CN111155570B - 一种模型桩计算宽度可视化试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模型桩计算宽度可视化试验装置及方法。该装置主要由模型箱、模型土、模型桩、高速粒子摄像机、螺栓、扣件、钢杆和位移标点构成，所述模型箱由钢结构和亚克力组成的透明箱体，所述模型土与原型土有相似的物理力学指标，并和模型桩布设于模型箱中，所述位移标点按一定角度布设于模型土表面，所述螺栓和扣件配合所述钢杆组成迷你脚手架用于架设检测设备，高速粒子摄像机架设于模型土体正上方，与现有试验装置和试验方法相比，本发明搭接方便灵活，能依据相似原理定量化分析土体应力扩散，计算得到桩身计算宽度，可广泛应用于不同场地坡度、土性或桩身几何尺寸下的桩土相互作用研究。

Description

一种模型桩计算宽度可视化试验装置及方法

技术领域

本发明属于岩土工程和地质工程技术领域，涉及一种模型试验装置和试验方法，具体涉及一种模型桩计算宽度的可视化试验装置和试验方法。

背景技术

在我国幅员辽阔，工程地质条件十分复杂，不同的场地条件对其上构筑物的基础提出了不同的要求。尤其是我国西南地区，斜坡场地约占陆地面积的90%左右，在公路、铁路、建筑、电力、水利等工程建设领域，经常需要把构筑物设置在临近斜坡或者斜坡场地之上。由于场地地形等原因，斜坡场地桩基由于水平承载能力不足而失稳的案例多有发生，其水平承载能力设计指标，如计算宽度应有针对性的研究。

由于桩身侧摩阻力的存在，水平受荷桩桩周有更多土体参与受力，以致实际发挥抗力作用土体宽度大于桩宽，此宽度为计算宽度。现行规范如《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG/D63-2007），《建筑桩基技术规范》（JGJ/94-2008）等大多以桩基截面几何条件或桩间距为主要考量对桩基计算宽度进行换算，而关于场地坡度等因素对计算宽度影响的考量较少。考虑水平面上的简化条件，计算宽度能反应桩周发挥抗力土体规模的大小，从这一角度也能一定程度上反应桩基的水平承载力。

综上所述，桩基计算宽度是衡量和计算桩基水平承载能力的重要指标，其大小不仅与场地几何条件相关，更与桩土物理力学性质相关，因此，本发明提供了一种模型桩计算宽度可视化试验装置及方法，可以定量化分析不同场地坡度、不同土体性状、不同模型桩几何条件下的土体扩散效果，进而得到对应的模型桩计算宽度，试验过程简单，试验设备搭接方便，试验数据直观易统计。

发明内容

本发明的目的，是为了解决难以依据相似原理进行模型桩可视化试验，难以定量化研究模型桩周围土体应力扩散和模型桩计算宽度的问题，提供一种模型桩计算宽度的可视化试验装置及方法。

为实现上述技术目的，本发明可以通过以下技术方案来实现：

一种模型桩计算宽度的可视化试验装置，包括模型箱1、高速粒子摄像机2、加载装置3、模型土4、模型桩5、位移标点6、钢杆7、扣件8和螺栓9；所述模型箱1为立方体结构，其对应两侧长边面上的顶部各焊接有钢杆固定槽1-a，一个侧短边面垂直方向焊接有两个卡槽1-b；所述模型土4参考原型土依据相似原理配置，并填充在模型箱1内；所述模型桩5嵌固在模型土内，可根据试验要求改变其截面形状及尺寸；所述位移标点6按一定角度分排布设在所述模型土4表面；所述螺栓9包括带螺纹的螺母9-a和带孔洞的螺杆9-b；所述扣件8带两个直径分别与所述钢杆7和所述螺栓9直径对应的孔洞；所述钢杆7能穿过所述扣件8和所述螺杆9-b配合钢杆固定槽1-a形成迷你脚手架；所述高速粒子摄像机2经迷你脚手架搭设在所述模型土4正上方。

本发明中，所述模型箱1的骨架是由钢架焊接而成，底部和一侧短边面各焊接一块钢板，另一侧短边面沿竖直方向焊接有两个卡槽1-b，卡槽1-b内可嵌固多块透明亚克力，长边两侧面均由透明亚克力拼接，并用防水胶进行密封，模型箱顶端开口。

本发明中，所述的模型土1为根据试验要求，按照相似原理配置的与原型土有相似物理力学指标的粘性土或无粘性土。

本发明中，所述高速粒子摄像机2为粒子图像测速系统的一部分，还包括配套的便携式计算机，可以在桩土相互作用过程中跟踪所述位移标点6的位移，进而取得对应土体的位移量。

本发明中，所述位移标点6带有不同灰度并且可插入所述模型土4中，根据试验要求按一定的扩散角度对称布置在所述模型土4表面，可布置多排，并会随着土体的位移而移动。

本发明中，所述扣件8可分别由所述钢杆7和所述螺杆9-b穿过，所述螺杆9-b又可再由一根所述钢杆7穿过，拧紧所述螺母9-a以此形成迷你脚手架的一个关节，可以任意调整脚手架搭接方向。

本发明提出的模型桩计算宽度的可视化试验装置的使用方法，具体步骤如下：

(1)准备试验材料和器材

根据相似原理计算所配置的与原状土和原型桩有相似物理力学指标的模型土4和模型桩5，根据边界效应计算所确定尺寸的模型箱1、由钢杆7、扣件8和螺栓9搭接而成的迷你脚手架、高速粒子摄像机2、加载装置3和一台电脑；

(2)建造模型桩边坡模型

将配制好的模型土分层填入模型箱1中，夯实填土直至模型箱1内填土达到满足边界效应的设计高度，将模型桩5的一端埋入模型土中至预定位置，整平土体；继续分层填入模型土4，并且每层均整平压实，根据试验要求填筑出不同坡度，直至达到预定桩身出露长度；

(3)固定调整监测设备

在模型桩5周围已整平的坡体表面按确定的扩散角度多排布置不同灰度的位移标点6；搭接钢杆7、扣件8和螺栓9形成迷你脚手架；通过迷你脚手架将高速粒子摄像机2安装在模型土4正上方，调整镜头角度及相机参数使能拍摄到所有位移标点6的清晰的图像；将加载装置3安装在模型箱钢板侧面和模型桩5之间；

(4)开始试验

打开高速粒子摄像机2和电脑，并设定电脑中的拍摄频率和时间参数，等待试验加载；通过加载装置3对模型桩5施以分阶段的维持性荷载，用高速粒子摄像机2记录各加载阶段位移标点的位移和模型土的破坏过程，直至模型土4或模型桩5完全破坏；

(5)试验结果分析

试验加载结束后，通过图像后处理软件PIVprogress对高速粒子摄像机2所采集的照片进行分析，跟踪各个位移标点6取得对应的位移，绘制标点位置-位移分布曲线，通过分阶段插值积分获取模型桩5的等效计算宽度；

(6)重复步骤（1）-（5），以研究不同场地坡度，不同土性，不同基础截面形状和尺寸土体的变形破坏过程，定量化分析模型桩5周围土体应力扩散效果，绘制土体位移分布曲线，积分得到等效计算宽度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明中的模型土为根据相似原理配置的与原型土具有相似物理力学指标的粘性或无粘性土，能反应更为真实的桩土相互作用机理。

2.本发明中的扣件、钢杆和螺栓9搭接方便，拆装简单，可向任意方向搭设，方便试验设备的安装与固定。

3.本发明中的位移标点布设简单，能随土体变形而移动，配合高速粒子摄像机能定量化研究土体位移。

4.本发明中的高速粒子摄像机能高速采集桩土相互作用过程中的每一时刻清晰图像，方便分析桩土相互作用全过程的应力-应变过程，结合PIVprogress软件能分析全过程土体位移场。

附图说明

图1为本发明的主视图；

图2为本发明的俯视图；

图3为本发明的模型箱三维示意图；

图4为单个位移标点示意图；

图5为螺栓示意图；

图6为扣件示意图；

图7为迷你脚手架示意图；

图8为卡槽示意图；

图9为0倍桩宽土体位移比分布曲线

图10为0.75倍桩宽土体位移比分布曲线

图11为1.5倍桩宽土体位移比分布曲线

图12为计算宽度随坡度的变化曲线

图中标号，1为模型箱，1-a为钢杆固定槽，1-b为卡槽，2为高速粒子摄像机，3为加载装置，4为模型土，5为模型桩，6为位移标点，7为钢杆，8为扣件，9为螺栓，9-a为螺母，9-b为螺杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1：

如图1至图8所示，为模型桩计算宽度的可视化试验装置的结构示意图，包括：

可视化模型箱1，其顶端开口，箱内填土为按相似原理配置的模型土4；迷你脚手架由钢杆7、螺栓9和扣件8组成，用于搭接试验设备；加载装置3连接在液压伺服系统上，对模型桩5出露部分施加水平向的荷载；模型土4表面按中心，0°,15°,30°,38°,45°和52°对称布置有位移标点6，按0.75倍桩宽间距布置三排；模型土4上方架设有高速粒子摄像头2，调整其能清晰拍摄到所有位移标点6。

本实施例中的模型箱1，其内壁尺寸为180cm×110cm×150cm（长×宽×高），骨架是由钢架焊接而成，两侧长边面拼接透明亚克力，一侧短边面和底面焊接钢板，另一侧短边面焊接卡槽1-b，卡槽1-b可嵌固多块亚克力板，钢架与亚克力的接触用防水胶进行密封。

本实施例中的边坡模型尺寸为180cm×110cm×130cm（长×宽×高），坡角为0°,15°30°和45°，坡肩到坡顶的距离为45cm。

本实施例中的模型土4依据相似原理参照原型土配置，用室内碎石和细粒粘性土进行配合；由现场土样的筛分实验，原型土粒径大于40mm颗粒含量为17.8%，模型土4将粒径大于40mm的骨料采用等量替代法进行替换，粒径大于40mm的颗粒用5～40mm的颗粒替代，维持粒径大于5mm的粗粒组占总量的60%不变，小于5mm的按天然级配值进行配比，替换后的粗粒、细粒含量与原来保持一致，级配与原来相同。

模型土4物理力学参数如表1所示：

表1模型土物理力学参数

本实施例中的模型桩5为钢筋混凝土方形桩，根据相似原理以和原型桩相似的材料制作，其尺寸为100cm×10cm×10cm，设置在距坡顶50cm的土体中，桩底部距模型箱1底面40cm，桩两侧距模型箱1侧面均为50cm。

本实施例中迷你脚手架由钢杆7，螺栓9和扣件8组成，钢杆7直径1cm，螺栓9直径1.4cm，螺栓9孔洞直径1cm，扣件8两孔洞直径分别为1cm和1.4cm；搭接时一根钢杆7和螺栓9分别穿过扣件8两孔洞，另一根钢杆7穿过螺杆9-b孔洞，拧紧带螺纹的螺母9-a以固定脚手架关节，搭接于钢杆固定槽1-a形成迷你脚手架。

本实施例中的加载装置3采用液压伺服千斤顶，布设于模型桩后缘，加载方向水平，施加于模型桩5顶部，采用慢速维持荷载法，每级的荷载增量为0.3kN。

本实施例中高速粒子摄像机2连接到电脑，频率为50张/s，拍摄方式为手动控制。

实施例2

使用实施例1所述的模型桩计算宽度的可视化试验装置进行试验的方法，包括以下步骤：

(一)准备试验材料和器材

测取原型土和原型桩的物理力学参数，依据相似原理制作相似物理力学参数的模型土4和模型桩5，根据模型桩5尺寸和边界效应确定模型箱1尺寸，准备位移标点6、钢杆7、扣件8和螺栓9，高速粒子摄像机2，加载装置3和一台电脑。

(二)建造模型桩边坡模型

将配置好的模型土4分层压实填筑于模型箱1中，填筑一定高度后将模型桩埋入预定位置，整平土体，继续分层压实填筑模型土4，直至达到预定桩身出露高度，整平土体表面。

(三)固定调整监测设备

自钢杆固定槽1-a搭接钢杆7，螺栓9和扣件8，形成迷你脚手架，搭设高速粒子摄像机2在桩前土体正上方；固定加载装置3于桩身后缘，以侧面钢板为反力墙，方便施加水平向荷载；按设计的扩散角度对称多排布设位移标点6在桩前土体表面，调整高速粒子摄像机2位置和角度使能清晰拍摄到所有位移标点6。

(四)开始试验

打开高速粒子摄像机2和电脑，并设定电脑中的拍摄频率和时间参数，等待试验加载；通过加载装置3对模型桩5施以水平向的分阶段的维持性荷载，用高速粒子摄像机2记录各加载阶段位移标点6的位移和模型4土的破坏过程，直至模型土4或模型桩5完全破坏。

(五)试验结果分析

试验加载结束后，通过图像后处理软件PIVprogress对高速粒子摄像机2所采集的照片进行分析，获取桩土相互作用全过程的土体位移场；跟踪各个位移标点6取得对应的位移，绘制每横排的标点位置-位移分布曲线，通过分阶段插值积分获取等效计算宽度。

试验例：本试验例使用实施例1所述装置，按照实施例2所述的方法，通过改变场地坡度来研究场地坡度对模型桩周土体应力扩散和计算宽度的影响规律。

不同场地坡度工况如表2所示：

表2模型试验方案设计

按上述步骤得出不同的场地坡度下模型桩5周围土体应力扩散结果，以每排中心处位移值为1，每排其余位移标点位移按同比例进行无量纲化处理，得到土体位移比按扩散角度的分布曲线，以15°场地坡度为例如图9所示。

如图9所示，0b排位移、0.75b排位移、1.50b排位移比变化趋势大致相近，以中心处位移比值最大，随着布置角度的增大呈现非线性减小趋势，左右两侧减小趋势相近，整个曲线呈现类正太分布。此外，同一坡度下曲线的集中趋势为0b排＞0.75b排＞1.50b排，原因为距桩的位置越远，由侧摩阻力带动土体运动而发生剪切破坏的趋势越弱。各排土体位移比变化曲线在加载开始时不是很稳定，随着荷载增大变化趋势逐渐稳定。

采用全过程的分段低次差值拟合位移分布曲线，再按位移标点布置位置进行积分，积分值为计算宽度，不同场地坡度下的积分值如图10所示。

如图10所示，模型桩5计算宽度随场地坡度的增大而近幂函数减小，场地坡度每增大10°，计算宽度减小约0.35m，计算宽度能反应土体应变规模，即发挥抗力作用土体范围，场地坡度对水平受荷桩发挥抗力作用土体范围有明显的削弱作用。

采用幂函数对所取得数据进行拟合，b=3.08exp（grade/6.91）+0.14,其中b是边长为1m方桩的计算宽度m，grade是场地坡度°，拟合平方差为0.9910。

Claims (6)

1.一种模型桩计算宽度的可视化试验方法，其特征在于:包括模型箱（1）、高速粒子摄像机（2）、加载装置（3）、模型土（4）、模型桩（5）、位移标点（6）、钢杆（7）、扣件（8）、和螺栓（9）；所述模型箱（1）为立方体结构，其对应两侧长边面上的顶部各焊接有钢杆固定槽（1-a），一个侧短边面垂直方向焊接有两个卡槽（1-b）；所述模型土（4）参考原型土依据相似原理配置，并填充在模型箱（1）内；所述模型桩（5）嵌固在模型土内，可根据试验要求改变其截面形状及尺寸；所述位移标点（6）按一定角度分排布设在所述模型土（4）表面；所述螺栓（9）包括带螺纹的螺母（9-a）和带孔洞的螺杆（9-b）；所述扣件（8）带两个直径分别与所述钢杆（7）和所述螺栓（9）直径对应的孔洞；所述钢杆（7）能穿过所述扣件（8）和所述螺杆（9-b）配合钢杆固定槽（1-a）形成迷你脚手架；所述高速粒子摄像机（2）经迷你脚手架搭设在所述模型土（4）正上方；具体方法在于：

（1）准备试验材料和器材

根据相似原理计算所配置的与原状土和原型桩有相似物理力学指标的模型土（4）和模型桩（5），根据边界效应计算所确定尺寸的模型箱（1），由钢杆（7）、扣件（8）和螺栓（9）搭接而成的迷你脚手架、高速粒子摄像机（2）、加载装置（3）和一台电脑；

（2）建造模型桩边坡模型

将配制好的模型土分层填入模型箱（1）中，夯实填土直至模型箱（1）内填土达到满足边界效应的设计高度，再将模型桩（5）的一端埋入模型土（4）中至预定位置，整平土体；继续分层填入模型土（4），并且每层均整平压实，根据试验要求填筑出不同坡度，直至达到预定桩身出露长度；

（3）固定调整监测设备

在模型桩周围已整平的坡体表面按确定的扩散角度多排布置不同灰度的位移标点（6）；搭接钢杆（7）、扣件（8）和螺栓（9）形成迷你脚手架；通过迷你脚手架将高速粒子摄像机（2）安装在模型土（4）正上方，调整镜头角度及相机参数使能拍摄到所有位移标点（6）的清晰的图像；将加载装置（3）安装在模型箱钢板侧面和模型桩（5）之间；

（4）开始试验

打开高速粒子摄像机（2）和电脑，并设定电脑中的拍摄频率和时间参数，等待试验加载；通过加载装置（3）对模型桩（5）施以分阶段的维持性水平荷载，用高速粒子摄像机（2）记录各加载阶段位移标点（6）的位移和模型土的破坏过程，直至模型土（4）或模型桩（5）完全破坏；

（5）试验结果分析

试验加载结束后，通过图像后处理软件PIVprogress对高速粒子摄像机（2）所采集的照片进行分析，跟踪各个位移标点（6）取得对应的位移，绘制标点位置-位移分布曲线，通过分阶段插值积分获取模型桩等效计算宽度；

（6）重复步骤（1）-（5），以研究不同场地坡度，不同土性，不同基础截面形状和尺寸土体的变形破坏过程，定量化分析模型桩（5）周围土体应力扩散效果，绘制土体位移分布曲线，积分得到等效计算宽度。

2.根据权利要求1所述的一种模型桩计算宽度的可视化试验方法，其特征在于：所述模型箱（1）的骨架是由钢架焊接而成，底部和一侧短边面各焊接一块钢板，另一侧短边面沿竖直方向焊接有两个卡槽（1-b），卡槽（1-b）内可嵌固多块透明亚克力，长边两侧面均由透明亚克力拼接，并用防水胶进行密封，模型箱顶端开口。

3.根据权利要求1所述的一种模型桩计算宽度的可视化试验方法，其特征在于：所述的模型土（4）为根据试验要求，按照相似原理配置的与原型土有相似物理力学指标的粘性土或无粘性土。

4.根据权利要求1所述的一种模型桩计算宽度的可视化试验方法，其特征在于：所述高速粒子摄像机（2）为粒子图像测速系统的一部分，还包括配套的便携式计算机；可以在桩土相互作用过程中跟踪所述位移标点（6）的位移，进而取得对应土体的位移量。

5.根据权利要求1所述的一种模型桩计算宽度的可视化试验方法，其特征在于：所述位移标点（6）带有不同灰度并且可插入所述模型土（4）中，根据试验要求按一定的扩散角度对称布置在所述模型土（4）表面，可布置多排，并会随着土体的位移而移动。

6.根据权利要求1所述的一种模型桩计算宽度的可视化试验方法，其特征在于：所述扣件（8）分别可由所述钢杆（7）和所述螺杆（9-b）穿过，所述螺杆（9-b）又可再由一根所述钢杆（7）穿过，拧紧所述螺母（9-a）以此形成迷你脚手架的一个关节，可以任意调整迷你脚手架搭接方向。

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