CN212779205U - 一种模型桩中性点位置的量测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种模型桩中性点位置的量测装置，包括模型箱体、伺服电机加载系统、位移传感器固定组件、桩身位移量测系统、桩周土体沉降量测系统和数据处理系统。模型箱体包括模型箱、模型土层和模型桩。伺服电机加载系统在试验过程中对模型土层施加竖向荷载。位移传感器固定组件包括固定梁和两固管，固管固接在固定梁底部且插入模型桩内部。桩身位移量测系统包括CMOS图像传感器、光栅刻度尺和照明灯。桩周土体沉降量测系统包括磁致伸缩位移传感器和磁性碎铁屑。数据收集装置连接磁致伸缩位移传感器和CMOS图像传感器以实时收集位移数据。它具有如下优点：实现非接触式量测桩身和桩周土体位移，以能更加精准的确定桩基中性点位置。

Description

一种模型桩中性点位置的量测装置

技术领域

本实用新型涉及土工模型试验装置，尤其涉及一种模型桩中性点位置的量测装置。

背景技术

近几年，随着我国在线购物与物流体系不断完善，仓储行业得到了新的发展。由于该行业对土地的需求量较大，因此部分仓库建在地价较为便宜的软土地区。随着仓库内重物堆积，易引起地面沉降，导致仓库建筑的桩基周围土体的沉降大于桩身沉降，对桩基产生负摩阻力进而造成桩身破坏、承载力降低甚至会引起上部结构建筑的不均匀沉降。因此，桩基设计时需要确定桩土相对位移为零的点，即桩中性点的位置，进而充分分析桩负摩阻力的影响。

CMOS图像传感器通过对光栅刻度尺投影的图像进行实时获取与光栅刻度尺固定在一起的物体相对位移。磁致伸缩位移传感器是利用不同位置磁铁产生的磁场和波导管外的磁场相交，产生不同的脉冲信号，根据脉冲信号传输至电子室时间，就可以高度精准测量位置磁体移动的距离。这些非接触式位移传感器迅速发展，为量测桩身位移和桩周土层沉降提供了便捷高精度的。

目前，国内研究负摩擦桩的中性点方法主要有现场试验法、规范法以及有限单元等数值模拟方法。其中规范法以及有限单元等数值模拟方法与实际工程中所测得中性点往往由于环境等不确定因素影响产生较大的误差；现场试验所采用的插入位移尺、分层沉降仪等量测方法，但这些方法存在量测精准度较低、数据读取繁琐、且很难测得桩身和桩周土层同一断面处的沉降。

实用新型内容

本实用新型提供了一种模型桩中性点位置的量测装置，其克服了背景技术中量测方法所存在的不足。

本实用新型解决其技术问题的所采用的技术方案是：一种模型桩中性点位置的量测装置，包括模型箱体、伺服电机加载系统、位移传感器固定组件、桩身位移量测系统、桩周土体沉降量测系统和数据处理系统；所述模型箱体包括模型箱，模型箱内填筑有模型土层，模型箱中心处插入有模型桩，模型桩上端部伸出模型土层，且模型土层之围绕模型桩的部分构成桩周土体；所述伺服电机加载系统布置于模型土层上表面且在试验过程中对模型土层施加竖向荷载；所述位移传感器固定组件包括固定梁、第一固管和第二固管，固定梁固定在模型桩上端面，第一固管和第二固管固接在固定梁底部且插入模型桩内部；所述桩身位移量测系统包括CMOS图像传感器、光栅刻度尺和照明灯，光栅刻度尺固定在模型桩内壁，CMOS 图像传感器固定在模型桩内部的第一固管上，照明灯固定在模型桩内壁并照射在光栅刻度尺；所述桩周土体沉降量测系统包括磁致伸缩位移传感器和磁性碎铁屑，在桩周土体的预定量测位置埋入磁性碎铁屑且磁性碎铁屑与桩周土体发生同步位移，磁致伸缩位移传感器布置在模型桩内部的第二固管上；所述数据处理系统包括数据收集装置，该数据收集装置连接磁致伸缩位移传感器和CMOS图像传感器以实时收集位移数据。

一实施例之中：所述数据处理系统还包括数据线；所述模型桩为空心圆柱铝制管桩，模型桩顶部中心对称处开设有两个贯穿孔，第一固管和第二固管分别穿过两个贯穿孔并插入模型桩内部；所述模型桩顶部中心处和钢梁中心处都开设有穿线孔，数据线连接CMOS图像传感器和磁致伸缩位移传感器且通过该穿线孔穿出并连接至数据收集装置。

一实施例之中：所述照明灯与光栅刻度尺成180°相互对立布置。

一实施例之中：所述模型土层在竖直方向等间距设置多个观测截面；桩周土体每一观测截面，以模型桩为中心铺撒一圈上述的磁性碎铁屑。

一实施例之中：所述第一固管、第二固管竖直方向的同一水平线上布设相应 CMOS位移传感器以及磁致伸缩位移传感器，并与模型土层中的磁性碎铁屑竖直高度保持一致。

一实施例之中：所述数据处理系统还包括处理器，该处理器连接数据收集装置。

一实施例之中：所述伺服电机加载系统包括伺服电机加载装置、压力分配梁、反力架、加载板和立柱支座，反力架装接在立柱支座，加载板布置于模型土层上表面，压力分配梁和加载板装接在一起，伺服电机加载装置夹在压力分配梁与反力架的中间且连接压力分配梁，伺服电机加载装置施加的荷载通过压力分配梁传递给加载板，进而对模型土层传递均匀的竖向作用力来模拟现场的地面堆载。

一实施例之中：所述固定梁固定装接在立柱支座，所述模型桩发生压缩位移以及所述模型土层发生沉降位移时，固定梁位置高度保持不变且作为量测模型桩和桩周土体位移的相对参考面。

一实施例之中：所述固定梁为钢梁，第一固管、第二固管分别为第一钢管、第二钢管且焊接在钢梁，照明灯为LED灯。

本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

本技术方案的量测装置针对土层沉降引起桩基的负摩阻力，可实现非接触式量测桩身和桩周土体位移，最大程度减少量测过程中所产生的摩擦对于实验数据影响，以能更加精准的确定桩基中性点位置。它解决了模型试验中桩身位移和桩周土体沉降非接触式量测的难题，试验操作简单，位移数据可靠度高且数据量丰富，能为实验室中桩基中性点的确定提供了一个新的思路和方法。

模型箱的模型土层中，在竖直方向等间距设置不同的观测截面，每一观测截面的桩周土体中掺入少量磁性碎铁屑，当桩周土体发生沉降时，磁性碎铁屑也随之发生位移，能最大程度减少量测过程对土层位移的影响。若干个磁致伸缩位移传感器和CMOS图像传感器处于同一监测高度，即测得该观测截面处的桩身位移和桩周土体的沉降，测量精度更为准确。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

图1是具体实施方式量测装置的结构示意图；

图2是具体实施方式量测装置的俯视图；

图3是具体实施方式桩身位移量测装置的结构示意图。

图中标号：10-模型箱，11-模型土层，12-模型桩，20-伺服电机加载装置， 21-压力分配梁，22-反力架，23-连接钮扣，24-加载板，25-立柱支座，30-钢梁， 31-第一钢管，32-第二钢管，33-螺栓，40-CMOS位移传感器，41-光栅刻度尺， 42-LED灯，50-磁致伸缩位移传感器，51-磁性碎铁屑，60-数据收集装置，61-数据线，62-处理器。

具体实施方式

请查阅图1至图3，一种模型桩中性点位置的量测装置，包括模型箱体、伺服电机加载系统、位移传感器固定组件、桩身位移量测系统、桩周土体沉降量测系统和数据处理系统。

所述模型箱体包括模型箱10、模型土层11和模型桩12，模型箱10内填筑模型土层11，模型箱10中心处插入模型桩12，且模型桩12上部伸出模型土层11。所述伺服电机加载系统布置于模型土层11上表面，在试验过程中对模型土层11 施加竖向荷载。所述位移传感器固定组件包括钢梁30、第一钢管31、第二钢管32和螺栓33，钢梁30通过螺栓33固定在模型桩12上表面，第一钢管31、第二钢管32对称焊接在钢梁30底部，并插入模型桩12内部。所述桩身位移量测系统包括CMOS图像传感器40、光栅刻度尺41和LED灯42，光栅刻度尺41固定在模型桩12内壁，CMOS图像传感器40固定在模型桩12内部的第一钢管31上，LED 灯42固定在模型桩12内壁并与光栅刻度尺41成180°相互对立以能照射在光栅刻度尺。所述桩周土体沉降量测系统包括磁致伸缩位移传感器50和磁性碎铁屑 51；在模型土层11之围绕模型桩12的桩周土体的预定量测位置埋入磁性碎铁屑 51，使磁性碎铁屑51与桩周土体发生同步位移；磁致伸缩位移传感器50布置在模型桩12内部的第二钢管32上。所述数据处理系统包括数据收集装置60、数据线61和处理器62，数据收集装置60通过数据线61连接磁致伸缩位移传感器50、 CMOS图像传感器40以实时采集位移数据，处理器62连接数据收集装置60，以对于量测得到的实时位移数据进行分析处理，处理器62如电脑。

具体结构中：所述模型桩12为空心圆柱铝制管桩；在模型桩12顶部中心对称处开设有两个贯穿孔，焊接在钢梁30底部的两根钢管分别通过两个贯穿孔并插入模型桩12内部以构成上述的第一钢管31、第二钢管32；模型桩12顶部中心处和钢梁30中心处都开设有大小一致的穿线孔，布置在钢管上传感器的数据线61 通过该穿线孔穿出并连接至数据收集装置60。所述模型土层11在竖直方向等间距设置不同的观测截面；在桩周土体每一观测截面，以模型桩12为中心铺撒一圈磁性碎铁屑51。

所述伺服电机加载系统包括伺服电机加载装置20、压力分配梁21、反力架 22、连接钮扣23、加载板24和立柱支座25；反力架22两端通过连接钮扣23装接在两立柱支座25上，加载板24放置在模型箱10内的模型土层11上表面，压力分配梁21和加载板24装接在一起，伺服电机加载装置20夹在压力分配梁21 与反力架22的中间且连接压力分配梁21，荷载通过压力分配梁21传递给加载板 24，进而对模型土层11传递均匀的竖向作用力来模拟现场的地面堆载；所述钢梁 30两端通过螺栓33固定在两立柱支座25，所述模型桩12发生压缩位移以及所述模型土层11发生沉降位移时，钢梁30位置高度保持不变，以作为量测桩身和桩周土体位移的相对参考面。

所述第一钢管31、第二钢管32竖直方向的同一水平线上布设相应CMOS位移传感器40以及磁致伸缩位移传感器50，并与模型土层11中的磁性碎铁屑51竖直高度保持一致。

基于如上所述的模型桩中性点位置的量测装置，实施操作步骤如下：

1、模型箱10内铺撒模型土层11，在模型土层11中心处安置模型桩12；

2、模型土层11中的竖直方向等间距设置不同的观测截面，在桩周土体每一观测截面，以模型桩12为中心铺撒一圈磁性碎铁屑51；

3、按照布设磁性碎铁屑51的层数，在第一钢管31、第二钢管32安置相应数量且等间距的位移传感器；立柱支座25上的钢梁30通过螺栓33固定在模型桩 12顶部，焊接在钢梁30底部的第一钢管31、第二钢管32插入模型桩12的内部；

4、在模型土层11上部轻放加载板24，反力架22和伺服电机加载装置20调整到合适位置按照试验要求进行加载作业，加载装置所施加的作用力通过加载板 24上的压力分配梁21均匀传递至加载板24，实现模型土层11沉降变化；

5、当加载板24随模拟土层11发生沉降时，通过连接钮扣23移动调整加载装置的位置，使实验获取多组荷载作用下不同观测截面处位移传感器的数据；

6、在第一钢管上31不同观测截面处固定相应的CMOS位移传感器40，LED 灯42照在光栅刻度尺41，CMOS位移传感器40实时记录固定在模型桩12内壁上光栅刻度尺41的位移，即该观测截面处桩身的位移；

7、在第二钢管32上不同观测截面处固定相应的磁致伸缩位移传感器50；当加载装置对模型土层11施加作用力，磁性碎铁屑51随模型土层11发生相对沉降；每一观测截面处磁性碎铁屑51沉降所产生不同的磁场，与磁致伸缩位移传感器 50内部波导管产生的磁场相遇，产生磁致伸缩效应使波导丝产生扭动脉冲，在电子仓内将其转化为电流脉冲，通过电子电路计算起始于返回之间的时间差，确定磁性碎铁屑51的位置和位移距离，进而确定磁性碎铁屑51相对于钢梁的位移，即该观测截面处模型土层11的相对位移；

8、将传感器所测得光栅刻度尺41移动的数值和磁性碎铁屑51的沉降数值传输至数据收集装置60，分别获取不同观测截面处桩身位移和桩周土体的沉降；

9、由处理器62绘制相应的桩身位移随深度的分布曲线以及桩周土体位移随深度的分布曲线，通过数据处理得到两曲线相交的点即是模型桩12的中性点位置。

本具体实施方式的量侧装置，通过相似理论等比例还原现场试桩以及地面堆载，在模型试验中高效精准的量测模型桩基中性点的位置，对于施工现场桩基设计与评估具有重要的研究意义与经济价值。

以上所述，仅为本实用新型较佳实施例而已，故不能依此限定本实用新型实施的范围，即依本实用新型专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本实用新型涵盖的范围内。

Claims (9)

1.一种模型桩中性点位置的量测装置，其特征在于：包括模型箱体、伺服电机加载系统、位移传感器固定组件、桩身位移量测系统、桩周土体沉降量测系统和数据处理系统；

所述模型箱体包括模型箱，模型箱内填筑有模型土层，模型箱中心处插入有模型桩，模型桩上端部伸出模型土层，且模型土层之围绕模型桩的部分构成桩周土体；

所述伺服电机加载系统布置于模型土层上表面且在试验过程中对模型土层施加竖向荷载；

所述位移传感器固定组件包括固定梁、第一固管和第二固管，固定梁固定在模型桩上端面，第一固管和第二固管固接在固定梁底部且插入模型桩内部；

所述桩身位移量测系统包括CMOS图像传感器、光栅刻度尺和照明灯，光栅刻度尺固定在模型桩内壁，CMOS图像传感器固定在模型桩内部的第一固管上，照明灯固定在模型桩内壁并照射在光栅刻度尺；

所述桩周土体沉降量测系统包括磁致伸缩位移传感器和磁性碎铁屑，在桩周土体的预定量测位置埋入磁性碎铁屑且磁性碎铁屑与桩周土体发生同步位移，磁致伸缩位移传感器布置在模型桩内部的第二固管上；

所述数据处理系统包括数据收集装置，该数据收集装置连接磁致伸缩位移传感器和CMOS图像传感器以实时收集位移数据。

2.根据权利要求1所述的一种模型桩中性点位置的量测装置，其特征在于：所述数据处理系统还包括数据线；所述模型桩为空心圆柱铝制管桩，模型桩顶部中心对称处开设有两个贯穿孔，第一固管和第二固管分别穿过两个贯穿孔并插入模型桩内部；所述模型桩顶部中心处和钢梁中心处都开设有穿线孔，数据线连接CMOS图像传感器和磁致伸缩位移传感器且通过该穿线孔穿出并连接至数据收集装置。

3.根据权利要求1所述的一种模型桩中性点位置的量测装置，其特征在于：所述照明灯与光栅刻度尺成180°相互对立布置。

4.根据权利要求1所述的一种模型桩中性点位置的量测装置，其特征在于：所述模型土层在竖直方向等间距设置多个观测截面；桩周土体每一观测截面，以模型桩为中心铺撒一圈上述的磁性碎铁屑。

5.根据权利要求1所述的一种模型桩中性点位置的量测装置，其特征在于：所述第一固管、第二固管竖直方向的同一水平线上布设相应CMOS位移传感器以及磁致伸缩位移传感器，并与模型土层中的磁性碎铁屑竖直高度保持一致。

6.根据权利要求1所述的一种模型桩中性点位置的量测装置，其特征在于：所述数据处理系统还包括处理器，该处理器连接数据收集装置。

7.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的一种模型桩中性点位置的量测装置，其特征在于：所述伺服电机加载系统包括伺服电机加载装置、压力分配梁、反力架、加载板和立柱支座，反力架装接在立柱支座，加载板布置于模型土层上表面，压力分配梁和加载板装接在一起，伺服电机加载装置夹在压力分配梁与反力架的中间且连接压力分配梁，伺服电机加载装置施加的荷载通过压力分配梁传递给加载板，进而对模型土层传递均匀的竖向作用力来模拟现场的地面堆载。

8.根据权利要求7所述的一种模型桩中性点位置的量测装置，其特征在于：所述固定梁固定装接在立柱支座，所述模型桩发生压缩位移以及所述模型土层发生沉降位移时，固定梁位置高度保持不变且作为量测模型桩和桩周土体位移的相对参考面。

9.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的一种模型桩中性点位置的量测装置，其特征在于：所述固定梁为钢梁，第一固管、第二固管分别为第一钢管、第二钢管且焊接在钢梁，照明灯为LED灯。

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