CN110344452A - 一种桩身弯矩测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桩身弯矩测量装置，包括透明土容器；垂直插入所述透明土容器内的模型桩；所述模型桩的一端固定于所述透明土容器内，另一端裸露于所述透明土容器外并连接有载荷加载器；设于所述透明土容器的一侧、用以当所述载荷加载器分步向所述模型桩施加载荷时拍摄所述模型桩的摄像头和与所述摄像头电连接、用以根据所述摄像头拍摄的多个图像计算所述模型桩的弯矩的中央处理器。上述桩身弯矩测量装置可以实现对弯矩的自动化测定，节省人工时间成本以及减小测量误差，更加真实反映桩身在受力后的弯矩大小变化情况以及分布规律。本发明还公开一种应用上述桩身弯矩测量装置的测量方法。

Description

一种桩身弯矩测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及岩土工程领域，尤其涉及一种桩身弯矩测量装置。本发明还涉及一种应用上述桩身弯矩测量装置的测量方法。

背景技术

在岩土工程模型试验中若要观察土体土体的受力变形通常需要在土体内植入各种测量仪器。然而实际操作中，植入测量仪器对操作者的熟练程度有着较高的要求，若仪器植入不得当就会严重影响测量结果从而对实验结果的分析造成误差。

现有技术测量模型桩的弯矩的办法是通过将模型桩一端固定，另一端施加荷载，通过人工测出桩身的挠曲变形与之对应施加的荷载反算出力矩，接着对力矩进行归一划处理，即得出单位力条件下的弯矩大小。由于对弯矩进行标定的时候不免存在误差，尤其是小荷载条件下模型桩实际变形并不大，人工测量挠度偏差较大，会导致实际弯矩与计算出的弯矩差异，进而依据该挠度数据计算的弯矩无法真实地反映模型桩弯矩的分布规律。

发明内容

本发明的目的是提供一种桩身弯矩测量方法，可以减少人为操作的误差，提高测量精度。本发明的另一目的是提供一种用于上述桩身弯矩测量装置的测量方法。

为实现上述目的，本发明提供一种桩身弯矩测量方法，包括：

透明土容器；

垂直插入所述透明土容器内的模型桩；所述模型桩的一端固定于所述透明土容器内，另一端裸露于所述透明土容器外并连接有载荷加载器；

设于所述透明土容器的一侧、用以当所述载荷加载器分步向所述模型桩施加载荷时拍摄所述模型桩的摄像头和与所述摄像头电连接、用以根据所述摄像头拍摄的多个图像计算所述模型桩的弯矩的中央处理器。

优选地，所述模型桩的表面设有沿其长度方向延伸的桩身标记线；还包括设于所述透明土容器的一侧、用以在所述载荷加载器施加载荷之前对准所述桩身标记线以校直所述模型桩的垂直度校直器。

优选地，所述垂直度校直器具体为激光发射器；所述激光发射器的光束呈竖直线状分布。

优选地，所述载荷加载器包括与所述模型桩连接的绳索以及固定于所述绳索另一端的砝码盘。

优选地，所述中央处理器还包括与所述载荷加载器连接的力传感器。

优选地，还包括与所述中央处理器相连、用以显示模型桩的变形量及弯矩的显示屏。

本发明还提供了一种桩身弯矩测量方法，应用于上述任一桩身弯矩测量装置，包括：

将模型桩垂直固定于透明土容器内且将摄像头固定于透明土容器外；

多次将载荷施加于模型桩、以实现利用摄像头获取模型桩的全部变形量；

根据全部所述变形量计算模型桩的弯矩。

优选地，所述将模型桩固定于透明土容器内的步骤之前还包括：

沿所述模型桩的长度方向设置桩身标记线；

所述将模型桩垂直固定于透明土容器内与所述多次将载荷施加于模型桩的步骤之间还包括：

将竖直光线投射至所述模型桩；

调整所述模型桩的安装角度以使所述桩身标记线与所述竖直光线重合。

优选地，所述将模型桩固定于透明土容器内的步骤具体包括：

将第一层透明土装入透明容器内；

将模型桩的底端垂直固定于所述第一层透明土的中部；

将第二层透明土和第三层透明土分层装入透明容器内、以形成透明土容器。

优选地，所述第一层透明土、所述第二层透明土和所述第三层透明土的高度均为70mm。

相对于上述背景技术，本发明所提供的桩身弯矩测量装置，包括模型桩和用于供模型桩垂直插入的透明土容器，模型桩的底端固定于透明土容器内，模型桩的顶端裸露于透明土容器外并连接有载荷加载器，通过载荷加载器向模型桩的顶端逐步施加载荷。本发明所提供的桩身弯矩测量装置还包括设于透明土容器的一侧、用以当载荷加载器逐步向模型桩的顶端施加载荷时拍摄模型桩的摄像头和与摄像头电连接、用以根据摄像头拍摄的多个图像计算模型桩的弯矩的中央处理器。

上述桩身弯矩测量装置的摄像头设置于透明土容器一侧、以自动实时获取模型桩受力时的全部变形量；中央处理器根据摄像头获取的图像处理得到模型桩的弯矩。当载荷加载器向模型桩的顶端施加载荷时，由于摄像头能够快速、精确获取载荷加载器每次施加载荷后模型桩的多组变形情况并由中央处理器根据前述变形情况处理得到变形量，该过程不受人为操作的影响，无人为误差且数据精度高，进而有利于中央处理器根据摄像头获取的多组变形情况精确分析得到载荷加载器每次施加载荷后模型桩的变形量，并根据该变形量计算得到误差相对较小的模型桩的弯矩。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的桩身弯矩测量方法的结构示意图；

其中，1-透明土容器、2-模型桩、21-桩身标记线、3-载荷加载器、31-绳索、32-砝码盘、4-垂直度校直器、5-摄像头、6-中央处理器、7-显示屏。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1，图1为本发明实施例所提供的桩身弯矩测量装置的结构示意图。

本发明提供一种桩身弯矩测量装置，包括透明土容器1；垂直插入透明土容器1内的模型桩2；与模型桩2的一端连接、用于向模型桩2分步施加载荷的载荷加载器3以及设于透明土容器1的一侧、用以当载荷加载器3分步向模型桩2施加载荷时拍摄模型桩2以获取模型桩2的变形情况的摄像头5和与摄像头5电连接、用于根据摄像头5获取的多个图像计算模型桩2的弯矩的中央处理器6。

模型桩2垂直插入透明土容器1内，模型桩2的一端固定于透明土容器1内，另一端裸露于透明土容器1外、用于连接载荷加载器3。通过载荷加载器3向模型桩2的一端分布施加载荷，通过摄像头5拍摄模型桩2在每次载荷变化后的图像以获取模型桩2的变形情况。

载荷加载器3分步向模型桩2施加载荷，例如初始载荷在6.5N，依次递增的各级载荷为5N，由摄像头5记录多级载荷叠加过程中模型桩2的变换。摄像头5可采用连续录像的方式记录模型桩2的变形，再通过与摄像头5电连接的中央处理器6捕捉模型桩2在各级载荷下的变形量；摄像头5还可在载荷加载器3每次加载完毕后拍摄模型桩2的图片，再通过与摄像头5电连接的中央处理器6分析载荷加载器3的各组图片以获取模型桩2的变形量。

中央处理器6包括成像模块和数据处理模块，成像模块依据模型桩2在各级载荷下的变形分析得到模型桩2沿长度方向各点的变形量，数据处理模块将多组载荷下的全部变形量合成为三次曲线，并根据三次曲线求导得到弯矩方程。成像模块可参照现有技术中的图像处理方式，例如采用MATLAB获取摄像头5所拍摄得到的图像内模型桩2轮廓，并根据轮廓建立一条通过坐标原点的挠曲变形线，再依据该挠曲变形线拟合三次曲线。经拟合的曲线求二阶导即为弯矩方程，计算模型桩2各点的弯矩时将各点的坐标代入弯矩方程即可。

该桩身弯矩测量装置可以实现对弯矩的自动化测定，节省人工时间成本以及减小测量误差，更加真实反映桩身在受力后的弯矩大小变化情况以及分布规律。

为了进一步提高桩身弯矩测量装置的精度，该装置还包括设于透明土容器1一侧的垂直度校直器4；模型桩2的表面设有沿其长度方向延伸的桩身标记线21，当模型桩2无载荷时，模型桩2不发生弯曲变形，桩身标记线21也保持为直线状。由于后续的测量建立在模型桩2垂直于透明土容器1也即桩身标记线21垂直于透明土容器1，因此由载荷加载器3分步施加载荷之前，通过垂直度校直器4对模型桩2进行校直。

垂直度校直器4可采用铅垂线等校直方式校直模型桩2，具体来说，当铅垂线与桩身标记线21完全重合时，模型桩2垂直固定于透明土容器1内，当桩身标记线21的局部与铅垂线错开时，模型桩2与透明土容器1不垂直或者模型桩2局部弯曲变形。

为了方便使用，本发明的垂直度校直器4具体采用激光发射器，且该激光发射器的光束呈竖直线状分布，当激光发射器投向模型桩2表面的光束与桩身标记线21时完全重合时，模型桩2垂直固定于透明土容器1内，否则，调整模型桩2的固定角度以使光束重合于桩身标记线21，或者更换模型桩2。

本发明所提供的载荷加载器3包括绳索31和砝码盘32，绳索31的一端绑扎于模型桩2裸露的一端，绳索31的另一端垂放于透明土容器1外并连接砝码盘32。通过向砝码盘32不断增加砝码以实现分步向模型桩2施加载荷。显然，绳索31向砝码盘32一侧拉动模型桩2，模型桩2的顶端朝向砝码盘32牵拉，摄像头5设置于砝码盘32的邻侧。作为优选，激光发射器与砝码盘32设置于同侧。

本发明中中央处理器6还可包括与载荷加载器3连接的力传感器，用于自动获取载荷加载器3向模型桩2施加的载荷。以前一实施例为例，力传感器可设置于砝码盘32的底部、以获取砝码盘32的总重，继而通过中央处理器6分离砝码盘32上砝码的净重，根据砝码的净重和模型桩2的变形量合成各级载荷下的曲线以建立弯矩方程。

进一步的，还包括与中央处理器6相连、用于显示模型桩2的变形量及其弯矩的显示屏7。显示屏7可以以数据或者图像的方式直观展示各级载荷下模型桩2的变形情况和具体数值，方便操作者分析模型桩2各处的受力情况。

本发明还提供了一种桩身弯矩测量方法，应用于上述任一实施例中的桩身弯矩测量装置，包括：

S1：将模型桩2垂直固定于透明土容器1内且将摄像头5固定于透明土容器1外；

S2：多次将载荷施加于模型桩2、以实现利用摄像头5获取模型桩2的全部变形量；

S3：根据全部变形量计算模型桩2的弯矩。

首先将模型桩2垂直固定于透明土容器1内并将摄像头5固定于透明土容器1外，令模型桩2的底端与透明土容器1固定连接且顶端裸露于透明土容器1外，令摄像头5朝向透明土容器1内的模型桩2放置、以获取模型桩2的全部变形量；再多次向模型桩2裸露于透明土容器1外的一端施加载荷，使插入透明土容器1内的模型桩2弯曲变形、以实现利用摄像头5获取模型桩2的全部变形量；进而根据全部变形量计算模型桩2的弯矩。

由于向模型桩2裸露于透明土容器1外的一端分步施加载荷，因而模型桩2的全部变形量具体指的是多次施加载荷后模型桩2在各级载荷下的变形量。摄像头5可实时记录模型桩2的变形情况，相比于人为反复测量模型桩2的变形量而言，通过摄像头5获取的图像不受人为因素的干扰，利用摄像头5自动获取模型桩2的变形情况能够提高测量精度，减少人为误差。

在上述实施例的基础上，在将模型桩2固定于透明土容器1内的步骤之前还包括：

S01：沿模型桩2的长度方向设置桩身标记线21；

将模型桩2垂直固定于透明土容器内的步骤与多次将载荷施加于模型桩的步骤之间还包括：

S201：将竖直光线投射至模型桩2；

S202：调整模型桩2的安装角度以使桩身标记线21与竖直光线重合。

在本实施例中，为了进一步提高测量精度，在向模型桩2施加载荷之前对模型桩2进行垂直度校正，具体来说，在模型桩2的侧壁设置桩身标记线21，桩身标记线21沿模型桩2的长度方向笔直分布，当桩身标记线21与投射至模型桩2的竖直光线完全重合时，模型桩2垂直于透明土容器1。

竖直光线具体可采用激光，以增强竖直光线在透明土容器1内的穿透能力。投射至模型桩2的激光呈线状且竖直设置，根据激光和桩身标记线21的分布位置反复调整模型桩2在透明土容器1内的安装角度以使激光与桩身标记线21重合。

为了确保模型桩2在透明土容器1内受力均衡，提高模拟实验的精度，上述将模型桩2固定于透明土容器1内的步骤具体包括：

S11：将第一层透明土装入透明容器内；

S12：将模型桩2的底端垂直固定于第一层透明土的中部；

S13：将第二层透明土和第三层透明土分层装入透明容器内、以形成透明土容器1。

这一实施例的核心在于将透明土分层装入透明容器，每次装入透明土后需要令透明容器内的透明土均匀分布且排尽内部的空气，模型桩2放置在其中一层透明土的中部，其余层的透明土依次填入。

作为示例，本发明中全部透明土分为三层装入透明容器内，模型桩2的底端设于第一层透明土也即位于最底层的透明土的中部，其余两层透明土填充于模型桩2的周侧。通常，各层透明土的高度相同，可设置为70mm。模型桩2的底端设置于第一层透明土的中部也即模型桩2的底端距离透明容器底面高35mm。

以上对本发明所提供的桩身弯矩测量装置及其测量方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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。

Claims (10)

1.一种桩身弯矩测量装置，其特征在于，包括：

透明土容器(1)；

垂直插入所述透明土容器(1)内的模型桩(2)；所述模型桩(2)的一端固定于所述透明土容器(1)内，另一端裸露于所述透明土容器(1)外并连接有载荷加载器(3)；

设于所述透明土容器(1)的一侧、用以当所述载荷加载器(3)分步向所述模型桩(2)施加载荷时拍摄所述模型桩(2)的摄像头(5)和与所述摄像头(5)电连接、用以根据所述摄像头(5)拍摄的多个图像计算所述模型桩(2)的弯矩的中央处理器(6)。

2.根据权利要求1所述的桩身弯矩测量装置，其特征在于，所述模型桩(2)的表面设有沿其长度方向延伸的桩身标记线(21)；还包括设于所述透明土容器(1)的一侧、用以在所述载荷加载器(3)施加载荷之前对准所述桩身标记线(21)以校直所述模型桩(2)的垂直度校直器(4)。

3.根据权利要求2所述的桩身弯矩测量装置，其特征在于，所述垂直度校直器(4)具体为激光发射器；所述激光发射器的光束呈竖直线状分布。

4.根据权利要求3所述的桩身弯矩测量装置，其特征在于，所述载荷加载器(3)包括与所述模型桩(2)连接的绳索(31)以及固定于所述绳索(31)另一端的砝码盘(32)。

5.根据权利要求1至4任一项所述的桩身弯矩测量装置，其特征在于，所述中央处理器(6)还包括与所述载荷加载器(3)连接的力传感器。

6.根据权利要求5所述的桩身弯矩测量装置，其特征在于，还包括与所述中央处理器(6)相连、用以显示所述模型桩(2)的变形量及弯矩的显示屏(7)。

7.一种桩身弯矩测量方法，应用于如权利要求1至6任一项所述的桩身弯矩测量装置，其特征在于，包括：

将模型桩(2)垂直固定于透明土容器(1)内且将摄像头(5)固定于透明土容器(1)外；

多次将载荷施加于模型桩(2)、以实现利用摄像头(5)获取模型桩(2)的全部变形量；

根据全部所述变形量计算模型桩(2)的弯矩。

8.根据权利要求7所述的桩身弯矩测量方法，其特征在于，所述将模型桩(2)固定于透明土容器(1)内的步骤之前还包括：

沿模型桩(2)的长度方向设置桩身标记线(21)；

所述将模型桩(2)垂直固定于透明土容器(1)内与所述多次将载荷施加于模型桩(2)的步骤之间还包括：

将竖直光线投射至模型桩(2)；

调整模型桩(2)的安装角度以使桩身标记线(21)与竖直光线重合。

9.根据权利要求7或8所述的桩身弯矩测量方法，其特征在于，所述将模型桩(2)固定于透明土容器(1)内的步骤具体包括：

将第一层透明土装入透明容器内；

将模型桩(2)的底端垂直固定于所述第一层透明土的中部；

将第二层透明土和第三层透明土分层装入透明容器内、以形成透明土容器(1)。

10.根据权利要求9所述的桩身弯矩测量方法，其特征在于，所述第一层透明土、所述第二层透明土和所述第三层透明土的高度均为70mm。