CN207379851U - 基于透明土模型的循环荷载加载试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及桩基工程研究领域，旨在提供一种基于透明土模型的循环荷载加载试验装置。该装置中的模型箱为顶部开口的立方体箱型结构，透明土中设有至少一根模型桩，模型桩的下半部分竖直插入土层中；监测系统包括用于数据收集和处理的计算机，分别连接至循环荷载加载装置、应力片、位移计和PIV粒子成像仪；循环加载系统包括液压伺服作动器和反力架；液压伺服作动器通过信号线与计算机相连。本实用新型可更直观地研究一维水平循环荷载对桩的影响，可以模拟多种工况，包括不同桩型，不同尺寸，不同埋深等实际工程中常见工况。操作方便，不但提高了科研效率，而且还为了研究水平荷载对桩基础承载力提供教学试验仪器。

Description

基于透明土模型的循环荷载加载试验装置

技术领域

本实用新型是关于桩基工程研究领域，特别涉及一种基于透明土模型的循环荷载加载试验装置。

背景技术

近年来，土木工程行业发展势头迅猛，高层建筑逐渐增多，人们对建筑安全性的考虑逐步增多，桩基础在各行各业的应用也逐渐广泛，诸如风荷载、建筑物施加的竖向荷载以及地震荷载等荷载对于建筑物与其桩基础的影响已逐渐受到重视。

模型试验一直是岩土工程中很常用的研究手段，然而在本实用新型以前的关于桩屈曲变形加载模型试验一般通过应变片或相应传感器来研究桩的变形，不能直接观察到土体内桩体变形，而且预埋的传感器或电阻应变片与周边土体力学行为影响很大，严重影响试验结果的可靠度。

在施工中为了确保安全，只能尽可能放大安全系数，从而产生了巨大的不必要的花费。因此，研制一款对桩和桩周土宏观变形可视化的模型试验装置对于社会效益与经济利益都有极大的好处。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是，克服传统模型试验装置不能直接观测桩变形和桩周土的宏观位移形态的缺陷，提供一种基于透明土模型的循环荷载加载试验装置。

为解决技术问题，本实用新型的解决方案是：

提供一种基于透明土模型的循环荷载加载试验装置，包括模型箱、监测系统和循环荷载加载装置；

所述模型箱为顶部开口的立方体箱型结构，其底面为钢板，四周侧壁为外部箍有铁条的有机玻璃；在侧壁的底部设有排水孔，且排水孔内装有滤网；模型箱的内部装有透明土，透明土中设有至少一根模型桩，模型桩的下半部分竖直插入土层中；

所述监测系统包括用于数据收集和处理的计算机，计算机通过电缆分别连接至循环荷载加载装置、应力片、位移计和PIV粒子成像仪；所述应变片有多个，粘贴在位于土层内的模型桩外侧的受荷载轴线上，并且在桩长方向均匀排列；在模型桩的露出土层部分与模型箱内壁之间设置线缆，在线缆上装设位移计；数码摄像机的镜头和激光发射器的发射端均从模型箱外侧对准模型桩所处位置，且两者与模型桩的连线是相互垂直的，PIV粒子成像仪通过电缆与数码摄像机相接；

所述循环加载系统包括液压伺服作动器和反力架；液压伺服作动器通过信号线与计算机相连；反力架包括矩形框形的水平反力架、两个水平导轨和两个竖向导轨；其中，两个水平导轨分别安装在模型箱的两个相互平行的侧壁顶部，且垂直于荷载加载方向；每个水平导轨下方装有一个竖向导轨，竖向导轨的上端通过滑块装在水平导轨上，使竖向导轨能沿水平导轨在水平方向移动；水平反力架的两条相对边框分别通过滑块安装在两个竖向导轨上，使水平反力架能沿着竖向导轨进行竖直移动；

所述液压伺服作动器通过螺栓固定在水平反力架上，在试验时液压伺服作动器的端部与模型桩相连，用于对模型桩施加水平荷载。

作为一种改进，所述排水孔有四个，分别开在模型箱底部的四角处。

作为一种改进，所述模型桩为空心钢管或空心铝管，与各应变片相接的电缆在穿过模型桩的内腔后与计算机相接。

作为一种改进，每根模型桩上的应变片数量和粘贴间距根据模型桩的入土深度来确定：在模型桩上设置多圈应变片，每圈应变片均位于同一个水平截面上；在土层上表面以下十倍于模型桩桩径的距离以内，同圈的相邻应变片的间距不大于模型桩的桩径；在软土层上表面以下超过十倍模型桩桩径的距离以外，同圈的相邻应变片的间距，依次大于上一层同圈相邻应变片之间的间距；每圈应变片之间的间距不大于1.5倍模型桩直径的距离。

作为一种改进，所述两个水平导轨的同一侧端部延伸至模型箱的外部。

本实用新型中，液压伺服作动器能监测和记录其端部的推力与行进距离，并反馈给内置于计算机的控制系统。所述计算机与液压伺服作动器相连，用于控制液压伺服作动器的启关，以及通过输入不同的荷载参数，来达到对模型桩进行不同程度的水平加载；同时，计算机在接收到液压伺服作动器反馈回来的桩顶位移与荷载并进行记录以后，能进行实验终止条件的判定；所述荷载参数包括荷载幅值、荷载均值、频率与频次。计算机控制系统的实现方式可采用硬件、软件或硬件与软件的结合，本领域技术人员可根据本实用新型所述功能，对现有技术手段加以利用以实现相关功能，由于这些内容并非本实用新型重点，故不再赘述。

实用新型实现原理：

用于填筑的透明土由透明的固体颗粒和折射率相匹配的孔隙溶液组成，其物理力学性质与实际工程中的软土相同。激光发射器发射的激光形成一个平面，穿透透明土，生成均匀分布的激光面，通过数码摄像机近距离拍摄透明土—结构物相互作用过程中的散射光斑的变化过程，并采用PIV粒子成像仪对图像进行分析处理；计算机能每隔一定的时间自动记录下所连接的应变片的读数，用于读取和记录每一次荷载施加完毕后的应变片读数数据。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、由于透明土体与天然土体具有相似的岩土工程性质，又采用PIV技术实现了土体内部变形的可视化及非插入式实时高精度测量，可更直观地研究一维水平循环荷载对桩的影响。

2、由于本实用新型的桩体根据研究需要可以制作成不同桩型，使得试验装置可以模拟多种工况，包括不同桩型，不同尺寸，不同埋深等实际工程中常见工况。

3、本实用新型试验装置操作方便，不但提高了科研效率，而且还为了研究水平荷载对桩基础承载力提供教学试验仪器。

附图说明

图1为装置主视图(未包括光学观测系统)。

图2为图1中装置的左视图(未包括光学观测系统与模型桩)。

图3为图1中装置的俯视图。

图中的附图标记为：1模型箱；2透明土层；3排水孔；4水平导轨；5应变片；6模型桩；7计算机；8PIV粒子成像仪；9激光发射器；10数码摄像机；11位移计；12液压伺服作动器；13竖向导轨；14水平反力架。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述：

透明土实验技术包括透明土的制备与岩土工程性质测试、实验设备与技术、图像捕捉与处理方法。人工合成透明土由两部分组成，即透明土颗粒和具有相应折射率的孔隙流体。因为这两部分具有相同或相近的折射率，光线不经过折射就可以穿过，所以这种“土”是透明的。利用透明土并采用现代光学观测技术和图像捕捉与处理技术可以实现土的三维变形、强度和渗流等问题的可视化研究，对于深入研究各种工程地质条件下的土体内部变形规律和机理，提高对土力学和岩土工程问题的本质认识具有重要意义。

本实用新型所述基于透明土模型的循环荷载加载试验装置，包括模型箱1、循环荷载加载装置和监测系统；

模型箱1为顶部开口的立方体箱型结构，其底面为钢板，四周侧壁为外部箍有铁条的有机玻璃；在侧壁的底部设有排水孔3，且排水孔3内装有滤网；排水孔3有四个，分别开在模型箱1底部的四角处。模型箱1的内部装有透明土2，透明土2中设有至少一根模型桩6，模型桩6的下半部分竖直插入土层中。

监测系统包括用于数据收集和处理的计算机7，计算机7通过电缆分别连接至液压伺服作动器12、应力片5、位移计11和PIV粒子成像仪8；所述应变片5有多个，粘贴在位于土层内的模型桩6外侧的受荷载轴线上，并且在桩长方向均匀排列；模型桩6为空心钢管或空心铝管，与各应变片5相接的电缆在穿过模型桩6的内腔后与计算机7相接。

循环荷载加载装置包括液压伺服作动器12和反力架；反力架安装在模型箱1顶部，包括水平反力架14、两个水平导轨4、两个竖向导轨13；水平导轨4分别安装在模型箱1对应两个侧面的顶部，且垂直于荷载加载方向。两个水平导轨4的同一端向模型箱1外部延伸，用于将反力架移动至模型箱1外，方便进行填土及固结等步骤。两个竖向导轨13分别安装在水平导轨4下方，是以其上端连接至水平导轨4上的滑块，竖向导轨13能沿着水平导轨4在水平方向移动；水平反力架14为矩形框结构，其两条短边分别通过滑块安装在两侧的竖向导轨13上，使水平反力架14能沿着竖向导轨13进行竖直移动；

液压伺服作动器12的一端通过螺栓固定在水平反力架14上，另一端与模型桩6相连，用于对模型桩6施加水平荷载；液压伺服作动器12能监测和记录其端部的推力与行进距离，并反馈给计算机7中内置的控制系统；计算机7能控制液压伺服作动器12的启关，以及通过输入不同的荷载参数，来达到对模型桩6进行不同程度的水平加载；同时，计算机7在接收到液压伺服作动器12反馈回来的桩顶位移与荷载并进行记录以后，能进行实验终止条件的判定。

每根模型桩6上的应变片5的数量和粘贴间距是根据模型桩6的入土深度来确定的：在模型桩6上设置多圈应变片5，每圈应变片5均位于同一个水平截面上；在土层上表面以下十倍于模型桩6桩径的距离以内，同圈的相邻应变片5的间距不大于模型桩6的桩径；在软土层上表面以下超过十倍模型桩6桩径的距离以外，同圈的相邻应变片5的间距，依次大于上一层同圈相邻应变片5之间的间距；每圈应变片5之间的间距不大于1.5倍模型桩6直径的距离。

在模型桩6的露出土层部分与模型箱1内壁之间设置线缆，在线缆上装设位移计11；数码摄像机10的镜头和激光发射器9的发射端均从模型箱1外侧对准模型桩6所处位置，且两者与模型桩6的连线是相互垂直的，PIV粒子成像仪8通过电缆与数码摄像机10相接；数码摄像机10获取到激光发射器9照射在透明土2中形成的散射光斑场图像，PIV粒子成像仪8将激光散斑图像进行处理，得到同一激光面上加载前后的变形场，平移激光发射器9后可获得多个切片图像，对多个变形场分析就可以得到完整的桩6与桩周土的三维变形场。

本实用新型中，基于前述装置的循环荷载加载实验方法，包括下述步骤：

(1)透明土的制备

将作为孔隙溶液浓度为75％的蔗糖溶液(密度1.5g/cm³)倒入模型箱1中，添加到预定的透明土2高度；为增加散射光斑，将粒径为0.2～0.3mm的反光颗粒“玻璃珠”掺入到熔融石英中并混合均匀，反光颗粒在混合物中所占体积不超过3％；用2～4mm内径的漏斗引导掺混了反光颗粒的熔融石英均匀倒入孔隙溶液中至颗粒达到预设的透明土2高度，添加时漏斗口紧靠孔隙溶液表面；

(2)安装模型桩

在模型桩6外表面粘贴应变片5，在应变片5的外侧涂一层环氧树脂加以保护，并将应变片5的导线从模型桩6内腔穿出；在模型桩6的底部加装圆锥形套头，将模型桩6压入指定位置的土层内；在模型桩6露出土层的部分与模型箱1内壁之间的线缆上，安装位移计11；将应变片5和位移计11的电缆接至计算机；

(3)将循环荷载加载装置架设在水平导轨上；

(4)将打印好的字母表贴在与数码摄像机10相对一侧的模型箱1侧壁上，利用数码摄像机10的镜头观测透明土2的透明性；将带有控制点的膜贴在装有透明土的模型箱1后侧，将激光发射器9按与数码摄像机10垂直的方向放置好；

(5)利用计算机7输入荷载参数，循环荷载加载装置开始执行荷载加载；同时设定数据采集频率，记录每一次荷载施加完毕后，模型桩6的桩顶累计位移计11与应变片5的读数，以及每次荷载后透明土—结构物相互作用的位移场和应变场；

(6)当加载完实验开始时设定的荷载次数，或者累计水平位移超过设定值桩身发生失稳破坏时，结束实验；回收模型箱与实验用土，所得试验数据用于后期处理。

本实用新型中，循环荷载加载装置用于对作为实验对象的模型桩6施加模拟风荷载、地震荷载等荷载，可在水平导轨4上移动到试验所需位置。通过记录位移计11的读数，可以实现绘制桩顶位移路径图。激光发射器9能产生一个透明土模型散斑场，PIV粒子成像仪8对比图像灰度的相关度确定位移的大小，得到透明土—结构物相互作用的位移场和应变场。同时，通过PIV粒子成像对桩周土位移场监测探究桩在土体中的变形，从而研究在荷载作用下单桩或群桩的工作情况。该装置可以在桩基工程的研究中被广泛地运用，并且易于上手，实验结果直观。

模型桩6可采用空心钢管或空心铝管；若模型桩6用于模拟研究实际工程，模型桩6的直径和壁厚根据实际工程等比例缩小获得，且建议使用钢管；若没有实际工程作为参照，则直径与壁厚不应过大或过小，过大则需要更高的荷载水平与更大的模型箱1，过小则不宜粘贴应变片5，容易造成误差。本实施例中模型桩6桩长1.5m，入土深度为1m，粘贴应变片5时，在土体表面以下40cm内每隔8cm布置一对应变片5，40-70cm处每隔10cm布置一对，70-100cm处每隔15cm布置一对，共需布置11对(22个)应变片5。

基于上述透明土模型试验装置，利用示意图对荷载作用下桩屈曲变形实验研究方法进行详细描述，为了便于说明，表示装置结构的示意图会不依一般比例作局部放大，不应以此作为对本实用新型的限定，此外，在实际的制作中，应包含长度、宽度及高度的三维空间尺寸。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本实用新型的具体实施例。显然，本实用新型不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本实用新型公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于透明土模型的循环荷载加载试验装置，包括模型箱，其特征在于，还包括监测系统和循环荷载加载装置；

所述模型箱为顶部开口的立方体箱型结构，其底面为钢板，四周侧壁为外部箍有铁条的有机玻璃；在侧壁的底部设有排水孔，且排水孔内装有滤网；模型箱的内部装有透明土，透明土中设有至少一根模型桩，模型桩的下半部分竖直插入土层中；

所述监测系统包括用于数据收集和处理的计算机，计算机通过电缆分别连接至循环荷载加载装置、应变片、位移计和PIV粒子成像仪；所述应变片有多个，粘贴在位于土层内的模型桩外侧的受荷载轴线上，并且在桩长方向均匀排列；在模型桩的露出土层部分与模型箱内壁之间设置线缆，在线缆上装设位移计；数码摄像机的镜头和激光发射器的发射端均从模型箱外侧对准模型桩所处位置，且两者与模型桩的连线是相互垂直的，PIV粒子成像仪通过电缆与数码摄像机相接；

所述循环加载系统包括液压伺服作动器和反力架；液压伺服作动器通过信号线与计算机相连；反力架包括矩形框形的水平反力架、两个水平导轨和两个竖向导轨；其中，两个水平导轨分别安装在模型箱的两个相互平行的侧壁顶部，且垂直于荷载加载方向；每个水平导轨下方装有一个竖向导轨，竖向导轨的上端通过滑块装在水平导轨上，使竖向导轨能沿水平导轨在水平方向移动；水平反力架的两条相对边框分别通过滑块安装在两个竖向导轨上，使水平反力架能沿着竖向导轨进行竖直移动；

所述液压伺服作动器通过螺栓固定在水平反力架上，在试验时液压伺服作动器的端部与模型桩相连，用于对模型桩施加水平荷载。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述排水孔有四个，分别开在模型箱底部的四角处。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述模型桩为空心钢管或空心铝管，与各应变片相接的电缆在穿过模型桩的内腔后与计算机相接。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每根模型桩上的应变片数量和粘贴间距是根据模型桩的入土深度来确定的：在模型桩上设置多圈应变片，每圈应变片均位于同一个水平截面上；在土层上表面以下十倍于模型桩桩径的距离以内，同圈的相邻应变片的间距不大于模型桩的桩径；在软土层上表面以下超过十倍模型桩桩径的距离以外，同圈的相邻应变片的间距，依次大于上一层同圈相邻应变片之间的间距；每圈应变片之间的间距不大于1.5倍模型桩直径的距离。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述两个水平导轨的同一侧端部延伸至模型箱的外部。