CN109883822A - 一种用于ct扫描的水平静力荷载试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于CT扫描的水平静力荷载试验装置及方法，属于岩土工程、地质工程测试技术领域，本水平静力荷载试验装置，包括底座、透明试验箱、伺服电机、传动装置和竖直设置的模型桩，所述透明试验箱内填充有土样，所述透明试验箱的一侧设有竖直设置的透明支柱，所述透明支柱的顶端与所述伺服电机固定连接，所述伺服电机的输出端通过传动装置与所述模型桩的顶端固定连接，所述模型桩的外壁上设有多个应变片，所述透明支柱的侧边上还固定设有数据采集器。本试验装置的有益效果是可以监测模型桩侧土样的水平抗力和模型桩体水平荷载，得到p‑y曲线。可以放置在工业CT转台上进行扫描，观测土样的变形和剪切带的演化。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程、地质工程测试技术领域，具体涉及一种用于CT扫描的水平静力荷载试验装置及方法。
背景技术
桥梁、港口和高层建筑等结构，常常会受到地震、强风、涌浪和碰撞等水平荷载的作用。在水平荷载作用下，土体受到桩基传递的荷载而产生应力和应变；当水平荷载较大时，土体将产生过大的内力而导致损伤或破坏。
目前的试验研究只是简单的施加水平荷载，几乎没有引入有效的可视化手段来观测土体内部真实的破坏模式，只能根据假设的破坏模型来计算分析。因此，需要借助CT扫描和图像处理这个无损检测技术，对水平受荷桩侧真实的土体剪切带的空间构型进行可视化处理，并得到p-y曲线，才能对已有研究结论做进一步探究和修正。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题提供一种用于CT扫描的水平静力荷载试验装置及方法，通过该装置和试验方法可以测量水平荷载条件下模型桩身的p-y曲线；完成模型桩侧土样剪切带的可视化处理，从而进一步揭示桩-土相互作用的机理。
本发明解决上述技术问题的试验装置为：一种用于CT扫描的水平静力荷载试验装置，包括底座、透明试验箱、伺服电机、传动装置和竖直设置的模型桩，所述透明试验箱固定连接在所述底座上，所述透明试验箱内填充有土样，所述透明试验箱的一侧设有竖直设置的透明支柱，所述透明支柱的底端与所述底座固定连接，所述透明支柱的顶端与所述伺服电机固定连接，所述伺服电机的输出端通过传动装置与所述模型桩的顶端固定连接，所述模型桩的底端插入到所述土样中，所述模型桩的外壁上设有多个应变片，所述透明支柱的侧边上还固定设有数据采集器，多个所述应变片与所述数据采集器电连接。
本发明的试验装置的有益效果是：本试验装置可以在预先设定加载速度和目标位移后推动模型桩体自行移动，并同时监测模型桩侧土样的水平抗力和模型桩体水平荷载，得到p-y曲线。另外本试验装置结构简单，可以放置在工业CT转台上进行扫描，观测土样的变形和剪切带的演化，从而对水平荷载条件下的桩-土相互作用进行可视化研究。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述传动装置包括丝杆、丝杆螺母、移动板和连杆，所述伺服电机的输出端与所述丝杆的一端固定连接，所述丝杆螺母转动连接在所述丝杆上，所述移动板的一端与所述丝杆螺母的外壁固定连接，所述连杆的一端与所述移动板的侧边可拆卸连接，所述试验箱的顶端侧壁上设有用于所述连杆穿过的缺口，所述连杆的另一端穿过所述缺口后与所述模型桩的顶端固定连接。
采用上述进一步方案的有益效果是：利于将转动力转换为直线力来施加水平静力荷载，同时传动效果好，不影响装置进行CT扫描。
进一步，所述移动板与所述连杆之间还设有用于检测荷载力的压力传感器，所述压力传感器一侧与所述连杆固定连接，另一侧与所述移动板的侧边固定连接，所述压力传感器与所述数据采集器电连接。
采用上述进一步方案的有益效果是：用于采集施加的水平静力的大小。
进一步，所述压力传感器为轮辐式压力传感器。
采用上述进一步方案的有益效果是：采集效果更好，安装方便。
进一步，所述丝杆远离所述伺服电机的一端上转动连接有限定挡块。
采用上述进一步方案的有益效果是：防止当模型桩承受不住水平静力荷载后出现脱桩的情况，导致丝杆螺母转动飞出丝杆，造成损坏。
进一步，所述伺服电机的一侧上固定设有用于调整伺服电机转速的调速器，所述调速器内集成有控制器，所述控制器与外部计算机电连接。
采用上述进一步方案的有益效果是：方便通过调节伺服电机的转速来调整施加水平静力荷载的大小。
进一步，所述试验箱的底端侧壁上固定连接有与所述试验箱内部连通的卸料管，所述卸料管上固定设有阀门。
采用上述进一步方案的有益效果是：方便试验结束后将土样排出。
进一步，所述应变片为电阻式应变片。
采用上述进一步方案的有益效果是：检测模型桩的应变效果更好。
进一步，所述试验箱为有机玻璃材质。
采用上述进一步方案的有益效果是：透明度高，材质强度高，利于CT扫描同时保证装置的稳固性。
本发明还提供一种采用上述的用于CT扫描的水平静力荷载试验装置的试验方法，包括以下步骤：
S1、根据研究目的确定土样，并将土样装填到试验箱内，并压实土样；
S2、将模型桩压入到步骤S1装填好的土样中；
S3、将模型桩与传动装置传动连接，传动装置与伺服电机传动连接；
S4、将装置整体放置到CT扫描转台上，启动CT扫描仪，并启动伺服电机，向模型桩施加水平静力荷载；
S5、应变片采集模型桩的应变变化传输到数据采集器，将数据采集器采集的数据传输到计算机绘制出p-y曲线，并得到模型桩在土样中应变时土样剪切带的图样。
本发明的试验方法的有益效果是：在对模型桩受到水平静力荷载产生的应变得到监测的同时，能够对模型桩侧的土样受到应变后，土样的变形和剪切带的变化通过CT扫描得到实际的图样进行分析，有效的揭示桩-土相互作用的机理，更利于提高桩的稳固性研究。
附图说明
图1为本发明正视图；
图2为本发明俯视图；
图3为本发明剖视图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、底座，2、试验箱，3、土样，4、透明支柱，5、伺服电机，6、调速器，7、丝杆，8、丝杆螺母，9、限定挡块，10、移动板，11、压力传感器，12、连杆，13、模型桩，14、数据采集器，15、卸料管，16、阀门，17、缺口，18、应变片。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例
如图1、图2和图3所示，本实施例提供一种用于CT扫描的水平静力荷载试验装置，具体包括底座1、透明试验箱2、伺服电机5、传动装置和竖直设置的模型桩13，透明试验箱2为上端敞口式设计，竖直设置，透明试验箱2的底端固定连接在底座1上，底座1用于提高试验装置的强度，具体的底座1的尺寸大于透明试验箱2的尺寸，提高试验装置与CT转台的接触面，使得试验装置放置时平衡性更好，不会出现倾倒，透明试验箱2内填充有土样3，土样3从透明试验箱2的顶端填入，并将土样3压紧，以达到模拟正常地面的情况，另外土样3具体可由多种土质混合而成，其中的水分同样可调整，具体根据实际实验需要进行配制，土样3配制的方法为现有技术，具体的，试验箱2为有机玻璃材质制成，同时底座1同样为有机玻璃材质制成，透明效果好，不影响CT扫描；
透明试验箱2的一侧设有竖直设置的透明支柱4，透明支柱4为有机玻璃制成，透明支柱4不影响对模型桩13进行CT扫描，透明支柱4的底端与底座1固定连接，透明支柱4的顶端与伺服电机5固定连接，透明支柱4主要用于支撑固定住伺服电机5，伺服电机5位于试验箱2的上方，不影响CT扫描，伺服电机5的输出端通过传动装置与模型桩13的顶端固定连接，随着伺服电机5的转动，经过传动装置将转动力转换为直线力，对模型桩13施加水平方向的静力荷载，模型桩13的底端插入到土样3中，模型桩13的外壁上均匀设有多个应变片18，具体的，应变片18为电阻式应变片18，电阻式应变片18为现有技术；
透明支柱4的侧边上还固定设有数据采集器14，多个应变片18与数据采集器14电连接，数据采集器14为现有技术，当模型桩13受到水平静力荷载时，模型桩13在土样3中发生应变，通过应变片18能够检测到模型桩13的应变情况，并持续传输到数据采集器14被收集，同时在施加水平静力荷载时，对试验箱2进行CT扫描，得到土样3的剪切带变化的图样，从而得到桩与土之间相互作用的机理；
优选地，传动装置包括丝杆7、丝杆螺母8、移动板10和连杆12，伺服电机5的输出端与丝杆7的一端固定连接，丝杆螺母8转动连接在丝杆7上，丝杆7位于试验箱2的竖直上方，移动板10的一端与丝杆螺母8的外壁固定连接，移动板10位于试验箱2的一侧，伺服电机5的输出端转动时带动丝杆7转动，从而使得丝杆螺母8在丝杆7上水平移动，实现将转动力转换成直线力，丝杆螺母8的水平移动带动移动板10进行水平移动，连杆12的一端与移动板10的侧边通过螺栓可拆卸连接，试验箱2的顶端侧壁上设有用于连杆12穿过的缺口17，连杆12的另一端穿过缺口17后与模型桩13的顶端固定连接，使得移动板10移动时带动连杆12水平移动，连杆12将水平力传递到模型桩13，实现对模型桩13施加水平静力荷载；
优选地，移动板10与连杆12之间还设有用于检测荷载力的压力传感器11，压力传感器11一侧与连杆12通过螺栓固定连接，另一侧与移动板10的侧边通过螺栓固定连接，通过压力传感器11能够检测对于模型桩13施加的静力荷载的强度；具体的，压力传感器11可为轮辐式压力传感器11，轮辐式压力传感器11为现有技术，压力传感器11与数据采集器14电连接，将施加静力荷载的力大小记录下来；
优选地，丝杆7远离伺服电机5的一端上转动连接有限定挡块9，限定挡块9内设有轴承，丝杆7靠近限定挡块9的端头为光滑面，转动连接在轴承内，能够保持转动，通过限定挡块9来挡住丝杆螺母8，避免当模型桩13承受不住水平静力荷载后出现脱桩的情况，导致丝杆螺母8转动飞出丝杆7，造成损坏；
优选地，伺服电机5的一侧上固定设有用于调整伺服电机5转速的调速器6，调速器6内集成有控制器，控制器与外部计算机电连接，通过外部计算机来实现对伺服电机5的转速控制，使得施加的水平静力荷载保持稳定均匀，另外外部计算机与数据采集器14之间电连接，计算机能够调取数据采集器14内采集的数据，进行绘制p-y曲线；
优选地，试验箱2的底端侧壁上固定连接有与试验箱2内部连通的卸料管15，通过卸料管15来排出试验箱2内的土样3，方便操作，卸料管15上固定设有阀门16，阀门16为球阀；
本实施例还提供一种采用上述的用于CT扫描的水平静力荷载试验装置的试验方法，具体包括以下步骤：
S1、根据需要模拟的桩实际所处环境，确定土样3的土质以及水分等参数，配制对应的土样3，并将配制好的土样3装填到试验箱2内，并通过压实机将土样3压实，以达到与需要模拟环境土面相同的情况；
S2、将模型桩13的底端逐步压入到步骤S1装填好的土样3中，将模型桩13打入到土样3中固定，使得模型桩13上的应变片18均进入到土样3内，同时模型桩13上的连杆12从试验箱2上端的进入到缺口17内，使得连杆12穿出试验箱2；
S3、将连杆12穿出试验箱2的一端与压力传感器11通过螺栓固定连接，在将移动板10的侧面与压力传感器11的另一端通过螺栓固定连接，使得伺服电机5通过丝杆7、丝杆螺母8与连杆12传动连接；
S4、将装置整体移动放置到工业CT扫描转台上，启动CT扫描仪，开始对试验箱2内的模型桩13和土样3进行扫描，并同时通过计算器来调节控制器使得伺服电机5被启动，并按照设定速率进行转动，通过丝杆7和丝杆螺母8将转动力转换为直线力，向模型桩13施加水平静力荷载，根据需要模拟的不同环境调节伺服电机5的转速，来施加不同大小的水平荷载，测得不同环境的下的模型桩13的应变情况；
S5、应变片18采集模型桩13的应变变化传输到数据采集器14，压力传感器11将施加的水平静力荷载的力传输到数据采集器14，数据被采集记录下来，将数据采集器14采集的数据传输到计算机，经过计算机分析绘制出p-y曲线，同时CT扫描仪将扫描得到的图样传输到计算机内，得到模型桩13在土样3中应变时土样3剪切带的图样，能够进一步揭示桩-土相互作用的机理。
以上仅为本发明的较佳实施例，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 (10)
1.一种用于CT扫描的水平静力荷载试验装置，其特征在于，包括底座(1)、透明试验箱(2)、伺服电机(5)、传动装置和竖直设置的模型桩(13)，所述透明试验箱(2)固定连接在所述底座(1)上，所述透明试验箱(2)内填充有土样(3)，所述透明试验箱(2)的一侧设有竖直设置的透明支柱(4)，所述透明支柱(4)的底端与所述底座(1)固定连接，所述透明支柱(4)的顶端与所述伺服电机(5)固定连接，所述伺服电机(5)的输出端通过传动装置与所述模型桩(13)的顶端固定连接，所述模型桩(13)的底端插入到所述土样(3)中，所述模型桩(13)的外壁上设有多个应变片(18)，所述透明支柱(4)的侧边上还固定设有数据采集器(14)，多个所述应变片(18)与所述数据采集器(14)电连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于CT扫描的水平静力荷载试验装置，其特征在于，所述传动装置包括丝杆(7)、丝杆螺母(8)、移动板(10)和连杆(12)，所述伺服电机(5)的输出端与所述丝杆(7)的一端固定连接，所述丝杆螺母(8)转动连接在所述丝杆(7)上，所述移动板(10)的一端与所述丝杆螺母(8)的外壁固定连接，所述连杆(12)的一端与所述移动板(10)的侧边可拆卸连接，所述试验箱(2)的顶端侧壁上设有用于所述连杆(12)穿过的缺口(17)，所述连杆(12)的另一端穿过所述缺口(17)后与所述模型桩(13)的顶端固定连接。
3.根据权利要求2所述的一种用于CT扫描的水平静力荷载试验装置，其特征在于，所述移动板(10)与所述连杆(12)之间还设有用于检测荷载力的压力传感器(11)，所述压力传感器(11)一侧与所述连杆(12)固定连接，另一侧与所述移动板(10)的侧边固定连接，所述压力传感器(11)与所述数据采集器(14)电连接。
4.根据权利要求3所述的一种用于CT扫描的水平静力荷载试验装置，其特征在于，所述压力传感器(11)为轮辐式压力传感器(11)。
5.根据权利要求2所述的一种用于CT扫描的水平静力荷载试验装置，其特征在于，所述丝杆(7)远离所述伺服电机(5)的一端上转动连接有限定挡块(9)。
6.根据权利要求1所述的一种用于CT扫描的水平静力荷载试验装置，其特征在于，所述伺服电机(5)的一侧上固定设有用于调整伺服电机(5)转速的调速器(6)，所述调速器(6)内集成有控制器，所述控制器与外部计算机电连接。
7.根据权利要求1所述的一种用于CT扫描的水平静力荷载试验装置，其特征在于，所述试验箱(2)的底端侧壁上固定连接有与所述试验箱(2)内部连通的卸料管(15)，所述卸料管(15)上固定设有阀门(16)。
8.根据权利要求1-7任一项所述的一种用于CT扫描的水平静力荷载试验装置，其特征在于，所述应变片(18)为电阻式应变片(18)。
9.根据权利要求1-7任一项所述的一种用于CT扫描的水平静力荷载试验装置，其特征在于，所述试验箱(2)为有机玻璃材质。
10.一种如权利要求1-9任一项所述的用于CT扫描的水平静力荷载试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据研究目的确定土样，并将土样装填到试验箱内，并压实土样；
S2、将模型桩压入到步骤S1装填好的土样中；
S3、将模型桩与传动装置传动连接，传动装置与伺服电机传动连接；
S4、将装置整体放置到CT扫描转台上，启动CT扫描仪，并启动伺服电机，向模型桩施加水平静力荷载；
S5、应变片采集模型桩的应变变化传输到数据采集器，将数据采集器采集的数据传输到计算机绘制出p-y曲线，并得到模型桩在土样中应变时土样剪切带的图样。
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