的内腔分隔为上部空腔和下部空腔。所述承压封闭片301上设置有导线孔。所述受压模型桩3的桩尖为活动桩尖。所述活动桩尖包括连接部302和桩尖本体303。所述连接部302嵌固在下部空腔中。所述承压封闭片301的下表面和连接部302的上表面之间设置有压力传感器23。所述桩尖本体303为半圆柱状或半圆锥状。
参见图6、图7和图8，所述受拉模型桩4的桩体上端的侧壁设置有上拔固定孔401。所述受拉模型桩4的桩尖通过焊接或栓接方式与桩体相连。所述桩尖采用膨大部402。试验时，受拉模型桩4通过中空拉拔管39与穿心千斤顶8相连。所述中空拉拔管39外壁上设置有拉拔管外凸平台41。所述中空载荷板50板面上设置有孔洞。所述中空荷载板套设在中空拉拔管39外壁上。所述中空载荷板50的下板面搭设在拉拔管外凸平台41上。所述中空拉拔管39的上端穿过圆柱空心孔1001后与穿心千斤顶8相连。所述中空拉拔管39的下端通过螺栓与受拉模型桩4的上端连接。
试验时，所述模型半桩穿过桩体预留位206后贯入土体材料中。所述模型半桩的矩形外壁紧贴有机玻璃箱体1的内壁。所述模型半桩的顶部布置平直载荷板5或中空载荷板50。所述活动反力梁10与平直载荷板5之间布置有液压千斤顶7。所述活动反力梁10上方布置有穿心千斤顶8。
所述可视化系统包括拍照灯31、高清PIV相机32和图像处理分析系统33。拍照灯31对称布置于第二侧壁或第四侧壁前方两侧。高清PIV相机32置于第二侧壁或第四侧壁正前方。图像处理分析系统33连接高清PIV相机32。
试验时，液压千斤顶7或穿心千斤顶8分级施加荷载，使模型半桩下沉或上拔。高清PIV相机32连续拍摄记录随荷载施加桩周土体的变化信息。图像处理分析系统33对土体颗粒进行追踪分析。
实施例2：
本实施例公开一种桩土相互作用可视化试验装置，包括有机玻璃箱体1、多个桩体限位器2、箱体支撑钢架6、两个活动支座9、活动反力梁10、模型半桩和可视化系统。
所述箱体支撑钢架6整体为一个矩形箱体。这个矩形箱体的上端面设置有顶部钢板加强箍601。所述有机玻璃箱体1为矩形箱体。所述有机玻璃箱体1嵌座在箱体支撑钢架6的内腔中。所述箱体支撑钢架6与有机玻璃箱体1的高度差为25～35cm。所述有机玻璃箱体1的内腔填筑土体材料。所述土体材料包括间隔布置的若干层未染色土颗粒层和同级配的彩色土颗粒层35。
所述箱体支撑钢架6的四侧壁面依次为第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁。所述第一侧壁和第三侧壁板面均设置有若干个限位器固定孔602。所述限位器固定孔602布置在壁面的上端。所述第二侧壁和第四侧壁的板面上具有镂空部分。所述钢板加强箍601在第一侧壁和第三侧壁对应位置处设置有支座固定孔603。
所述桩体限位器2包括长条状本体和本体两端的固定端201。所述长条状本体由若干桩体限位块202和连接钢条203拼接而成。所述桩体限位块202上设置有贯穿其上下表面的桩体预留位206。所述桩体限位块202的两侧均具有长条状插芯205。所述连接钢条203的端部具有供长条状插芯205插接的插芯槽204。相邻的桩体限位块202和连接钢条203通过长条状插芯205和插芯槽204的插接配合连接在一起。所述长条状本体上设置有若干个桩体预留位206。所述桩体预留位206为贯穿长条状本体上下表面的孔洞。所述桩体预留位206的位置与有机玻璃箱体1箱壁厚相匹配。所述固定端201上设置有螺栓孔。螺栓依次穿过固定端201上的螺栓孔和对应限位器固定孔602后旋入螺母，将桩体限位器2固定于支撑钢架6上。
所述两个活动支座9对称布置在钢板加强箍601上方，并通过支座固定孔603与钢板加强箍601固定连接。所述活动反力梁10布置在两个活动支座9之间，并与活动支座9固定连接。所述活动反力梁10的长度方向与第二侧壁和第四侧壁的板面平行。所述活动反力梁10上设置有贯穿其上下表面的圆柱空心孔1001。
所述模型半桩包括桩体和桩尖。所述模型半桩的桩体包括上部半圆柱金属空心桩和下部变截面桩。所述上部半圆柱金属空心桩的横截面尺寸与桩体预留位206的尺寸相匹配。所述上部半圆柱金属空心桩的高度大于模型半桩的贯入下沉深度。所述上部半圆柱金属空心桩的侧壁上设置有供导线穿过的侧壁孔。所述下部变截面桩整体为半圆柱金属空心桩，这个空心管桩的平面内壁上粘贴有应变片29。所述下部变截面桩的曲面侧壁上设置有楔形、锯齿或台阶。所述下部变截面桩剖视图如图9所示。试验时，所述模型半桩穿过桩体预留位206后贯入土体材料中。所述下部变截面桩的矩形外壁紧贴有机玻璃箱体1的内壁。所述模型半桩的顶部布置平直载荷板5或中空载荷板50。所述活动反力梁10与平直载荷板5之间布置有液压千斤顶7。所述活动反力梁10上方布置有穿心千斤顶8。
所述可视化系统包括拍照灯31、高清PIV相机32和图像处理分析系统33。拍照灯31对称布置于第二侧壁或第四侧壁前方两侧。高清PIV相机32置于第二侧壁或第四侧壁正前方。图像处理分析系统33连接高清PIV相机32。
试验时，液压千斤顶7或穿心千斤顶8分级施加荷载，使模型半桩下沉或上拔。高清PIV相机32连续拍摄记录随荷载施加桩周土体的变化信息。图像处理分析系统33对土体颗粒进行追踪分析。
实施例3：
本实施例公开一种关于实施例1或2所述试验装置的试验方法，包括以下步骤：
1)根据模拟工况选择相应管径的模型半桩，按要求布设压力传感器23和应变片29。
2)根据模拟工况，选择土颗粒材料和相应的工业染色剂。
3)将土颗粒材料筛分成多个粒径组，不同粒径组的土颗粒材料染为不同颜色进行标定，干燥后得到不同粒径颜色不同的染色土颗粒。
4)将染色后的土颗粒材料按粒径级配比例均匀混合，制备为混合土颗粒材料。
5)清理有机玻璃箱体1。结合工况，在有机玻璃箱体1的内腔中分层分区填筑彩色土颗粒层35和同级配的未染色土颗粒层至设计深度。
6)安装桩体限位器2于支撑钢架6上。
7)安装模型半桩，在桩周间隔布设彩色土颗粒层35和同级配的未染色土颗粒层至设计桩基埋深。
8)布设液压千斤顶7加载系统或穿心千斤顶8加载系统。
9)布设可视化系统并调试。
10)使用液压千斤顶7或穿心千斤顶8对模型半桩分级施加荷载。
11)利用图像处理分析系统33控制高清PIV相机32，拍摄任意时间点的模型半桩下沉或上拔图像，并分析获得彩色土颗粒层35各点的位移线，桩周砂层各点的变形速率矢量。
12)采用图像处理分析系统33中软件，对桩侧染色砂层35下部不同粒径大小的颗粒进行追踪分析，分析大颗粒与小颗粒的位移路径，分析出不同大小土颗粒的迁移差异，采集、拍照操作直至千斤顶加载使半桩位移到设计值或直至破坏。
13)分层开挖土颗粒层，开挖到染色土颗粒层后，沿桩侧设计取样点进行破碎土颗粒取样。
14)采用土壤筛将每个试样分成不同粒径组颗粒，并将各粒径组颗粒放入圆碟中铺展开，拍照、二值化处理获得二值化颗粒，依据各颜色二值化颗粒面积得到初始各粒径大小颗粒的破碎量、试样总的土颗粒破碎情况。
15)分析拍照所得任意时间的图像上，桩周不同粒径颗粒的破碎量、依据各颜色颗粒在图片中的面积百分比，采用图像处理分析系统33对桩土相互作用图片进行破碎颗粒的最初来源粒径、定向排列颗粒的主要粒径范围的分析。
16)直接对桩土相互作用图片进行颗粒的二值化处理，分析得到各颜色颗粒破碎数据。与土壤筛法取样所得土颗粒样的二值化处理，分析所得各颜色颗粒破碎情况对比。
17)取出模型半桩，清理出有机玻璃箱体1内所有土颗粒。依次开展不同桩型、桩间距、填土颗粒大小、密实度、荷载大小等工况下的试验，直至设计所有工况试验完成。
18)分析模型半桩任意时刻的位移曲线、应力分布曲线，结合本实施例所得不同粒径颗粒迁移路径、颗粒定向排列，分析桩-土相互作用，为工程设计、施工提供参数。
实施例4：
本实施例公开一种关于实施例1所述试验装置的试验方法，包括以下步骤：
1)根据模拟工况选择相应管径的模型半桩，按要求布设压力传感器23和应变片29。
2)选择土颗粒材料和相应的工业染色剂。
3)根据模拟工况，将土颗粒材料筛分成多个粒径组。不同粒径组的土颗粒材料染为不同颜色进行标定。将不同粒径组的土颗粒材料分别浸泡在不同颜色染色剂中，干燥后得到不同粒径颜色不同的染色土颗粒。
4)将染色后的土颗粒材料依设计的粒径级配比例均匀混合，制备为与实际工况相对应级配的混合土颗粒材料。
5)清理有机玻璃箱体1。结合工况，在有机玻璃箱体1的内腔中分层装填10～20cm的未染色土颗粒。未染色土颗粒采用木板、小锤击实。之后，间隔铺设定级配的彩色土颗粒层35和同级配未染色土颗粒层，直至铺设2～3层彩色土颗粒层35。其中，彩色土颗粒层铺设厚度为2～4cm，未染色土颗粒层铺设厚度为4～8cm。并采用木锤和木板把各土颗粒层轻敲击实到设计高度以控制土层密实度。
6)安装2个桩体限位器2于支撑钢架6上。
7)安装受压模型桩3和受拉模型桩4。所述受压模型桩3和受拉模型桩4的矩形外壁平面紧贴有机玻璃箱体1的内壁。所述受压模型桩3和受拉模型桩4的桩底到达土颗粒层表面。各半模型桩间距为4-7倍桩径。在桩周间隔布设彩色土颗粒层35和同级配的未染色土颗粒层至设计桩基埋深。其中，铺设厚度为10-20cm。
8)在受压半模型桩3顶部布设液压千斤顶7，在活动反力梁10上方布设穿心千斤顶8，并调试液压千斤顶7、穿心千斤顶8和千分表38。
所述受压半模型桩3和液压千斤顶7之间具有平直载荷板5，该平直载荷板5边角对称位置布置有千分表38。所述液压千斤顶7与活动反力梁10之间也具有平直载荷板5。
受拉模型桩4通过中空拉拔管39与穿心千斤顶8相连。所述中空荷载板50套设在中空拉拔管39外壁上。所述中空载荷板50的下板面搭设在拉拔管外凸平台41上。所述中空拉拔管39的上端穿过圆柱空心孔1001后与穿心千斤顶8相连。所述中空拉拔管39的下端通过螺栓与受拉模型桩4的上端连接。所述中空载荷板50的对称位布置千分表38。
9)布设可视化系统并调试。
10)使用液压千斤顶7对受压半模型桩3分级加压，使受压半模型桩3受荷下沉。使用穿心千斤顶8使受拉半模型桩4向上位移。
11)参见图10，利用图像处理分析系统33控制高清PIV相机32，拍摄任意时间点的模型半桩下沉或上拔图像，并分析获得彩色土颗粒层35各点的位移线43，桩周砂层各点的变形速率矢量44。在模型桩刺入土颗粒层的不同阶段，本实施例得到的沿桩端径向和桩中心线轴向不同位置的砂土位移图，反映出了桩-土颗粒层的宏观相互作用规律。
12)参见图11，采用图像处理分析系统33中软件，对桩侧染色砂层35下部不同粒径大小的颗粒进行追踪分析，分析大颗粒与小颗粒的位移路径，分析出不同大小土颗粒的迁移差异，采集、拍照操作直至千斤顶加载使半桩位移到设计值或直至破坏。
在模型桩刺入土颗粒层的不同阶段，本实施例得到的沿桩端径向和桩中心线轴向不同位置，不同大小土颗粒的破碎、迁移特性、规律，反映了的桩-土颗粒层的细观、微观上相互作用的规律。
13)参见图12，分层开挖土颗粒层，开挖到染色土颗粒层后，沿桩侧设计取样点(51)进行破碎土颗粒取样。
14)参见图13，采用土壤筛将每个试样分成不同粒径组颗粒，并将各粒径组颗粒放入圆碟中铺展开，拍照、二值化处理获得二值化颗粒52，依据各颜色二值化颗粒面积得到初始各粒径大小颗粒的破碎量、试样总的土颗粒破碎情况。
本实施例中土颗粒照片二值化处理指在图像中，将选定颜色的颗粒设置成黑色，图像中其他区域设置为白色。一定粒径区间内(一层土壤筛上)颗粒尺寸大小较接近，认为均匀混合的各颜色颗粒在一个面上的面积百分比与质量百分比大致相等。即有如下关系式：
式中：m总为一定粒径区间内(一层土壤筛上)颗粒总质量；S总为选定粒径区间颗粒照片中，所有颗粒所占总面积；mc为选定粒径区间，计算所选的某种颜色颗粒质量；Sc为选定粒径区间，与mc相对应颜色颗粒所占面积。
15)分析拍照所得任意时间的图像上，桩周不同粒径颗粒的破碎量、依据各颜色颗粒在图片中的面积百分比，采用图像处理分析系统33对桩土相互作用图片进行破碎颗粒49的最初来源粒径、定向排列颗粒50的主要粒径范围的分析。
在模型桩3刺入土颗粒层的不同阶段，桩侧、桩端附近一定范围土颗粒会发生旋转，使颗粒产生长轴定向性的现象可以被本实施例实时获取数据。
16)直接对桩土相互作用图片进行颗粒的二值化处理，分析得到各颜色颗粒破碎数据。与土壤筛法取样所得土颗粒样的二值化处理，分析所得各颜色颗粒破碎情况对比。
17)参见图14，依据本发明所获得数据，绘制桩底、桩周土孔隙率及桩周颗粒破碎率的空间等值线45，亦可进一步绘制土颗粒迁移、定向排列的发展路径图。
桩端的贯入下沉使得桩端附近土体的孔隙率、接触数显著变化，在采用数值模拟软件分析中，这种变化值理论上会在初始阶段，随桩体下沉值的增加而增加，而后逐渐趋于稳定。而这种变化可以直接被本实施例所检测到。
18)取出模型半桩，清理出有机玻璃箱体1内所有土颗粒。依次开展不同桩型、桩间距、填土颗粒大小、密实度、荷载大小等工况下的试验，直至设计所有工况试验完成。
19)分析模型半桩任意时刻的位移曲线、应力分布曲线，结合本实施例所得不同粒径颗粒迁移路径、颗粒定向排列，分析桩-土相互作用，为工程设计、施工提供参数。
Claims (6)
1.一种桩土相互作用可视化试验装置，其特征在于：包括有机玻璃箱体(1)、若干桩体限位器(2)、箱体支撑钢架(6)、两个活动支座(9)、活动反力梁(10)、模型半桩和可视化系统；
所述箱体支撑钢架(6)整体为一个矩形箱体；这个矩形箱体的上端面设置有顶部钢板加强箍(601)；所述有机玻璃箱体(1)为矩形箱体；所述有机玻璃箱体(1)嵌座在箱体支撑钢架(6)的内腔中；所述箱体支撑钢架(6)的高度大于有机玻璃箱体(1)的高度；所述有机玻璃箱体(1)的内腔填筑土体材料；所述土体材料包括间隔布置的若干层未染色土颗粒层和同级配的彩色土颗粒层(35)；
所述箱体支撑钢架(6)的四侧壁面依次为第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁；所述第一侧壁和第三侧壁板面均设置有若干个限位器固定孔(602)；所述限位器固定孔(602)布置在壁面的上端；所述第二侧壁和第四侧壁的板面上具有镂空部分；所述钢板加强箍(601)在第一侧壁和第三侧壁对应位置处设置有支座固定孔(603)；
所述桩体限位器(2)包括长条状本体和本体两端的固定端(201)；所述长条状本体上设置有若干个桩体预留位(206)；所述桩体预留位(206)为贯穿长条状本体上下表面的孔洞；所述桩体预留位(206)的位置与有机玻璃箱体(1)箱壁厚相匹配；所述固定端(201)上设置有螺栓孔；螺栓依次穿过固定端(201)上的螺栓孔和对应限位器固定孔(602)后旋入螺母，将桩体限位器(2)固定于支撑钢架(6)上；
所述两个活动支座(9)对称布置在钢板加强箍(601)上方，并通过支座固定孔(603)与钢板加强箍(601)固定连接；所述活动反力梁(10)布置在两个活动支座(9)之间，并与活动支座(9)固定连接；所述活动反力梁(10)的长度方向与第二侧壁和第四侧壁的板面平行；所述活动反力梁(10)上设置有贯穿其上下表面的圆柱空心孔(1001)；
所述模型半桩包括桩体和桩尖；所述桩体为半圆柱金属空心桩；所述桩体预留位(206)的尺寸与桩体横截面尺寸相匹配；所述桩体的内壁上粘贴有应变片(29)；所述桩体的侧壁上设置有供导线穿过的侧壁孔；试验时，所述模型半桩穿过桩体预留位(206)后贯入土体材料中；所述模型半桩的矩形外壁紧贴有机玻璃箱体(1)的内壁；所述模型半桩的顶部布置平直载荷板(5)或中空载荷板(50)；所述活动反力梁(10)与平直载荷板(5)之间布置有液压千斤顶(7)；所述活动反力梁(10)上方布置有穿心千斤顶(8)；
所述可视化系统包括拍照灯(31)、高清PIV相机(32)和图像处理分析系统(33)；拍照灯(31)对称布置于第二侧壁或第四侧壁前方两侧；高清PIV相机(32)置于第二侧壁或第四侧壁正前方；图像处理分析系统(33)连接高清PIV相机(32)；
试验时，液压千斤顶(7)或穿心千斤顶(8)分级施加荷载，使模型半桩下沉或上拔；高清PIV相机(32)连续拍摄记录随荷载施加桩周土体的变化信息；图像处理分析系统(33)对土体颗粒进行追踪分析。
2.根据权利要求1所述的一种桩土相互作用可视化试验装置，其特征在于：所述模型半桩包括受压模型桩(3)和受拉模型桩(4)；
所述受压模型桩(3)的桩体的内腔中焊接有半圆形承压封闭片(301)；所述半圆形承压封闭片(301)将受压模型桩(3)桩体的内腔分隔为上部空腔和下部空腔；所述承压封闭片(301)上设置有导线孔；所述受压模型桩(3)的桩尖为活动桩尖；所述活动桩尖包括连接部(302)和桩尖本体(303)；所述连接部(302)嵌固在下部空腔中；所述承压封闭片(301)的下表面和连接部(302)的上表面之间设置有压力传感器(23)；所述桩尖本体(303)为半圆柱状或半圆锥状；
所述受拉模型桩(4)的桩体上端的侧壁设置有上拔固定孔(401)；所述受拉模型桩(4)的桩尖通过焊接或栓接方式与桩体相连；所述桩尖采用膨大部(402)；试验时，受拉模型桩(4)通过中空拉拔管(39)与穿心千斤顶(8)相连；所述中空拉拔管(39)外壁上设置有拉拔管外凸平台(41)；所述中空载荷板(50)板面上设置有孔洞；所述中空荷载板套设在中空拉拔管(39)外壁上；所述中空载荷板(50)的下板面搭设在拉拔管外凸平台(41)上；所述中空拉拔管(39)的上端穿过圆柱空心孔(1001)后与穿心千斤顶(8)相连；所述中空拉拔管(39)的下端通过螺栓与受拉模型桩(4)的上端连接。
3.一种桩土相互作用可视化试验装置，其特征在于：包括有机玻璃箱体(1)、若干桩体限位器(2)、箱体支撑钢架(6)、两个活动支座(9)、活动反力梁(10)、模型半桩和可视化系统；
所述箱体支撑钢架(6)整体为一个矩形箱体；这个矩形箱体的上端面设置有顶部钢板加强箍(601)；所述有机玻璃箱体(1)为矩形箱体；所述有机玻璃箱体(1)嵌座在箱体支撑钢架(6)的内腔中；所述箱体支撑钢架(6)的高度大于有机玻璃箱体(1)的高度；所述有机玻璃箱体(1)的内腔填筑土体材料；所述土体材料包括间隔布置的若干层未染色土颗粒层和同级配的彩色土颗粒层(35)；
所述箱体支撑钢架(6)的四侧壁面依次为第一侧壁、第二侧壁、第三侧壁和第四侧壁；所述第一侧壁和第三侧壁板面均设置有若干个限位器固定孔(602)；所述限位器固定孔(602)布置在壁面的上端；所述第二侧壁和第四侧壁的板面上具有镂空部分；所述钢板加强箍(601)在第一侧壁和第三侧壁对应位置处设置有支座固定孔(603)；
所述桩体限位器(2)包括长条状本体和本体两端的固定端(201)；所述长条状本体上设置有若干个桩体预留位(206)；所述桩体预留位(206)为贯穿长条状本体上下表面的孔洞；所述桩体预留位(206)的位置与有机玻璃箱体(1)箱壁厚相匹配；所述固定端(201)上设置有螺栓孔；螺栓依次穿过固定端(201)上的螺栓孔和对应限位器固定孔(602)后旋入螺母，将桩体限位器(2)固定于支撑钢架(6)上；
所述两个活动支座(9)对称布置在钢板加强箍(601)上方，并通过支座固定孔(603)与钢板加强箍(601)固定连接；所述活动反力梁(10)布置在两个活动支座(9)之间，并与活动支座(9)固定连接；所述活动反力梁(10)的长度方向与第二侧壁和第四侧壁的板面平行；所述活动反力梁(10)上设置有贯穿其上下表面的圆柱空心孔(1001)；
所述模型半桩包括桩体和桩尖；所述模型半桩的桩体包括上部半圆柱金属空心桩和下部变截面桩；所述上部半圆柱金属空心桩的横截面尺寸与桩体预留位(206)的尺寸相匹配；所述上部半圆柱金属空心桩的高度大于模型半桩的贯入下沉深度；所述上部半圆柱金属空心桩的侧壁上设置有供导线穿过的侧壁孔；所述下部变截面桩整体为半圆柱金属空心桩，这个空心管桩的平面内壁上粘贴有应变片(29)；所述下部变截面桩的曲面侧壁上设置有楔形、锯齿或台阶；试验时，所述模型半桩穿过桩体预留位(206)后贯入土体材料中；所述下部变截面桩的矩形外壁紧贴有机玻璃箱体(1)的内壁；所述模型半桩的顶部布置平直载荷板(5)或中空载荷板(50)；所述活动反力梁(10)与平直载荷板(5)之间布置有液压千斤顶(7)；所述活动反力梁(10)上方布置有穿心千斤顶(8)；
所述可视化系统包括拍照灯(31)、高清PIV相机(32)和图像处理分析系统(33)；拍照灯(31)对称布置于第二侧壁或第四侧壁前方两侧；高清PIV相机(32)置于第二侧壁或第四侧壁正前方；图像处理分析系统(33)连接高清PIV相机(32)；
试验时，液压千斤顶(7)或穿心千斤顶(8)分级施加荷载，使模型半桩下沉或上拔；高清PIV相机(32)连续拍摄记录随荷载施加桩周土体的变化信息；图像处理分析系统(33)对土体颗粒进行追踪分析。
4.根据权利要求1或3所述的一种桩土相互作用可视化试验装置，其特征在于：所述箱体支撑钢架(6)与有机玻璃箱体(1)的高度差为25～35cm。
5.根据权利要求1或3所述的一种桩土相互作用可视化试验装置，其特征在于：所述长条状本体由若干桩体限位块(202)和连接钢条(203)拼接而成；所述桩体限位块(202)上设置有贯穿其上下表面的桩体预留位(206)；所述桩体限位块(202)的两侧均具有长条状插芯(205)；所述连接钢条(203)的端部具有供长条状插芯(205)插接的插芯槽(204)；相邻的桩体限位块(202)和连接钢条(203)通过长条状插芯(205)和插芯槽(204)的插接配合连接在一起。
6.一种关于权利要求1或3所述试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据模拟工况选择相应管径的模型半桩，按要求布设压力传感器(23)和应变片(29)；
2)根据模拟工况，选择土颗粒材料和相应的工业染色剂；
3)将土颗粒材料筛分成多个粒径组，不同粒径组的土颗粒材料染为不同颜色进行标定，干燥后得到不同粒径颜色不同的染色土颗粒；
4)将染色后的土颗粒材料按粒径级配比例均匀混合，制备为混合土颗粒材料；
5)清理有机玻璃箱体(1)；结合工况，在有机玻璃箱体(1)的内腔中分层分区填筑彩色土颗粒层(35)和同级配的未染色土颗粒层至设计深度；
6)安装桩体限位器(2)于支撑钢架(6)上；
7)安装模型半桩，在桩周间隔布设彩色土颗粒层(35)和同级配的未染色土颗粒层至设计桩基埋深。
8)布设液压千斤顶(7)加载系统或穿心千斤顶(8)加载系统；
9)布设可视化系统并调试；
10)使用液压千斤顶(7)或穿心千斤顶(8)对模型半桩分级施加荷载；
11)利用图像处理分析系统(33)控制高清PIV相机(32)，拍摄任意时间点的模型半桩下沉或上拔图像，并分析获得彩色土颗粒层(35)各点的位移线，桩周砂层各点的变形速率矢量；
12)采用图像处理分析系统(33)中软件，对桩侧染色砂层(35)下部不同粒径大小的颗粒进行追踪分析，分析大颗粒与小颗粒的位移路径，分析出不同大小土颗粒的迁移差异，采集、拍照操作直至千斤顶加载使半桩位移到设计值或直至破坏；
13)分层开挖土颗粒层，开挖到染色土颗粒层后，沿桩侧设计取样点进行破碎土颗粒取样；
14)采用土壤筛将每个试样分成不同粒径组颗粒，并将各粒径组颗粒放入圆碟中铺展开，拍照、二值化处理获得二值化颗粒，依据各颜色二值化颗粒面积得到初始各粒径大小颗粒的破碎量、试样总的土颗粒破碎情况；
15)分析拍照所得任意时间的图像上，桩周不同粒径颗粒的破碎量、依据各颜色颗粒在图片中的面积百分比，采用图像处理分析系统(33)对桩土相互作用图片进行破碎颗粒的最初来源粒径、定向排列颗粒的主要粒径范围的分析；
16)直接对桩土相互作用图片进行颗粒的二值化处理，分析得到各颜色颗粒破碎数据；与土壤筛法取样所得土颗粒样的二值化处理，分析所得各颜色颗粒破碎情况对比；
17)取出模型半桩，清理出有机玻璃箱体(1)内所有土颗粒；依次开展不同桩型、桩间距、填土颗粒大小、密实度、荷载大小等工况下的试验，直至设计所有工况试验完成；
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